传感光缆：优点、特性和应用

21世纪，是一个智能化时代，实际就是一个遍布传感器的世界。机器人、万物互联、人工智能、无人驾驶、无人机等，归结起来就是通过软件实现各种传感器“感知”、“探测”各种物理参数并做出相应的反应或动作。这些物理参数如重量、温度、高度、位置、距离、速度、加速度、压力、角度、液体粘度、液体流量、酸碱度、硬度、方向、振动等，都可以通过器件进行“探测”“感知”，然后将“感知”到的信号传递给相应的设备，通过软件进行分析、计算，淘汰掉无关的“杂音”信息，得到探测对象及时的状态，最后由无数个“点”信号汇成一个连续的、动态的、清晰的图像或动作。

当前，这些信息的传递过程，无非是电或光。电子传感一般是通过传感器感知和探测信号，再通过信号电缆传输到设备，信号电缆在其中很少能起到自我“感知”的作用。而光传感分两个部分，其一是通过光器件上一些物理参数的变化探测信号，信号通过光纤传输到设备进行分析；其二，光纤自身就是一个感知器件，光纤在环境中探知的一些物理变量直接通过设备分析、计算，即可被利用起来。

与电子传感器相比，光纤传感器具有获取信息和传送信号的双重功能，显示出独特的优越性：

（1）体积小，重量轻；

（2）抗环境干扰；

（3）抗电磁干扰（EMI）；

（4）具有遥感和分布式传感的能力；

（5）使用安全、方便，兼具信号传送功能；

（6）复用和多参数传感功能；

（7）灵敏度高、带宽大等。

光纤传感器从传感的功能单元角度可分为本征和非本征两类。本征传感是利用光纤本身对外部条件的敏感性，而后者利用非光纤材料的敏感性。例如，电流传感器可以利用光纤本身的法拉第旋转效应，也可以利用具有高的法拉第效应系数的某些晶体，光纤作为传输光路。在非本征光纤传感器中光纤起传送光信号的功能，体现了光纤传感器的优点。

光纤传感器还可以根据光纤传输参数分为强度调制传感器和相位调制传感器。例如，一个基于探测光纤弯曲损耗的传感器就是一个强度调制传感器；而基于弯曲导致的双折射的传感器，是一个相位调制传感器。(www.xing528.com)

根据光纤的一些特性或效应，设计不同的光纤传感器，人们也因此可以据此制造不同的传感光缆。这些特性主要有：

（1）基本效应：弹光效应（应变导致的折射率改变）、热光效应、光纤热胀冷缩、光的干涉、光纤光敏性；

（2）偏振相关性：保偏光纤干涉仪、应变导致的双折射、法拉第旋转；

（3）光纤干涉仪：马赫·曾德尔（Mach－Zehnder）干涉仪、迈克耳孙（Michelson）干涉仪、法布里珀罗（Fabry－Pero）干涉仪、萨格纳克（Sagnac）干涉仪；

（4）光栅和滤波器：光纤光栅、光纤耦合器的光谱相关性、波长转换、多普勒效应；

（5）非线性光学效应和光散射：瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、克尔效应自相位调制和交叉相位调制；

（6）模式耦合：倏逝波导致的模式耦合、光纤轴向模式耦合；

（7）损耗相关的机制：光纤衰减、端面耦合、光纤弯曲损耗等。

这些理论和特性在我们日常工作中有的已经被发掘和应用，只不过不是作为传感器，而是作为测试仪器的一种。而作为主体的传感光纤，也不一定是我们常规的通信光纤，如稀土掺杂光纤和双包层光纤、保偏光纤和光子晶体光纤等。

在光纤传感器中，大部分的光纤长度都不长，其结构设计会根据设备以及环境的要求，千变万化。有的结构非常简单，特别是短距离传输用光纤，一根紧套光纤足矣。当然也有很多复杂的设计，如在液体或腐蚀性气体等环境中应用的光纤，就需要根据使用现场进行保护设计，但万变不离其宗的是，通过各种适用的材料、合理的结构等来保证光纤的寿命。由于光纤传感器品类非常繁杂，不同的要求有不同的结构，本书不对这些仅通过光纤传输信号的非本征传感器和光纤传感元器件进行介绍，只分析介绍光纤作为本征传感器件的、长距离的、有代表性的两种光缆结构和类型。