光纤传感
编者按：
传感器技术近年来迅猛发展, 已经逐步成为当代科技发展水平的重要标志, 与通信技术、计算机技术并称信息产业三大支柱. 在传感器家族中, 光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐恶劣环境、可多参量测量、易于集成, 可组成光纤传感网络并接入互联网的特点, 处于传感器技术发展的前沿, 现已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域. 光纤传感技术的形式主要体现为分立式和分布式：分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测量的变化, 光纤作为光信号的传输通道连接光源、光纤传感器及后端的解调装置；分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应, 利用光纤本身作为敏感元, 可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.
“光纤传感” 专题, 汇集了各类分立式与分布式光纤传感器的最新研究成果, 对其工作机理、关键器件设计等方面的创新研究和发展现状进行介绍. 希望通过对传统和各类新型光纤传感器的深入研究, 能够进一步推动光纤传感理论与技术的发展, 让光纤传感器在更多领域找到用武之地, 更好地服务国家建设, 改善人民生活, 保卫国家安全.
2017, 66 (7): 070601.
doi: 10.7498/aps.66.070601
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提出了一种基于空芯光纤模间干涉原理的环境温度和磁场双参数传感器，为了使光入射进空芯光纤壁中，将空芯光纤与单模光纤错位熔接，传感部分用毛细玻璃管封装，空芯光纤内外分别填充酒精和磁流体.除了光纤材料的热光效应和热膨胀效应外，环境温度变化会引起两种溶液折射率的变化，而磁场变化仅引起空芯光纤外的磁流体折射率变化.理论计算可知空芯光纤壁中可支持多个模式传输并相互干涉，各模式传输相位对内外溶液折射率变化灵敏程度不同.因此，干涉谱中两个含有不同模式成分的波谷，即波谷1和波谷2，它们的漂移可以作为指示信号，通过建立敏感矩阵可同时解调出周围环境温度与磁场的变化.实验中，在2858℃范围内，温度传感灵敏度可达-468 pm/℃；在0169 Oe范围内磁场传感灵敏度可达82 pm/Oe.该传感器具有高灵敏度与高机械强度，并且能够实现温度与磁场的同时测量，有效消除了温度波动对磁场测量信号的干扰.
2017, 66 (7): 070702.
doi: 10.7498/aps.66.070702
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利用啁啾相移光纤光栅狭缝的中心波长对应变点和应变量的波长敏感性，实现应变与应变点精确定位的传感.当啁啾光纤光栅上的某一位置产生微应变时，该应变点会产生相移，其频谱则会出现一个与之对应的狭缝，且狭缝的深度和中心波长与应变的大小和位置相关.当串接不同中心波长的啁啾光纤光栅后，即可实现一定范围内的分布式应变与应变点精确定位检测.本文通过V-I传输矩阵法建立了狭缝深度和中心波长关于应变量和应变位置的理论模型，分析结果表明理论上可以实现微米量级的精确定位.搭建了级联啁啾相移光纤光栅的分布式应变传感装置，实验获得的最大应变灵敏度为0.19pm/.该精确定位传感装置在先进制造、精密加工、航空航天、铁路系统等高新技术领域具有重要的应用前景.
2017, 66 (7): 070704.
doi: 10.7498/aps.66.070704
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长周期光纤光栅（long-period fiber grating，LPFG）是一种宽带的透射型无源光子器件，在光纤通信和光纤传感领域应用广泛.本文从折射率空间调制的角度，根据栅格周期长短、折射率调制深度和栅面法线取向三个特征参数，对LPFG进行了分类并分析了其不足，定义了新型长周期光纤光栅（novel long-period fiber grating，NLPFG）概念并指出了其研究意义；阐述了典型的LPFG写制新技术，建立了NLPFG模型和设计理论；提出了NLPFG正、反向设计流程，阐述了NLPFG典型设计方法；综述了近年来NLPFG的研制及典型应用，展望了NLPFG研究的发展趋势.
2017, 66 (7): 070703.
doi: 10.7498/aps.66.070703
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将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合，充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的优势，将有望发展新型的光纤传感器件和系统.本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤和光纤光栅上制备微结构，再结合敏感材料制备技术，实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融合，探索实现新型高性能的光纤传感新技术.
2017, 66 (7): 074202.
doi: 10.7498/aps.66.074202
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基于生物样品检测对折射率传感的迫切需求，构建一种全光纤表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）系统，并针对其设计了基于全相位滤波技术的SPR特征波长传感解调算法.基于系统仿真，理论计算了光纤SPR传感器的折射率传感灵敏度.采用全相位滤波技术提取光纤SPR传感器透射光谱的特征波长，理论推导了全相位滤波器的解析表达式.实验结果表明，使用本算法的光纤SPR传感器折射率传感灵敏度为1640.4 nm/RIU，折射率检测的分辨率是7.3610-4 RIU，与传统方法相比，有效提高了系统的检测精度和抗光源扰动性能，降低了实验成本.
2017, 66 (7): 075201.
doi: 10.7498/aps.66.075201
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自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来，该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅，一般情况下两束抽运光（频率差等于光纤的布里渊频移）以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中，通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场，即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点，已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理，重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用，这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力（气压或液压）传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.
2017, 66 (7): 070705.
doi: 10.7498/aps.66.070705
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光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域，其技术形式主要体现为分立式和分布式.分立式光纤传感技术利用光纤敏感器件作为传感器来感知被测参量的变化，光纤作为光信号的传输通道连接光纤传感器及后端的解调装置；分布式光纤传感系统基于光纤瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射等光学效应，利用光纤本身作为传感器，可对沿途的光信号进行大范围、长距离传感.本文介绍了分立式与分布式光纤传感中主要关键技术的研究进展，并对未来的研究和发展方向进行了探讨.
2017, 66 (7): 070706.
doi: 10.7498/aps.66.070706
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开展了基于相干光时域反射型的光纤分布式声增敏传感研究，提出了单端固定开口波纹薄筒光纤声增敏方法，建立了光纤声增敏装置波节间距、单波节轴向刚度、光纤长度等参数对光纤相位灵敏度的影响理论模型.制作了3种规格的光纤声增敏传感装置进行声传感实验.实验结果表明，声增敏传感装置相位灵敏度达到2.975 rad/Pa，最小声探测信号达到60.1 dB，3种规格的声增敏传感装置的灵敏度测试值与理论分析基本一致.研究结果为高灵敏度的光纤分布式声传感的进一步发展提供了理论和实验基础.
2017, 66 (7): 070707.
doi: 10.7498/aps.66.070707
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相位敏感型光时域反射（-OTDR）传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点，能够实现对微弱扰动的分布式检测，在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而，与传统的OTDR传感系统不同，-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声，对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰，从而限制了-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析，并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明，本文提出的方法可以有效抑制-OTDR传感系统中的光学背景噪声，并显著提高传感系统性能.
2017, 66 (7): 070708.
doi: 10.7498/aps.66.070708
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光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强等优点，已被广泛应用于军事和民用领域.在某些环境恶劣，如具有强电磁干扰和腐蚀性，或提供给传感器的安装空间非常有限的特殊工业领域，微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用，国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺，分析了不同制作工艺的优缺点；详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用；最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行了总结和展望.
2017, 66 (7): 074205.
doi: 10.7498/aps.66.074205
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光纤超声传感器通过检测光纤内传输光的强度、波长、相位、偏振态等参数感知超声波的相关信息.相比于传统的电类超声换能器，光纤超声传感器能够实现宽频带超声波信号的高灵敏探测，且其良好的抗干扰能力和复用性，可有效地提高超声波探测的可靠性和效率，在水下国防安全、生物成像、无损探伤、地震物理模型成像等领域具有巨大的应用潜力.目前，按照传感结构，光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型，并在不同方面发挥着各自的优势，均受到关注.本文主要综述了这几种传感器的传感机理、实现方法、发展现状，总结了光纤超声传感器的几个应用领域及面临的科学技术挑战，重点讨论了光纤超声传感器作为一种新技术应用于地震物理模型成像.
2017, 66 (7): 074206.
doi: 10.7498/aps.66.074206
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对近海和河流水中含量较高、污染较重的可溶态重金属镉（Cd2+）、铜（Cu2+），锌（Zn2+）、镍（Ni2+）等的同时测量方法进行研究，研究四种参量各自的特征谱与吸光度的特点及四种参量互相影响时其浓度与特征波长总吸光度间的数学模型；重点研究四种离子同时传感测量时，不同pH值、温度、时间、显色剂量等因素对金属离子浓度测量值的影响，并通过实验给出影响规律.
2017, 66 (7): 074207.
doi: 10.7498/aps.66.074207
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分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分，具有以下突出优势：无需在光纤上制作传感器，传感光纤集传感与传输于一体，可实现远距离、大范围的传感与组网；可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息，单根光纤上能获得多达数万点的传感信息.由于在长距离连续传感方面具有不可替代的优势，分布式光纤传感技术在周界安防、石油电力、大型结构等领域的安全监控方面具有非常广阔的应用前景.本文主要介绍电子科技大学光纤传感与器件研究团队在长距离分布式光纤静（布里渊光时域分析仪）、动（相位敏感型光时域反射仪）态参量传感技术取得的研究进展，包括基础与应用研究两个方面.
2017, 66 (7): 074208.
doi: 10.7498/aps.66.074208
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高分辨率光纤应变传感系统是地球物理学中地壳微弱形变观测的有力工具.相比于传统的地壳应变观测技术，光纤应变传感器具有测量分辨率高、抗干扰能力强、尺寸小、可复用、易于安装布设等特性，在建立新型地壳形变监测网络中具有很大的应用潜力.本文围绕面向地壳形变观测的纳应变级分辨率光纤应变传感器技术，阐述了应变传感原理与实现超高测量分辨率的机理，并详细介绍了扫频探测、Pound-Drever-Hall解调技术、边带探测、双回路锁定传感、传感器时分复用等技术及相应的传感器系统实现方案，最后，给出了超高分辨率光纤传感器在现场观测的实验结果与分析.
2017, 66 (7): 074209.
doi: 10.7498/aps.66.074209
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近年来，保偏微纳光纤以其高双折射特性和强倏逝场效应引起了研究者的关注.本文从保偏微纳光纤的结构类型、制备方法和模式双折射特性等出发，介绍了目前不同类型保偏微纳光纤倏逝场传感器的构造特征与实现方法，利用保偏微纳光纤在两个垂直偏振方向的倏逝场对外界的不同响应，可制成偏振相关的干涉型或光栅型等传感器件.本文探究了包括超高折射率灵敏度特性和温度不敏感特性等的内在产生机理，并考察了保偏微纳光纤倏逝场传感器在折射率、湿度、磁场和特异性DNA分子探测等方面的应用，其结果对微纳光纤及其传感器的研究和应用具有重要的意义.
2017, 66 (7): 074210.
doi: 10.7498/aps.66.074210
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在对冲击激励声发射应力波在铝合金板上的传播机理进行分析的基础上，利用ABAQUS软件构建了钢球冲击铝合金板几何模型，仿真分析了冲击应力波传播过程.理论分析了冲击应力波与FBG传感器的作用机理，基于边缘滤波原理构建了声发射传感系统，采集冲击激励声发射应力波，建立了声发射区域定位模型，提出了基于扩散映射与支持向量机（SVM）的声发射区域定位方法并进行了实验验证.在300 mm300 mm2 mm的铝合金板上对36个测试区域进行了多次声发射区域定位实验，实验结果表明，扩散映射结合SVM的定位结果较优，区域定位精度为30 mm30 mm，定位正确率为97.5%，耗时0.781 s.研究结果为声发射区域定位检测提供了一种有效方法.
2017, 66 (7): 074211.
doi: 10.7498/aps.66.074211
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近年来，Airy光束作为一种无衍射光束，其特性引起了研究者的广泛关注，人们对它的理论研究、实验验证、实际应用多个方面都取得了长足的进步.而Airy光纤作为一种可生成Airy光束的波导器件，结合其光纤自身优点可适用于多种应用领域，因此开展新型Airy光纤的探索研究、拓展Airy光束的应用范围具有重要现实意义.本文从Airy光束的原理、光纤结构设计、光纤内部光束生成机理、生成光束波长响应特性以及Airy光纤研究现状和应用五个方面展开了较系统的讨论.
2017, 66 (7): 074212.
doi: 10.7498/aps.66.074212
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本文阐述光纤光热干涉气体检测的基本原理，从光纤光热相位调制的产生、动态过程、探测方法以及响应时间等方面出发，综述本研究组在光纤光热干涉气体检测方面的最新工作进展.光纤光热干涉技术具有灵敏度高、动态范围大、测量不受散射及其他损耗影响等优势，能够实现小型化、多点复用、组网及远程监测，在环境、医疗、安防等领域具有重要的应用.
