OFS

光纤传感器广泛应用于生物物理领域，可进行多种检测，例如光纤DNA生物传感器，目的DNA的碱基转变为可检测的光信号，是近年发展起来的基因快速检测新技术，光纤生物传感器还可用于各种毒素检测，抗原抗体相互作用检测等，是生物物理技术发展的一个重要领域。

简介

OFS

OFS（Optical Fiber Sensor ）：光纤传感器

原理

传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，精细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器是新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。

所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。

光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。

工作原理

光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测量原理有两种：

（1）物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。

因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。

（2）结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。

优点

光纤传感器的优点是与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。

光纤传感器结构简单，精美大方，体积小，重量轻，耗电少等。光纤传感器在军事方面、航空方面、医学方面、环境监测方面、土木工程方面、电子系统方面等很多领域都有广泛的应用，尤其适用于以下特殊环境，这就使得很多之前不能解决的问题，都能得到很好的解决：在高压、电磁感应噪音条件下进行精准的测试，在危险和环境恶劣条件下能克服各种条件的测试，在机器设备内部的狭小间隙中也能轻快的测试，在远距离的传输中依然能收到信号的测试，光纤传感器的分类和可测量的物理量，还有按照所利用的不同的光学现象，光纤传感器还可以分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量。

流量计原理

另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。

光纤在传感器家族中是后起之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。

光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀，并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的一员。

荧光光纤传感器

与化学传感器不同，光纤生物传感器主要是利用荧光免疫竞争原理实现对分析物的检测。Shriver-Lake等人发展了一种适合于多目标检测的荧光光纤传感器，采用免疫竞争方法可同时检测TNT和RDX(三次甲基三硝基胺)两种爆炸物。他们将抗体固定在光纤表面，荧光标记抗原与自由抗原在光纤表面进行免疫竞争，通过检测荧光强度的变化，可定量检测爆炸物的体积分数。需要指出的是，虽然荧光光纤生物传感器具有灵敏度高、选择性好等优点，但使用稳定性差是其难以克服的缺陷。随着新的荧光敏感材料的出现，爆炸物的荧光检测方法也在不断发展。Swager小组利用微纳米颗粒材料比表面大的特点，利用层层组装技术将共轭荧光高分子固定于微球表面，制成了可对硝基芳烃类炸药实现灵敏检测的功能荧光微球材料，并形象地称其为“智能砂子”。针对共轭荧光高分子薄膜荧光传感器的局限性，提出了以固定化多环芳烃的超分子行为为基础的传感薄膜材料设计新思想，制备了十余种新型传感薄膜材料，已实现了对有机二酸等的选择性检测。实验发现，在这些薄膜中，芘功能化薄膜对空气中硝基芳烃类化合物的存在十分敏感，其灵敏度可与共轭荧光高分子薄膜相媲美，展现出很好的应用开发前景。可以预期，薄膜荧光传感器所具有的巨大优势必将使其在硝基芳烃类炸药的超灵敏快速检测方面获得际应用。