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[摘要]光纤的发展给社会带来了巨大的经济效益，其在各个领域的应用正在不断地被创新，本文就光纤传感器、光纤传感器的应用原理，以及光纤传感器在地质矿产勘探中的应用三个方面进行阐述。
[关键词]光纤 光纤传感器 地质矿产勘探 应用
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-80-2
1前言
光纤作为新兴的材料被应用于各个领域行业，除了常见的光纤通信，最多的是应用于光纤传感器方面，光线传感器的应用给多个行业的测量工作带来了巨大的便利。
2光纤传感器
2.1基本工作原理
光纤传感器是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（ 如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等） 发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
2.2光纤传感器优点
灵敏度较有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器； 可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
2.3光纤传感器的分类
光纤传感器可以分为两大类： 一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。
（1）功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调， 从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑、灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子： 光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
3光纤传感器的应用原理
3.1光强调制型
这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
（1）改变光纤的微弯状态
利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。
（2）改变光纤对光波的吸收特性
x射线和y射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。
（3）改变光纤包层的折射率
全内反射光纤传感器的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量（折射率、浓度、温度等）发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等
3.2相位调制型
这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛（只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感），但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L（对应于光纤的弹性变形）和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。
4光纤传感器在地质矿产勘探中的应用
基于光纤传感器的独特优势，其在各领域内均有特别应用。在地质矿产勘探中，有两大区域需要传感检测：一是对未知矿产是否存在的勘探；二是对已存在矿产挖掘开发时的安全监测。
4.1光纤传感器在隧道监测中的应用
光纤传感器在隧道上应用比较成熟， 通过采用光纤传感器对隧道进行监测，实时监测隧道变形情况，能够获得可靠的数据，可分析出正确结果，反映隧道实际受力情况，起到隧道的健康监测、预防保护作用；能够体现出光纤光栅传感器的强大优势，保证了施工的顺利进行，提升了施工质量。光纤传感器在桥梁隧道监测方面的应用主要有以下三个方面：对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测，掌握材料和结构的工作性能；对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测，掌握桥梁的正常运行状态；对有一定损伤的旧桥进行监测，从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。
4.2光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用
在安全监测中，对于地下煤矿有害气体浓度的监测而言，瓦斯传感器是必需的。瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，开展瓦斯检测系统的研究具有十分迫切的需求和重大的社会效益和经济价值。传统的瓦斯传感器大多是基于机电器件的，存在的问题主要是系统可靠性不高、稳定性以及耐久性不够理想。光纤瓦斯传感器与传统的电催化探测器相比有以下优点：本身不发热，无电，无火，这种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问题；测量的动态范围大，可以有效地起到预警作用；反应速度快；对气体种类有很高的选择性；对环境适应性强，能在潮湿、粉尘较多的环境下使用。和现有的红外吸收式的探头相比也有其优越性：探头损耗低；吸收距离长；体积小，结构简单，易于使用。目前光纤传感器还不能完全取代电传感器，但是光纤传感器具有无可替代的独特优势，吸引着国内外广大研究者为之继续努力研究、开发和推广，使其向高性能、规范化、网络化、实用化方向发展。
4.3光纤传感器在智能完井中的应用
目前国内油田的油藏多数是非均质多个油层，各油层出现大量水，严重的不得已关井，或者动用修井设备进行找水、堵水、封堵等费时费力的修井作业工作。因此，除了利用合适传感器实现石油的准确寻找定位外，油田工作者一直希望有一套技术可以同时开采多个油层并随时报告井下各层段或各分支井眼正在生产并流入井内的是什么，以及流量、压力、温度等参数的变化，以便人们能随时了解井下各产出层的情况，调整和控制各层的出液量，关闭高含水层，换层开采以提高效率，这样一种智能化完井技术是石油人不断追求的理想。它是将国防技术、微电子技术、机电一体化、智能仪器、现代通信和采油工艺技术、测试技术等多种高新技术结合而成，也是近年来国际石油开采技术中最有发展前景的高新技术。
5结语
经济不断发展，科技也不断进步，正是因为有了科技的进步才带来了光纤技术的发展，光纤传感器是光纤的一个应用，其被应用于各种行业，为许多的行业工作带来了便利和巨大的经济效益，尤其是在人的眼睛和传统仪器不容易到达的地下。
[关键词]光纤 光纤传感器 地质矿产勘探 应用
[中图分类号] P624 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-12-80-2
1前言
光纤作为新兴的材料被应用于各个领域行业，除了常见的光纤通信，最多的是应用于光纤传感器方面，光线传感器的应用给多个行业的测量工作带来了巨大的便利。
2光纤传感器
2.1基本工作原理
光纤传感器是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（ 如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等） 发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
2.2光纤传感器优点
灵敏度较有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器； 可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
2.3光纤传感器的分类
光纤传感器可以分为两大类： 一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。
（1）功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 被测量对光纤内传输的光进行调制， 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调， 从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑、灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子： 光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
3光纤传感器的应用原理
3.1光强调制型
这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的徽弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
（1）改变光纤的微弯状态
利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。
（2）改变光纤对光波的吸收特性
x射线和y射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。
（3）改变光纤包层的折射率
全内反射光纤传感器的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量（折射率、浓度、温度等）发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等
3.2相位调制型
这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛（只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感），但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L（对应于光纤的弹性变形）和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。
4光纤传感器在地质矿产勘探中的应用
基于光纤传感器的独特优势，其在各领域内均有特别应用。在地质矿产勘探中，有两大区域需要传感检测：一是对未知矿产是否存在的勘探；二是对已存在矿产挖掘开发时的安全监测。
4.1光纤传感器在隧道监测中的应用
光纤传感器在隧道上应用比较成熟， 通过采用光纤传感器对隧道进行监测，实时监测隧道变形情况，能够获得可靠的数据，可分析出正确结果，反映隧道实际受力情况，起到隧道的健康监测、预防保护作用；能够体现出光纤光栅传感器的强大优势，保证了施工的顺利进行，提升了施工质量。光纤传感器在桥梁隧道监测方面的应用主要有以下三个方面：对采用新型复合材料的桥梁结构进行监测，掌握材料和结构的工作性能；对交通枢纽或具有重大意义的大型桥梁进行健康监测，掌握桥梁的正常运行状态；对有一定损伤的旧桥进行监测，从而了解其健康状况并采取针对性的维护和加固措施。
4.2光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用
在安全监测中，对于地下煤矿有害气体浓度的监测而言，瓦斯传感器是必需的。瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，开展瓦斯检测系统的研究具有十分迫切的需求和重大的社会效益和经济价值。传统的瓦斯传感器大多是基于机电器件的，存在的问题主要是系统可靠性不高、稳定性以及耐久性不够理想。光纤瓦斯传感器与传统的电催化探测器相比有以下优点：本身不发热，无电，无火，这种固有的安全性消除了爆炸的危险和电磁干扰问题；测量的动态范围大，可以有效地起到预警作用；反应速度快；对气体种类有很高的选择性；对环境适应性强，能在潮湿、粉尘较多的环境下使用。和现有的红外吸收式的探头相比也有其优越性：探头损耗低；吸收距离长；体积小，结构简单，易于使用。目前光纤传感器还不能完全取代电传感器，但是光纤传感器具有无可替代的独特优势，吸引着国内外广大研究者为之继续努力研究、开发和推广，使其向高性能、规范化、网络化、实用化方向发展。
4.3光纤传感器在智能完井中的应用
目前国内油田的油藏多数是非均质多个油层，各油层出现大量水，严重的不得已关井，或者动用修井设备进行找水、堵水、封堵等费时费力的修井作业工作。因此，除了利用合适传感器实现石油的准确寻找定位外，油田工作者一直希望有一套技术可以同时开采多个油层并随时报告井下各层段或各分支井眼正在生产并流入井内的是什么，以及流量、压力、温度等参数的变化，以便人们能随时了解井下各产出层的情况，调整和控制各层的出液量，关闭高含水层，换层开采以提高效率，这样一种智能化完井技术是石油人不断追求的理想。它是将国防技术、微电子技术、机电一体化、智能仪器、现代通信和采油工艺技术、测试技术等多种高新技术结合而成，也是近年来国际石油开采技术中最有发展前景的高新技术。
5结语
经济不断发展，科技也不断进步，正是因为有了科技的进步才带来了光纤技术的发展，光纤传感器是光纤的一个应用，其被应用于各种行业，为许多的行业工作带来了便利和巨大的经济效益，尤其是在人的眼睛和传统仪器不容易到达的地下。