光纤传感器：从技术原理到产业应用的全面解析

20 世纪后半叶，光纤的发明开启了通信领域的革命。随着技术发展，光纤的高灵敏度、抗电磁干扰等特性被进一步挖掘，催生了光纤传感器这一重要分支。如今，光纤传感器已能测量振动、压力、温度、电流等多种物理量，广泛覆盖国民经济、国防和日常生活领域，尤其在恶劣环境中展现出不可替代的优势，成为推动多个行业智能化升级的关键技术。

光纤传感器的核心性能依托于光纤的波导特性和对光信号的调制能力，理解其基础原理与分类是掌握该技术的关键。

光纤波导简称光纤，是由石英、玻璃、塑料等光透射率高的电介质制成的光通路。它呈双层同心圆柱结构，内层为折射率较大的纤芯（光密介质），外层为折射率较小的包层（光疏介质）。光在纤芯与包层的界面发生全反射，从而实现长距离传输。

光纤的传输性能主要受两大因素影响。

损耗：分为吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是物质将传输的光能转化为热能导致的损失；散射损耗由光纤材料不均匀、几何尺寸缺陷或光纤弯曲引发。其中，光纤弯曲会改变边界条件，破坏全反射，且弯曲半径越小，损耗越大。

色散：输入脉冲在光纤传输中，因光波群速度不同出现展宽的现象。色散会导致信号畸变，限制传输带宽，在光纤通信和部分传感场景中，需重点解决信号失真问题。

根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器主要分为两类。

功能型光纤传感器（FF 型，传感型）：光纤本身是敏感元件，兼具感受和传递被测信息的功能。这类传感器对温度、压力等外界因素敏感，能保持受感后光的相位、波长等特征，检测灵敏度高，但对光学部件要求严格，易受环境干扰。

非功能型光纤传感器（NF 型，传光型）：光纤仅作为光的传输介质，被测对象通过其他敏感元件调制光信号，再由光纤传至输出端处理。其结构简单、可靠性高、应用范围广，通常采用数值孔径和纤芯直径较大的多模光纤，以提高与光敏元件的耦合效率。

光调制是将被测信息叠加到载波光波上的过程，解调则是将光信号转化为可检测的电信号的过程，两者共同决定传感器的测量精度。目前主流的调制方式有四种。

光强度调制通过被测对象改变载波光强度实现检测，解调的核心是保证足够的信噪比。

• 常见调制技术

微弯效应：将光纤夹在两块带周期性波纹的微弯板中，光纤微弯时光强衰减，通过衰减量反映被测物理量。

外调制：调制环节在光纤外部，光纤分为发送和接收两部分，利用反射器或遮光屏改变光的传输路径，调节接收光强。

折射率调制：主要有三种方式 —— 利用被测物理量改变介质折射率，破坏全内反射；通过渐逝场耦合（全内反射时纤芯外的透射光波跨介质传递能量）；利用不同介质的折射与反射特性制作物性传感器。

• 解调关键

需减少外界干扰，如光源老化、光纤耦合变化、调制器温度漂移等。这些因素对测量精度的影响远大于信号噪声和热噪声，需在结构设计和制造工艺中优化。

光波是横波，其电场矢量和磁场矢量与传播方向正交。按振动矢量在垂直于光线平面内的轨迹，可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等。偏振调制利用电光、磁光、光弹等物理效应改变光的偏振态，解调时通过检偏器将偏振变化转化为光强变化，实现检测。

相位调制的原理是：被测能量场作用于敏感单模光纤，使光纤内传播的光波发生相位变化。再通过干涉测量技术将相位变化转化为振幅变化，最后由光电探测器检测。这类传感器的精度依赖干涉系统的稳定性，常用于高精度物理量测量。

频率调制不改变光纤特性，光纤仅用于传输光信号。目前主要利用光学多普勒效应——被测物体运动导致光频率偏移，通过检测频率变化获得被测对象的速度等信息。

光纤光栅传感器是20世纪90年代末发展的新型技术，凭借高稳定性和多功能性，成为光纤传感领域的代表产品。

光纤光栅的纤芯掺杂单晶锗离子，通过紫外光干涉图案照射光纤，利用材料的光敏性（光子与锗离子相互作用），在纤芯内形成折射率周期性变化的空间相位光栅，即光纤布拉格光栅（FBG）。其工作核心是：被测参数改变光栅周期或有效折射率，导致反射光波长偏移，通过检测波长变化实现对被测参数的测量。

• 光纤光栅温度传感器
  

是最早应用的类型之一。温度变化使光纤热胀冷缩（改变光栅周期），同时引发热光学效应（改变有效折射率），两者共同导致中心波长偏移。为保护脆弱的光栅，通常采用毛细钢管封装，用于环境温度、设备温度等监测。

• 光纤光栅应变传感器

是最经典的应用。当光纤沿轴向受力时，弹光效应改变光栅周期和有效折射率，通过波长偏移量计算应变量。使用时需用粘结剂将传感器粘贴到被测物上，使两者协同形变，广泛用于建筑结构、机械部件的应变监测。

• 光纤光栅压力传感器

裸光纤光栅对压力灵敏度低，需通过封装增敏。主流方案是基于轴向应变测量，采用粘贴式或嵌入式封装，将压力转化为光纤的应变，用于管道压力、设备压力等场景。

• 光纤光栅加速度传感器

利用弹性元件（如梁式、弹片式、铰链式）将加速度引发的位移转化为光纤光栅的应变，实现波长调制。弹性元件的性能直接影响传感器的响应精度，常用于振动监测、设备状态诊断。

光纤光栅传感器还具有体积小、抗电磁干扰、可多路复用的优点，能构成传感网络，在航空航天、土木、机械等领域实现长期、分布式监测。

光纤传感器的特性使其适用于多种复杂场景，从工业监测到医疗健康，从新能源到机器人技术，均展现出重要价值。

液位监测：基于全内反射原理的光纤液位传感器，测头端有圆锥体反射器。测头在空气中时，光全反射返回光电二极管；接触液面后，液体折射率改变破坏全反射，返回光强减弱，光强突变时即指示液位位置。

角速度监测（光纤陀螺）：利用萨格纳克效应，同一闭合光路中反向传播的两束光，因系统旋转产生光程差，光程差与角速度成正比，通过检测相位差计算角速度。其精度远高于机械陀螺和激光陀螺，用于导航、姿态控制。

电流监测：基于法拉第磁光效应，电流产生的磁场使光纤内线偏振光发生偏转，检测偏转角即可得到电流值，适用于高压电网、大电流设备的无接触监测。

工程安全监测：中山精量的智能光纤预警系统，在深圳地铁项目中监测到桥墩倾斜和轨道滑移，及时触发预警；在水库大坝监测中，实时感知沉降、斜面变化，为暴雨期排水决策提供依据。基康技术的光纤光栅监测系统，参与雅鲁藏布江下游水电工程，监测坝体应变、隧洞变形，保障工程安全。

癌症早筛：南方科技大学邵理阳团队开发的微波光子解调双波长光纤激光传感器，将肿瘤标志物检测灵敏度提升2-3个数量级，检测下限低至 0.076ng/mL，通过深圳三甲医院临床验证，适用于大规模筛查。

重大疾病标志物检测：东北大学团队发明 “金膜 — 金纳米棒 — 氧化石墨烯膜” 三明治结构光纤传感器，灵敏度提升2个数量级，可检测极低含量的癌症等疾病标志物，助力疾病早发现。

光纤传感器在可充电电池健康监测中发挥关键作用，主要监测四类参数。

温度：FBG传感器体积小、可多路复用，能嵌入电池内部，测量精度达10pm/℃，反映电池内部温度分布，避免热失控。

应变/应力：电池充放电时体积膨胀收缩，FBG传感器通过波长偏移检测应变，反映荷电状态（SOC）和健康状态（SOH），甚至预警过充电风险。

电解液折射率：电解液浓度变化改变折射率，倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）可检测这一变化，评估电池SOH；涂覆金膜的SPR-TFBG还能分析离子插层过程，助力电池机理研究。

光谱特征：利用光纤红外光谱（IR-FEWS）、拉曼散射光谱，追踪电极相变、电解液分解，揭示电池内部电化学过程，优化电池性能。

清华大学团队结合分布式光纤传感技术，研发多模态触觉感知软机器手指。该手指模拟啮齿动物胡须和人类指尖的感知机制，能识别0.01N的接触力，区分砂纸目数和滑动方向（CNN 模型识别精度98.78%），还能定位指腹位置（精度97.79%）、识别材料刚度（精度98.38%），可灵巧抓取易碎物体和水下透明物体，应用于人机交互、医疗器械。

我国光纤传感器领域已实现从技术突破到产业落地的跨越，科研团队和企业共同推动国产化进程，打破国外垄断。

东北大学：智能感知与传感器团队十余年攻关，解决 “测不到、测不全、测不准” 问题。提出高阶光波模式与等离激元模场耦合理论，实现痕量物质检测；发现色散转折点调控灵敏度现象，解决高灵敏度与大测量范围的矛盾；突破量子态散粒噪声极限，提升信噪比。其深海探测传感器温度分辨力 0.001℃，盐度分辨力0.0016‰，为海洋安全提供保障。

暨南大学：与中国船舶集团合作，研制全球首个导航级精度空芯光纤陀螺仪，零偏不稳定性0.0017°/h，较现有纪录降低30倍，连续稳定运行超 185小时，温度灵敏度较实芯光纤陀螺降低一个数量级，标志我国在惯性导航领域的领先地位。

姜德生院士团队：我国光纤传感技术先驱，研制出首个光纤传感器（光纤风压计），打破国外技术封锁。开发的光纤光栅感温火灾报警系统，响应时间不到20秒，每公里成本仅为国外产品1/3，装备我国2万公里隧道和 90% 油库；研发单纤超过十万个光栅传感器的大容量阵列系统，应用于C919大飞机、机场智能跑道等重大工程，推动我国技术从跟跑向领跑转变。

和其光电：电力电子、半导体设备用光纤传感器龙头，获1.5亿元融资，拥有200余项知识产权，是国家级 “专精特新” 小巨人企业。其电力设备综合在线监测系统入选工信部2024年安全应急装备典型案例，半导体领域产品实现批量交付，服务国内外头部客户。

拜安科技：成立21年，拥有光纤传感器、光谱解调系统等产品线，应用于智慧城市、工业测温、轨道交通等领域。2023年旗下拜安半导体投建国内首条6英寸MEMS光纤传感器芯片产线，年产能1-1.5万片，未来将扩至3万片/年，填补国内空白。

基康技术：国家级 “专精特新” 企业，以光纤光栅监测系统等核心技术服务水利、能源领域。参与雅鲁藏布江下游水电工程，为科研论证供应监测设备，预计相关工程监测设备市场规模达百亿元级别；2024年营收3.57亿元，净利润连续7年正增长，产品应用于三峡、白鹤滩等重大工程。

光格科技：国内分布式光纤传感市场份额第一，2023 年科创板上市，拥有全套解调方案，产品服务于电网、油气、交通等领域。

此外，国内核心部件国产化逐步实现，厦门彼格的窄带光源、世维通的铌酸锂波导、长飞的保偏光纤等，为产业发展提供坚实支撑。

光纤传感器凭借高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀等特性，解决了传统传感器在恶劣环境、高精度、长距离监测中的痛点，已成为国民经济和国防领域的关键技术。我国通过科研团队和企业的协同努力，实现了从技术跟跑到部分领跑的跨越，自主知识产权体系逐步完善，产业规模持续扩大。

未来，光纤传感器将向三个方向发展。

芯片化与集成化：目前解调仪表依赖分立芯片，体积大、成本高。未来通过芯片化研发，实现解调仪表的小型化和低成本，推动大规模应用。

多模态与智能化：结合AI、大数据技术，实现多参数（温度、应变、折射率）协同监测，如电池监测中整合光谱与应变数据，提升状态评估精度；开发智能分析系统，实现故障预警和预测性维护。

应用场景深化：在深海探测、航空航天、量子传感等特殊领域，进一步提升传感器的环境适应性；在医疗领域，推动微创检测、实时监测技术的临床落地，助力精准医疗。

随着国产化替代的深化和下游需求的增长，我国光纤传感器产业将迎来新一轮爆发，为智慧工业、健康中国、能源安全等国家战略提供更强支撑。