综述：先进强度调制光纤传感器在可扩展传感中的应用

《iScience》：Advanced Intensity-Modulated Fiber Sensors for Scalable Sensing

本综述系统梳理了强度调制光纤传感器（IM-FOS）的技术原理与应用进展，重点分析了其在工业监测（如位移、压力、振动）、环境检测（如折射率、分析物浓度）及生物医学等领域的优势。文章对比了相位/波长调制传感器的性能差异，指出IM-FOS凭借结构简单、成本低、易复用（TDM/WDM）等特点，在可扩展传感网络中展现巨大潜力，并展望了机器学习集成、智能材料融合等未来方向。

　　

强度调制光纤传感器的原理与分类

强度调制光纤传感器（IM-FOS）通过外界物理或化学变化引起的光强变化实现传感，其核心机制包括宏弯、微弯、倏逝场耦合、侧向耦合和反射等。与相位或波长调制传感器相比，IM-FOS无需复杂解调系统，仅需光电探测器即可实现信号采集，大幅降低了成本与系统复杂度。根据传感结构，IM-FOS可分为本征型（光调制发生在光纤内部）和非本征型（光纤仅作为传光介质），其中宏弯和微弯传感器通过弯曲导致的光泄漏实现测量，而倏逝场传感器则依赖光纤表面电磁场与环境的相互作用。

宏弯与微弯传感机制及应用

宏弯损耗发生于光纤弯曲半径超过临界值（R_c）时，导致光从纤芯泄漏至包层。临界弯曲半径公式为：

Rc=Δa

其中a为纤芯半径，Δ为相对折射率差。宏弯传感器在角位移、曲率和应变测量中表现优异，例如嵌入柔性机械臂的光纤环可实现弯曲角测量（误差≤14°），而螺旋锥形结构可实现双向扭转传感（灵敏度-0.484 dB/(rad/m)）。微弯传感器则通过周期性微小变形引起模式耦合，适用于高灵敏度压力与触觉传感，例如机器人触觉节点可检测0-10 N压力（分辨率0.12 N）及 Shore A 硬度1-30。

倏逝场与侧向耦合传感技术

倏逝场传感器利用光在纤芯-包层界面形成的衰减波与环境相互作用，其穿透深度（d_p）公式为：

dp=2πn12sin2θ?n22λ

其中λ为波长，θ为入射角，n₁和n₂分别为纤芯和包层折射率。通过抛光、锥削或涂层修饰可增强灵敏度，例如金膜修饰的D型弯曲传感器折射率灵敏度达43 dB/RIU。侧向耦合传感器采用双绞光纤结构，通过弯曲或环境折射率变化调节光耦合效率，已成功用于液位监测（灵敏度0.0024–0.0026 μW/mm）和多维位移测量（3D位移分辨率0.1434 mm）。

反射式与光纤光栅强度调制传感器

反射式传感器通过发射与接收光纤间的反射光强变化实现测量，例如硅膜压力传感器在0-20 MPa范围内灵敏度为-7.2 mV/MPa。光纤布拉格光栅（FBG）强度调制方案通过双FBG光谱重叠或边缘滤波实现温度、应变测量，其中温测精度达±0.5°C，应变分辨率6 με。磁性流体修饰的倾斜FBG（TFBG）可实现磁场传感（灵敏度-0.193 dB/Oe），而长周期光栅（LPG）可用于锂离子电池热监测（温度检测限0.45°C）。

工业应用与性能比较

IM-FOS在工业环境中优势显著：

1. 1.
   机械监测：桥梁、管道结构健康监测（SHM）中，微弯传感器可检测金属腐蚀（分辨率10 cm），宏弯传感器可实现路面应变监测（范围11%）；
2. 2.
   化学与环境：U型传感器监测牛奶脂肪浓度（灵敏度0.15 ΔA/%fat）、水中氨浓度（检测限0.1 ppm）；
3. 3.
   能源与电力：反射式传感器用于变压器油温监测（灵敏度0.0064°C^-1），FBG系统实现电网相位测量（误差0.00059 p.u.）。

塑料光纤（POF）与石英光纤（SOF）性能各异：POF柔性好、成本低但衰减大，适用于短距传感；SOF损耗低、稳定性高，适用于长距高精度场景。

未来挑战与发展方向

IM-FOS面临光源波动、环境干扰、标准化不足等挑战。未来研究将聚焦于：

1. 1.
   机器学习算法：补偿非线性与漂移，扩展动态范围（如曲率传感范围提升至13.67 m^-1）；
2. 2.
   智能材料集成：石墨烯、MoS₂等纳米材料增强选择性传感；
3. 3.
   系统微型化：开发低功耗 interrogation 单元，支持物联网（IoT）部署（如LoRa传输方案）；
4. 4.
   标准化与可靠性：建立如IEC 61757等标准框架，推动工业认证与大规模应用。

强度调制光纤传感器以低成本、高适应性及易复用特性，成为工业4.0、智能基础设施和健康监测领域的关键技术，通过多学科创新持续推动传感技术的发展。