一、引言
环境参数的高效监测对于保护和优化环境状况具有重要意义。光学纤维传感器作为一种环境友好性高、工作稳定性好、维护方便的传感技术,在近年来逐渐扩展应用到环境监测领域。本文通过总结分析近年来已有研究,旨在阐述光纤传感器在环境监测方面的新应用和增长潜力。本文重点分析了光纤传感器在主要环境参数检测方面的技术原理和应用方式。并提出了基于新材料和多变量检测等新的研究方向,认为光纤传感器未来可在环境监测领域产生重大影响。研究结果有助于提高当前环境监测手段的精度和效率,推动生态环境领域的科学进步。
二、光纤传感器在环境监测中的技术原理
光纤传感器主要通过两种模式运作:光学与变形耦合效应,以及光纤液压振动模式和光纤应变模式。
(一)、光学与变形耦合效应
这是光纤传感器工作的基本原理,表面变形或外界效应对纤芯的影响,会引起光束强度或相位改变，此时通过光学-机械耦合效应,可将外界物理量变化转换为光学参数变化,在光学测量中检测出来。
具体来说,外界物理量变化引起光纤外套或包芯材料的应变变形,导致包裹在内芯材料的光纤的光学参数改变。最常见的是光纤内芯的拉伸或压缩,会引起尺度的改变,进而改变耦合效率和光传播速度,从而发生光强度或相位的变化。随着射入的光束通过此光纤传播,变化便可被检测到。
(二)、光纤液压振动模式与光纤应变模式
前者主要用于检测液压参数,后者用于检测光纤应变变形以及外界物理量。
光纤液压振动模式是指在光纤下方悬挂弹性基底,通过液压液体施加力量到基底上,引起基底的振动,进而导致光纤的振动频率和幅度变化。通过光纤内部光束与外界条件耦合的变化,可实时监测液压变化情况。
光纤应变模式则通过分析外界力量变化对光纤产生的应变和变形,从而推测物理量变化情况。此时对光纤尺度的变化相应灵敏,比如尺寸的增大会降低光传输效率,引起信号衰减。所以通过对光信号衰减的监测和分析,即可反映外界应力的变化。
三、光纤传感器用于环境参数检测分析
光纤传感器主要应用于检测环境中的重要物理和化学参数,如温度、PH值、湿度和有机物浓度等。现就其中几个方面的应用进行分析:
(一)、用于温度检测的应用
温度是环境监测中最基本的物理参数。光纤传感通过改变温度造成的光强或光频变化实现温度检测。
目前,光纤温度传感主要存在以下进展:
1.采用新的技术原理和结构,如基于布拉格晶体实现高精度测温;采用光纤共振器等提高灵敏度。
2.运用新材料,如半导体、氮化硅等增强温度灵敏性;采用醚基硅酮树脂等提高热稳定性。
3.开发新方法,如采用分布光纤传输特性实现分布式温度监测;采用多传感器信息融合技术实现高精度测温。
(二)、用于PH值检测的应用
PH值是衡量水质环境最直接的重要化学参数。光纤传感通过PH值改变基体引起的光谱变化检测PH值。
光纤PH传感器主要优势有:
1.体积小、易结构,可实现迷你化、整合化。
2.工作范围广、稳定性强、耐高温等特征。
3.既可点测也可实现分布式PH监测。
4.相对化学传感器具有更强抗干扰能力、更好的灵敏度和响应速度。
总的来说,基于光纤传感的PH检测技术已进入关键期,有望进一步优化水质监测手段。
(三)、用于湿度检测的应用
基于光学与变形耦合效应,光纤传感器也可应用于环境中的湿度监测。
主要原理是:湿度变化会导致包裹光纤的材料发生膨胀或收缩变形,造成光路长度或使能沿纤芯传播的改变,最终通过光学参数的变化实现湿度传感。
目前,光纤湿度传感器主要借鉴以下方法改进传感性能:
1.采用新型包材，如优化聚酰亚胺或聚偏二氟乙烯等包材结构,增强湿度敏感性。
2.改进传感器结构，如采用多圈式结构,增大包材与湿度的接触面积,提高响应速度。
3.优化传感原理，如综合利用光强和相移两种方式检测湿度变化,提高检测精度。
(四)、用于有机物检测的应用
基于改变的吸收光谱等特征,光纤传感器也可用于检测环境有机物如甲烷、甲醇、 油脂等的浓度。
主要原理是:有机物的存在或浓度变化会引起作用在传感器表面的物质的光学吸收谱变化，通过分析吸收光谱的改变,可间接推知有机物的变化情况。
目前,光纤有机物传感器主要在以下方面进行改进:
1.选取合适的化学反应剂，如染料等,增强与有机物的作用。
2.提高敏感性和选择性，如通过改变传感材料结构和组成提高对有机物的选择响应。
3.实现迅速响应，如通过空气缝隙或微孔构造增大有机物与传感器表面接触面积。
四、多变量光纤传感器在环境监测中的应用
(一)、用于土壤水文过程监测的应用
土壤水分、温度和湿度等水文因子对植物生长和养分转化具有重要意义。
目前,多变量光纤传感已被应用于土壤水文监测。主要做法有:
1.构建单孔式多变量光纤传感器，同时检测土壤温度、湿度和电导等参数变化。
2.开发多通道光纤传感器，不同光纤同时监测不同参数的变化。
3.采用多模传输技术，实现不同参数的同光纤传输。
这些技术可同时获取温度、湿度等多个土壤水文因子的变化数据。
(二)、用于水质环境监测的应用
水质环境监测需要同时获取水体中的温度、PH值、电导率等参数。
目前,多变量光纤传感已应用于水质环境监测领域,主要通过以下手段:
1.构建单芯多模式传感器，将不同干涉特征光段同时封装在同一光纤内。
2.开发多变量单芯光纤传感器，通过改变光纤包芯材料来实现多种传感。
3.采用分布式多光纤传输，经长度编码,实现不同传感器的多参数传输。
这些技术可实现水样点位的同时多参数检测,收集全面的数据支持。
五、光纤传感器在环境监测中的未来展望
光纤传感技术在环境监测领域仍处于不断进步和发展之中。未来主要面临以下方向:
一是研发新材料和新结构的多变量光纤传感器，可以同时监测多种环境参数。
二是研发高分辨率、高精度的光纤环境传感技术，以实现更精细的环境监测。
三是研究分布式光纤传感网络，可构建成具有全局感知能力的环境网络系统。
四是加强理论研究与工程应用相结合，通过不断优化与验证,连续提高传感效率。
五是开发与环境相关的新型光纤传感器，丰富环境监测手段,提高监测效果。
随着新材料、新技术、新方法的不断出现,光纤传感器在环境监测领域仍具有庞大的发展潜力。只有不断创新和推进技术,光纤传感技术才能发挥应有的价值。
未来应多方位发展光纤传感技术,着力于新概念、新原理、多变量和高精密等方面,构建完善的环境监测系统，以更高效地反映环境变化,推动生态环境管理和科学研究的发展。
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作者简介：杨洁（1992.12-） 女，汉族，山西省大同市人，安徽新华学院通识教育部， 硕士研究生，助教，研究方向：光学。