最近公司有个项目涉及到光纤传感器的数据采集，虽然我主要负责后端开发， 但还是想了解一下传感器本身的工作原理。趁机学习了一些光纤传感的基础知识， 顺便整理成笔记。
1. 为什么用光纤做传感器？
一开始我不太理解为什么要用光纤，传统的电学传感器不是挺好用的吗？ 后来查资料发现光纤传感器有几个独特的优势：
- 抗电磁干扰：光信号不受电磁场影响，在强电环境下很稳定
- 防爆防燃：光纤本身不导电，适合易燃易爆环境
- 体积小重量轻：光纤很细，可以集成到很小的空间里
- 灵敏度高：利用干涉原理可以检测极其微小的变化
- 分布式测量：一根光纤可以同时测量多个位置的参数
这些特点让光纤传感器在石油化工、电力系统、结构健康监测等领域应用很广。
2. 基本工作原理
光纤传感器的核心思想是：外界物理量的变化会改变光的某些特性。 这些特性包括：
- 光强（Intensity）
- 相位（Phase）
- 偏振态（Polarization）
- 波长（Wavelength）
最常用的是相位调制，也就是通过光程变化来检测。 比如温度变化会导致光纤的折射率和长度改变，从而改变光的传播时间（相位）。
3. 马赫-曾德尔干涉仪型传感器
项目里用的就是这种类型，英文叫Mach-Zehnder Interferometer，简称MZI。 原理和之前写的迈克尔逊干涉仪类似，但用光纤来实现。
基本结构
一束光通过耦合器分成两路：
- 信号臂：暴露在待测环境中，会受到温度、应变等影响
- 参考臂：保持稳定，作为对比基准
两束光最后在另一个耦合器汇合，产生干涉。如果信号臂的光程发生变化， 干涉条纹的强度就会改变，通过光电探测器就能检测到。
相位变化的计算
假设信号臂长度为L，折射率为n，那么光程就是 n·L。 如果温度变化ΔT导致折射率和长度都变化，相位变化可以表示为：
其中λ是光的波长。这个公式看起来简单，但实际应用时要考虑很多因素。
4. 调试时遇到的问题
虽然我没直接调试硬件，但和硬件工程师交流时了解到了一些实际问题：
问题1：环境噪声
参考臂虽然说是"参考"，但实际上也会受环境影响。 比如温度波动、振动等都会引入噪声。解决办法是尽量让参考臂和信号臂处于相同的环境， 或者用主动温控。
问题2：光源稳定性
激光光源的波长和功率如果不稳定，会直接影响测量精度。 项目里用的是温控的DFB激光器（分布反馈激光器），波长稳定性能达到0.01 nm。
问题3：相位解调算法
我们用的是相位生成载波（PGC）解调算法，通过给其中一路施加高频调制， 再进行数字信号处理来提取相位信息。这部分代码写起来还挺有意思的， 涉及到数字滤波、FFT等。
5. 数据处理流程
后端接收到的是解调后的相位数据，然后需要转换成实际的物理量（比如温度、应变）。 基本流程是：
- 接收原始相位数据（通过UDP）
- 去除趋势项和噪声（移动平均、卡尔曼滤波等）
- 根据标定系数转换成物理量
- 存入时序数据库（我们用的InfluxDB）
- 提供实时查询接口给前端
数据量还是挺大的，采样率10 kHz，每个传感器每秒产生10000个数据点。 好在Go的并发处理能力不错，用channel和goroutine组织数据流水线，性能还可以。
6. 其他类型的光纤传感器
除了MZI，还有一些其他常见的类型：
法布里-珀罗（FP）型
在光纤端面形成一个微小的腔体，光在两个反射面之间来回反射形成干涉。 这种传感器尺寸可以做得很小，适合埋入材料内部做应变监测。
光纤光栅（FBG）型
在光纤中刻写周期性的折射率变化，形成一个窄带反射器。 反射波长随温度、应变变化而漂移。这种传感器最大的优点是可以在一根光纤上串联很多个， 实现准分布式测量。
分布式传感器
利用光纤中的瑞利散射、拉曼散射或布里渊散射，可以把整根光纤都当作传感器。 通过OTDR（光时域反射）技术，能够定位散射信号的位置，实现真正的分布式测量。 这在管道监测、周界安防等场景很有用。
7. 总结
通过这次项目，对光纤传感有了更深的理解：
- 光纤传感器的核心是利用光程变化来感知外界物理量
- 干涉型传感器灵敏度高，但对环境稳定性要求也高
- 信号处理和算法优化在实际应用中很关键
- 硬件和软件需要紧密配合才能做出好的系统
下一步准备深入学习一下FBG传感器，感觉在结构监测领域应用更广泛。