第四章、光纤传感器

第四章、光纤传感器光纤是20世纪50年代发展起来的，并很快被广泛应用。由于光导纤维具有可弯曲性，且体积小、重量轻、光信号长距离传输损耗小、抗环境干扰能力强等诸多优点，再加上光学干涉测量的诸多优点，使得光纤关涉测量在航空航天（温度、压力、光纤陀螺等）、石油（井下温度、压力测量）、电力（高压输电线路的电压、电流测量）、医疗（血流速、血压测量）等领域得到了广泛应用。此外，由光敏光纤制作的光纤布拉格光栅，既保留了光纤的诸多优点，还具备了光栅的特性，所以利用光纤布拉格光栅制备成具有上述测量功能的光纤传感器，更开拓了光纤传感器的用。§4.1激光干涉光纤传感器1、光纤干涉测量的概念将光纤代替干涉仪中的部分复杂光路，而发展起来的以单模光纤为基础的干涉系统。传统的几种干涉仪都可以由光纤组成而成为光纤干涉仪。光纤干涉仪即可以得到与传统分立式干涉仪相比拟的性能，又克服了传统分立式关涉仪所涉及到的稳定性问题和抗环境干扰问题，从而增强了光纤干涉仪的实用性。光纤干涉仪就是利用被测物理量改变光纤内传导的光波场的光学特性，比如，压力、应力、温度、电场强度、磁场强度等都可以改变光纤的折射率，而折射率变化就会产生相位差，再通过光波场的干涉，将由物理量所引起的微小相位差变化量、频率变化量转变为可以直接测量的光强变化，从而得到被测物理量的大小。2、光纤干涉仪的结构形式光纤干涉仪根据其结构形式基本上可分为四种。1.Michelson（迈克尔逊）光纤关涉仪它是基于传统的Michelson干涉仪发展起来的。光路图如右图。激光束入射光纤，经3dB耦合器分成光强缉私相等的两光束，分别进入Michelson干涉仪的参考光束臂（光纤）M1和测量光束臂（光纤）M2。被测物理量置于测量光纤端，影响测量光纤中光波场的相位、频率等，再由反射镜M1、M2将激光束反射回至3dB耦合器，进行干涉后，再耦合到光电探测器，测量由被测物理量所引起的光波场特性的变化（例如干涉条纹变化，每一个条纹对应2π的相位差变化），从而得到被测物理量。Michelson光纤干涉仪很适合于点测量，可以用来测量震动、位移、应力、温度等，缺点是反射光会反馈到激光谐振腔内，影响激光器的稳定性。He-NeLaser3dB耦合器M1光电探测器被测物理量M2　图４.1迈克尔逊光纤关涉仪2.Mach-Zehnder（马赫-泽德）光纤干涉仪激光束经3dB耦合器分成强度近似相等的两光束分别入射参考光纤和测量光纤，被测物理量作用于测量光纤，使光波场的特性发生变化，参考光束与测量光束在另一3dB耦合器中相遇并发生干涉，再将干涉光波场送至光电探测器D1、D2，将被测物理量所引起的相位变化通过干涉条纹转变为光强变化。由于该干涉仪的结构特点，在该干涉仪中只有少量或没有光波反射回激光谐振腔，故不影响激光器的工作稳定性。且该干涉仪输出的两路干涉信号位相相反，这非常便于后续电路做辩向、细分等处理，从而使该种光纤干涉仪成为应用最多的结构，可用于测量位移、高电压、大电流、磁场、应力等物理量。He-NeLaser3dB耦合器3dB耦合器参考光纤D1D2测量光纤图4.2马赫-泽德光纤干涉仪信号处理系统3.Sagnac（萨格奈克）光纤干涉仪激光束经3dB耦合器分成光强比为1：1的两光束，分别输入到一个多匝单模光纤圈的两端，两路光反向传播再回到3dB耦合器，在耦合器中相遇并发生干涉，将干涉信号送入光电探测器。当闭合光纤圈静止时，两束光传播的路程完全相同，故其相位差为0；而当光纤圈相对于惯性空间以ω角速度转动时，则两光路产生非互易性光程差，其干涉条纹的多少就反映了光程差的大小，也就反映出了角速度ω的大小。最典型的应用就是光纤激光陀螺仪，光纤激光陀螺仪与其他陀螺仪相比，具有灵敏度高、无机械转动、体积小、成本底等优点，是航空、航天及其他导航系统中优选的惯性导航仪。He-NeLaser多圈光纤3dB耦合器探测器信号处理图4.3萨格奈克光纤干涉仪4.Fabry-Porot（法布里-珀罗）光纤干涉仪He-NeLaserF-P腔光电探测器图4.4法布里-珀罗光纤干涉仪信号处理Fabry-Porot光纤干涉仪属于多光束干涉类型。由光纤传播的激光束，经聚焦透镜进入F-P腔，入射光束在F-P腔内多次反射，形成多光束干涉，由于F-P腔的参数受被测物理量的调制而产生干涉图样，由光电探测器探测出干涉图样，就可以获得被测物理量的数值。一般是利用F-P腔的腔长或腔内折射率的变化来感知被测物理量（如温度、压力位移、气体浓度等）。3、光纤干涉仪应用举例1、F-P光纤干涉气体成分分析系统F-P腔的两平行端面分别镀有高反射膜，被测气体可从气体注入口注入F-P腔内，如果气体成分、浓度不同，就会引起干涉条纹的变化，从而得到其相应的测量值。对于F-P标准具多光束干涉增强的条件为：He-Ne气体注入Laser自聚焦自聚焦透镜透镜光电探测器F-P标准具图4.5F-P光纤干涉气体成分分析数据处理m—干涉条纹的级次，为正整数，d—F-P腔的长度，n---腔内折射率，θ---腔面法线与入射光线的夹角。在上述光路中，。D为定值，n发生变化就会导致干涉条纹变化，测量干涉条纹的变化量，就可以得到折射率n的变化量，而n的变化又是由气体的成分、温度、压力等物理量引起的，所以，通过测量折射率n的变化量，就可以获得气体成分、压力、温度等参数。He-NeLaser分束镜被测温度（压力）场测量光纤自聚焦透镜参考光纤D1恒温（压）场D2图4.6Mach-Zehnder光纤干涉仪计数2、Mach-Zehnder光纤干涉仪测量温度、压力测量光纤置于被测温度（压力）场中，参考光纤置于恒温（恒压）场中，当被测温度（压力）变化时，测量光纤的折射率n就会产生变化量，从而引起相位变化干涉条纹变化，通过测量干涉条纹的变化，得到对应的相位变化量3、干涉型光纤应变传感器图4.7干涉型光纤应变传感器如图所示，在被测梁AB的上、下两面分别往返贴上光纤。激光器发射的光分成两束后分别导入这两根光纤，会合于输出端，在屏幕上形成干涉条纹。若在B端使一外力（如图4.7），被测梁发生弯曲形变，上部光纤伸长、下部光纤缩短，两传输光的光程差发生变化，于是屏上的干涉条纹发生移动，可用条纹的移动数目度量梁的弯曲程度。这种传感器体积小，灵敏度高，若梁长30cm，厚0.5cm，激光波长0.6328，则梁的端头位置变化10时，干涉条纹就会移动一条.4、干涉型声波光纤传感器干涉型声波光纤传感器示意图如右图所示。激光器射出的激光分别导入敏感臂光纤和参考臂光纤。敏感臂光纤受声波压力作用，长度和直径均发生变化，在其中传播的光的相位因而发生变化，并与另一路由参考臂光纤传出的光互相干涉，再通过光检测器转变为与声压成正比的电信号.图4.8干涉型声波光纤传感器检测器输出的信号为：式中是光检测器的灵敏度；Ps、Pr，分别是信号光强和参考光强；是干涉效率；是无声波时信号光和参考光的相位差，通常因声压引起的很小，当=π/2时，输出i的变化为：这就是与声压成正比的声传感器的输出。这种传感器信噪比比较高。当传感器与声波作用的光纤长lm，输入功率为lmw，检测器带宽为1Hz时，传感器的检测下限与人类对1kHz的可听极限(20Pa)相当。5、金属封装的光纤F-P干涉型温度传感器　　此传感器的依据是利用温度改变Fabry-perot干涉仪的干涉条纹来测量外界温度。其结构如图4.9所示。金属毛细管图4.9金属封装的光纤F-P干涉型温度传感器9该传感器采用温度敏感的金属材料作为法珀腔的腔体，利用高精度位移机构将光纤两端插入金属毛细管中形成低精细度的光纤法珀腔。光纤在金属管的两端通过胶粘的方式固定。当外界温度发生变化时将直接导致金属毛细管的热膨胀，带动插入金属管内的光纤移动，从而引起光纤法珀腔的腔长变化。采用这种方案，避免了胶直接作用于光纤法珀腔腔体上，消除了由于涂胶不匀引起的应力不均匀现象，简化了封装工艺。同时，金属毛细管的长度即为该温度传感器的标距，它将决定传感器的灵敏度。该传感器的核心结构为光纤法珀干涉腔(F-P腔)。在使用低相干光源时，由于低相干光源都具有一定的光谱宽度，因此可看成是多个波长，的迭加。光入射到F-P腔后，不断地在F-P腔的2个端面之间进行反射和透射，形成多光束干涉。当F-P腔的腔长是传输光半波长的整数倍时，反射光强最大。通过对峰值波长移动量的测量即可得到待测温度的变化情况，该传感器具有灵敏度与传感器的标距成正比的特性，可以通过改变标距的方法方便地调整传感器的灵敏度。6、光学-干涉型电场传感器集成光路器件可构成多种结构来进行电场测量，最常见的是在衬底上制造的干涉仪波导器件，具有大的电光系数，因而灵敏度高，很适合于电场传感测量应用。电磁场传感器如图4.10所示，它具有很好的线性、微伏级灵敏度和大于的动态范围，干涉仪两臂长度相差n=λ/4，产生固有的相位差，以获得最佳线性。对称放置于干涉仪波导臂两边的电极与偶极子天线相连接，以调制与电场成正比的光输出。波导制成X切、Y向传输，以使热电效应引起的温度不稳定性最小，并获得高的电压测量灵敏度。图4.10光学-干涉型电场传感器§4.2光纤布拉格光栅传感器1、光纤布拉格光栅(FBG)原理及制作方法1.光纤布拉格光栅(FBG)原理FBG是FiberBraggGrating的缩写，即光纤布拉格光栅。在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射器。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。图4.11光纤布拉格光栅透射、发射谱布拉格光栅传感系统由3个基本部分组成：1)光源；2)传感系统：3)波长探测装置。系统的基本原理为：宽带激光光源（图4.11入射谱）入射光纤布拉格光栅，由于FBG对的光波具有高发射率，所以通过FBG的透射光谱在处会出现一个凹陷（图4.11传输谱），如果测量FBG的反射光谱，就会在处得到一个强反射峰（图4.11反射谱），就相当于一个具有选择性的窄带反射镜。根据耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，中心反射波长为:（4-2-1）式中，neff是光纤光栅有效折射率，是光纤光栅周期，可见布拉格波长与neff和相关。如果某个物理量（比如温度、压力、位移等）改变，就会导致布拉格波长变化，从而导致反射谱峰的移动，通过测量反射谱峰的移动量，就能计算出物理量的变化量。2.光纤光栅制作方法光纤光栅制作分为两个步骤，光敏光纤制备和成栅，成栅过程还涉及紫外光源选取。A)光敏光纤的制备　　采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为10-4数量级便已经饱和，为了提高光纤光敏性，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1)掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。2)多种掺杂(主要是B/Ge共接)。3)高压低温氢气扩散处理。4)剧火。B)成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器等。根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm（KrF）和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。C)成栅方法光