學(xué)習(xí)情境六：波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器

1、光纖光纜制備一、學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握波長(zhǎng)調(diào)制傳感原理掌握光纖光柵的分類掌握光纖布拉格光柵傳感原理了解光纖布拉格光柵在光纖傳感器領(lǐng)域中的典型應(yīng)用了解長(zhǎng)周期光纖光柵在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用掌握光纖光柵折射率傳感技術(shù)掌握傳光型波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器掌握光纖傳感器用于智能材料及其結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境六：波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)二、學(xué)習(xí)內(nèi)容6.1波長(zhǎng)調(diào)制傳感原理 被測(cè)場(chǎng)/參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)改變；進(jìn)而通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化量來(lái)確定被測(cè)參量的傳感方法即為波長(zhǎng)調(diào)制型傳感。光纖光柵傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器?；诠饫w光柵傳感器的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量

2、對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)B的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（6-1）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（1）抗干擾能力強(qiáng)。一方面是因?yàn)槠胀ǖ膫鬏敼饫w不會(huì)影響傳輸光波的頻率特性（忽略光纖中的非線性效應(yīng)）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾。例如：光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏和耦合損耗等都不可能影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特性。因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。式中：neff為纖芯的有效折射率；是光柵周期。這是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（2）傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺

3、寸?。ㄆ渫鈴胶凸饫w本身等同），適于許多應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。（3）測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。（4）便于構(gòu)成多種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。（5）可用于外界參量的絕對(duì)測(cè)量（在光纖光柵進(jìn)行定標(biāo)后）。（6）光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。光纖光柵由于具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)它也存在一些不足之處，例如，對(duì)波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)需要用較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器或光纖器件，需大功率的寬帶光源或可調(diào)諧光源，其檢測(cè)的分辨率和功態(tài)范圍也受到一定限制等。6.2 光纖光柵的分類在光纖光柵出現(xiàn)至今的短短二十多年里，由于研究的深入和應(yīng)用的需要，各種

4、用途的光纖光柵層出不窮，種類繁多，特性各異。因此也出現(xiàn)了多種的分類方法，歸結(jié)起來(lái)主要是從光纖光柵的周期、相位和寫入方法等幾個(gè)方面對(duì)光纖光柵進(jìn)行分類。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)一般實(shí)際應(yīng)用中，均按光纖光柵周期的長(zhǎng)短分為短周期光纖光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵兩大類。周期小于1m的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖布拉格光柵或反射光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）；而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長(zhǎng)周期光纖光柵（long-period grating，LPG），又稱為透射光柵。短周期光纖光柵的特點(diǎn)是傳輸方向相反的兩個(gè)芯模之間發(fā)生耦合，屬于反射型帶通濾

5、波器，如圖6.1所示，其反射譜如圖6.3（a）所示。長(zhǎng)周期光纖光柵光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)的特點(diǎn)是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦 合，無(wú)后向反射，屬于透射型帶阻濾波器，如圖6.2所示，其透射光譜如圖6.3（b）所示。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)6.3 光纖布拉格光柵傳感原理 由光纖光柵的布拉格方程可知，光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)取決于光柵周期和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個(gè)參量發(fā)生變化的物理過(guò)程都將引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移。真是基于這一點(diǎn)，一種新型、基于波長(zhǎng)漂移檢測(cè)的光纖傳

6、感機(jī)理被提出并得到了廣泛應(yīng)用。在所有引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等參量。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)因?yàn)闊o(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是擠壓，都勢(shì)必導(dǎo)致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應(yīng)使得有效折射率neff也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化。同理，環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起光纖類似的變化。因此利用光纖布拉格光柵制成的光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感器以及光纖溫度傳感器，就成了光纖光柵在光纖傳感器領(lǐng)域中最直接的應(yīng)用。應(yīng)力引起光柵布拉格波長(zhǎng)漂移可以由下式給與描述：（6-2）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)式中表示光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性

7、變形；neff表示光纖的彈光效應(yīng)。外界不同的應(yīng)力狀態(tài)將導(dǎo)致和neff的不同變化。一般情況下，由于光纖光柵屬于各向同性柱體結(jié)構(gòu)，所以施加于其上的應(yīng)力可在柱坐標(biāo)系下分解為r，和z三個(gè)方向。只有z作用的情況稱為軸向應(yīng)力作用，r和稱為橫向應(yīng)力作用，三者同事存在為體應(yīng)力作用。于此類似，環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起光柵布拉格波長(zhǎng)的漂移，由此可測(cè)量出環(huán)境溫度的變化。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)6.4 光纖布拉格光柵在光纖傳感器領(lǐng)域中的典型應(yīng)用在測(cè)量方面的應(yīng)用 1）單參量測(cè)量 光纖光柵的單參數(shù)測(cè)量主要是只對(duì)溫度、應(yīng)變、折射率、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電流、電壓、速度、加速度等單個(gè)參量分別進(jìn)行測(cè)量。圖6

8、.4表示采用光纖光柵冊(cè)測(cè)量壓力及應(yīng)變的典型傳感器結(jié)構(gòu)。圖中采用的寬帶發(fā)光二極管作為系統(tǒng)光源，利用光譜分析儀進(jìn)行波長(zhǎng)漂移檢測(cè)，這是光纖光柵作為傳感器應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè) Rao等人1995年用諧振波長(zhǎng)為1550nm的石英光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變的傳感器實(shí)驗(yàn)，波長(zhǎng)的應(yīng)變靈敏度為1.15pm-1；光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)同時(shí)還用諧振波長(zhǎng)分別為800nm和1550nm的光纖布拉格光柵進(jìn)行溫度傳感實(shí)驗(yàn)，其波長(zhǎng)的靈敏度分別為6.8pm-1和13 pm-1。Zhang等人于2001年用聚合物涂封的光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)了靈敏度為-3

9、.410-3nmMpa的壓力傳感器。Kersey等人于1997年年利用法拉第效應(yīng)導(dǎo)致的光纖布拉格光柵左右旋偏振光折射的差異來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。Mora等人利用光纖布拉格光柵制作的電流傳感器，其靈敏度為2.310-10nmA2m-2。Gander等人于2000年用多芯光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)了彎曲量的測(cè)量。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)Wang等人于2000年用光纖布拉格光柵制作的扭曲傳感器，其靈敏度為86.7pmdeg-1。R.B.Wagreicch等人于1996年用低雙折射光纖上寫入的光線布拉格光柵進(jìn)行橫向負(fù)載實(shí)驗(yàn)，其負(fù)載靈敏度為3.27pmN-1，當(dāng)負(fù)載大于40N時(shí)單峰因雙折射而

10、分裂為雙峰。2）雙參量測(cè)量 光纖光柵除對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變敏感以外，對(duì)溫度變化也有相當(dāng)?shù)拿舾行?，這意味著在使用中不可避免的會(huì)遇到雙參量的干擾。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)為了解決這一問(wèn)題，人們提出了許多采用多波長(zhǎng)光纖光柵進(jìn)行溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方案。在工程結(jié)構(gòu)中，由于各種因素相互影響、交叉敏感，因此這種多參數(shù)測(cè)量技術(shù)尤其重要。目前多參數(shù)傳感技術(shù)中，研究最多的是溫度-應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量技術(shù)，也有人進(jìn)行了溫度-彎曲、溫度-折射率、溫度-位移等雙參數(shù)測(cè)量以及溫度-應(yīng)變-振動(dòng)、溫度-應(yīng)變-振動(dòng)-負(fù)載的多參數(shù)測(cè)量。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)3）分布式多

11、點(diǎn)測(cè)量 纖光柵用于光纖傳感的另一優(yōu)點(diǎn)是便于構(gòu)成準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)格，可以再大范圍內(nèi)對(duì)多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。圖6.5示出了兩個(gè)典型的基于光纖光柵的準(zhǔn)分布傳感網(wǎng)格，可以看出其重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)多光柵反射信號(hào)的檢測(cè)。圖6.5（a）中采用參考光柵匹配方法，圖6.5（b）中采用可調(diào)F-P腔，雖然方法各異，但均解決了分布測(cè)量的核心問(wèn)題，為實(shí)用化研究奠定了基礎(chǔ)。目前光纖光柵分布式傳感主要集中在應(yīng)變傳感。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用1）在土木工程中的應(yīng)用土木工程中的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)室光纖光柵傳感器應(yīng)用中最活躍的領(lǐng)域。對(duì)于橋梁、

12、隧道、礦井、大壩、建筑物等來(lái)說(shuō)，通過(guò)測(cè)量上述結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，可以預(yù)知結(jié)構(gòu)內(nèi)的局部載荷狀態(tài)，方便進(jìn)行維護(hù)和狀況監(jiān)測(cè)。光纖光柵傳感器既可以貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面，也可以在澆筑時(shí)埋入結(jié)構(gòu)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式檢測(cè)，傳感信號(hào)可以傳輸很長(zhǎng)距離送到中心監(jiān)測(cè)室進(jìn)行遙測(cè)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)2）在航空航天及船舶中的應(yīng)用增強(qiáng)碳纖維符合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好、質(zhì)量輕，可以減輕船體或航天器的重量，已經(jīng)越來(lái)越多地用于控制航空、航海工具。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造構(gòu)成中埋放光纖光柵傳感器，可實(shí)現(xiàn)飛行器或船艦運(yùn)行過(guò)程中機(jī)載傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)健康檢測(cè)和損傷探測(cè)。一架飛行器為了監(jiān)測(cè)壓力、溫度、振動(dòng)、起落駕

13、駛狀態(tài)、超聲波場(chǎng)和加速度情況，所需要的傳感器超過(guò)100個(gè)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局對(duì)光纖光柵傳感器用非常重視，它們?cè)诤教祜w機(jī)X-33上安裝了測(cè)量應(yīng)變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。 為了全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的沖擊力，普通船體大約需要100個(gè)以上的傳感器，因此服用能力極強(qiáng)的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測(cè)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)3）在石油化工中的應(yīng)用 石油化工工業(yè)屬于易燃易爆的領(lǐng)域，電類傳感器用于諸如油氣灌、油氣井、油氣管等地方的測(cè)量有不安全因

14、素。光纖光柵傳感器因其本質(zhì)安全性非常適合在石油化工領(lǐng)域里應(yīng)用。美國(guó)CiDRA公司發(fā)展了基于光纖光柵的監(jiān)測(cè)溫度、壓力和流量等熱工參量的傳感技術(shù)，并將其應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)的鉆井監(jiān)測(cè)，以及海洋石油平臺(tái)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。 光纖光柵周圍化學(xué)物質(zhì)濃度的變化通過(guò)漸逝常影響光柵的共振波長(zhǎng)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)利用該原理可通過(guò)FBG進(jìn)行特殊處理或直接用LPG制成各種化學(xué)物質(zhì)的光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器可直接測(cè)量許多化學(xué)成分的濃度，包括蔗糖、乙醇、十六烷、CaCl2、NaCl等。另外，可利用特定的聚合物封裝光纖光柵，當(dāng)聚合物遇到碳?xì)浠衔飼r(shí)膨脹而使光纖產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)監(jiān)視光柵共振

15、波長(zhǎng)的漂移就可以知道光纖光柵處的石油泄漏情況。 4）在電力工業(yè)中的應(yīng)用電力工業(yè)中的設(shè)備大都處在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，如高壓開關(guān)溫度的在線監(jiān)測(cè)、高壓變壓器繞組及發(fā)電機(jī)定子等地方的溫度和位移參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)普通電類傳感器無(wú)法使用，而光纖光柵傳感器具有高絕緣性和強(qiáng)抗電磁干擾的能力，因此適合在電力行業(yè)中應(yīng)用。用常規(guī)電流轉(zhuǎn)換器、壓電元件和光纖光柵組成的綜合系統(tǒng)對(duì)大電流進(jìn)行間接測(cè)量，電流轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)變成電壓，電壓變化使壓電元件形變，形變大小由光纖光柵傳感器測(cè)量。封裝于磁致伸縮材料的光纖光柵可測(cè)量磁場(chǎng)和電流，可用于檢測(cè)電機(jī)和絕緣體之間的雜散磁場(chǎng)通量。光纖傳感器及

16、應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)5）在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用光纖光柵傳感器能夠通過(guò)最小限度的侵害方式對(duì)人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量，足以避免對(duì)正常醫(yī)療過(guò)程的干擾。光纖光柵陣列溫度傳感器，可用來(lái)測(cè)量超聲波、溫度和壓力場(chǎng)，研究病變組織的超聲和熱性質(zhì)，或遙測(cè)核磁共振機(jī)中的實(shí)際溫度。用定向稀釋導(dǎo)流管方法，采用光纖光柵傳感器可對(duì)心臟功效進(jìn)行測(cè)量。用光纖光柵可以測(cè)量超聲場(chǎng)、監(jiān)視病人呼吸情況等。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)6）在核工業(yè)中的應(yīng)用核電站是高輻射的地方，核泄漏對(duì)人類是一個(gè)極大的威脅，因此對(duì)于核電站的安全檢測(cè)非常重要。由于光纖光柵傳感器具有耐輻射的能力，可以監(jiān)測(cè)核電站的反應(yīng)堆建

17、筑或外殼結(jié)構(gòu)變形、蒸汽管道的應(yīng)變傳感以及地下核廢料堆中的應(yīng)變和溫度等。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)6.5 長(zhǎng)周期光纖光柵在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用 光纖布拉格光柵的傳感器應(yīng)用仍有一定的局限性，如靈敏度不夠高、對(duì)單位應(yīng)力或溫度的改變所引起的波長(zhǎng)漂移較小，此外由于光纖布拉格光柵是反射型光柵，通常需要隔離器來(lái)抑制反射光對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，無(wú)后向反射，在傳感測(cè)量系統(tǒng)中不需要隔離器，測(cè)量精度高。此外，于光纖布拉格光柵不同，長(zhǎng)周期光纖光柵的周期相對(duì)較長(zhǎng)，滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)

18、因而長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)和幅值對(duì)外界的變化非常敏感，具有比光纖布拉格光柵更好的溫度、應(yīng)變、彎曲、扭曲、橫向負(fù)載、濃度和折射率靈敏度。因此，長(zhǎng)周期光纖光柵在光纖傳感領(lǐng)域具有比光纖布拉格光柵傳感器更多的優(yōu)點(diǎn)和更加廣泛的應(yīng)用。利用長(zhǎng)周期光纖光柵具體有體積小、能埋入工程材料的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 長(zhǎng)周期光纖光柵諧振波長(zhǎng)隨著溫度變化而線性漂移，是一種很好的溫度傳感器。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)Davis和Georges等人發(fā)現(xiàn)用電弧法寫入的長(zhǎng)周期光纖光柵在高溫段的溫度靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低溫段，中間有很明顯的過(guò)渡段，因此這種長(zhǎng)周期光纖光柵適合工作于高溫（1000

19、）下。Liu等人的研究結(jié)果表明長(zhǎng)周期光纖光柵的橫向負(fù)載靈敏度比光纖布拉格光柵高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且諧振波長(zhǎng)隨負(fù)載線性變化，因此是很好的橫向負(fù)載傳感器。Patrick和Wan Wiggeren等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)隨著彎曲曲率的增大而線性漂移，其靈敏度具有方向性，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)因此可用于測(cè)量彎曲曲率。Wang和Ahn等人已分別用單個(gè)和多個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵級(jí)聯(lián)進(jìn)行的扭曲實(shí)驗(yàn)，表明用長(zhǎng)周期光纖光柵可實(shí)現(xiàn)對(duì)扭曲的直接測(cè)量。 利用長(zhǎng)周期光纖光柵制成的化學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體折射率和濃度的實(shí)時(shí)測(cè)量。Bhatia等人于1996年用溫度不敏感的長(zhǎng)周期光纖光

20、柵實(shí)現(xiàn)了折射率和應(yīng)力的測(cè)量，Luo等人于2002年提出了基于在外表面涂有特殊塑料覆層的長(zhǎng)周期光纖光柵的化學(xué)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)濕度和有毒化學(xué)物質(zhì)特別是對(duì)化學(xué)武器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其原理是濕度或有毒化學(xué)物質(zhì)會(huì)引起塑料涂覆層的折射率發(fā)生變化，從而改變長(zhǎng)周期光纖光柵的模式耦合特性。這種化學(xué)傳感器對(duì)相對(duì)濕度的測(cè)量范圍是095%，對(duì)有毒化學(xué)物質(zhì)的測(cè)量精度可達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)。由于長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振波長(zhǎng)對(duì)光柵包層周圍物質(zhì)的折射率很敏感，因此諧振波長(zhǎng)的漂移與侵入液體中的光柵長(zhǎng)度有關(guān)，根據(jù)此原理James等人于2002年用長(zhǎng)周期光纖光柵制成了液位傳感器。光纖

21、傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)長(zhǎng)周期光纖光柵在生物傳感技術(shù)領(lǐng)域也有著獨(dú)特應(yīng)用。Pilevar等人于2000年用長(zhǎng)周期光纖光柵和光纖布拉格光柵的組合制成了抗體-抗原生物傳感器。 利用長(zhǎng)周期光纖光柵有多個(gè)損耗峰的特性，可以用一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)多參數(shù)的測(cè)量。Rao、Zeng等人利用長(zhǎng)周期光纖光柵和光纖布拉格光柵和非本征型光纖法-珀干涉腔等其他傳感器的組合實(shí)現(xiàn)了溫度-靜態(tài)應(yīng)變-振動(dòng)-橫向負(fù)載四參數(shù)的而同時(shí)測(cè)量。Yokota等人于2002年應(yīng)用機(jī)械微彎法制作的長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)了分布式壓力傳感。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)與光纖布拉格光柵傳感器一樣，長(zhǎng)

22、周期光纖光柵傳感器也有溫度、應(yīng)變或折射率、彎曲等物理量之間的交叉敏感問(wèn)題，從而使測(cè)量精度大大降低。因此，解決長(zhǎng)周期光纖光柵測(cè)量過(guò)程中的交叉敏感問(wèn)題十分重要。至今人們已提出了多種解決光纖傳感器應(yīng)用中交叉敏感問(wèn)題的方案，他們各有特點(diǎn)。但總體而言，均需要兩種或兩種以上傳感器的組合才能較好地解決該問(wèn)題。Patrick等人于1996年用長(zhǎng)周期光纖光柵和光纖布拉格光柵的組合解決了溫度和應(yīng)變之間的交叉敏感問(wèn)題，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量。Bhatia等人于1996年用溫度不敏感的長(zhǎng)周期光纖光柵實(shí)現(xiàn)了折射率和應(yīng)力的測(cè)量，解決了溫度、應(yīng)變、折射率之間的交叉

23、敏感問(wèn)題。 6.6 光纖光柵折射率傳感技術(shù) 在FBG中，模式的耦合發(fā)生在正、反向傳輸?shù)男緦訉?dǎo)模中。由于芯層導(dǎo)模的絕大部分能量限制在光纖芯層中，在光纖外的漸逝波場(chǎng)很小，所以共振波長(zhǎng)幾乎不受外界折射率的影響。為牢能將FBG應(yīng)用于折射率測(cè)量或者提高靈敏度，就必須設(shè)法加大光纖外的漸逝波場(chǎng)，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)使?jié)u逝波場(chǎng)與外部介質(zhì)的相互作用加強(qiáng)。辦法之一是通過(guò)腐蝕一部分或全部光纖包層，可以提高外界折射率的靈敏度。Pereira等用兩個(gè)FBG來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和鹽度的同時(shí)測(cè)量，其中腐蝕后的FBG對(duì)折射率測(cè)量的靈敏度為7.3nm/riu。Chryssis等人將光纖直徑腐蝕到3.4m

24、，得到高靈敏度漸逝場(chǎng)FBG傳感器，其中最大靈敏度達(dá)到了1394 nm/riu。另外，Schroeder等人提出用側(cè)面拋磨FBG的方法使FBG對(duì)外界折射率敏感，在拋磨后的FBG上覆蓋一層高折射率的涂覆層則可大大提高低折射率范圍的靈敏度。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)FBG折射率傳感原理在FBG中布拉格反射波長(zhǎng)B由下式給出：（6-3）式中，為光柵周期，neff為芯層導(dǎo)模的有效折射率。在普通的光纖中，因?yàn)樾緦訉?dǎo)模的能量集中在纖芯中，所以有效折射率neff實(shí)際上與包層外的外界折射率無(wú)關(guān)。然而，當(dāng)光柵所在區(qū)域的光纖包層直徑小到一定程度而使芯層導(dǎo)模的漸逝波能量能夠直接與外界環(huán)境相互

25、作用時(shí)，芯層導(dǎo)模的有效折射率就會(huì)直接受到外界環(huán)境折射率的影響，從而引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)的移動(dòng)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)的移動(dòng)，就可以知道外界折射率的變化情況，這就是FBG折射率傳感器的原理，如圖6.6所示。從式6.3可以看出，F(xiàn)BG對(duì)外界折射率傳感的靈敏度依賴于導(dǎo)模有效折射率的變化大小。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖光柵折射率傳感的應(yīng)用 在光纖光柵折射率傳感器中，需要通過(guò)波導(dǎo)模式的漸逝波場(chǎng)于外部介質(zhì)在的相互作用機(jī)制，導(dǎo)致波導(dǎo)模式的有效折射率變化，從而使光柵的共振波長(zhǎng)發(fā)生變化。為此，人們提出了應(yīng)用不同光纖光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)折射

26、率的傳感，并提出了許多種方法或手段來(lái)提高測(cè)量靈敏度，如腐蝕或側(cè)面拋磨的FBG、LPG、閃耀光柵、多模光纖LPG、FBG構(gòu)成的FFPI以及LPG構(gòu)成的M-Z干涉儀等，下面對(duì)這些方法分別進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)1）FBG方案在利用FBG驚醒折射率傳感時(shí)，要使芯層導(dǎo)模的漸逝波場(chǎng)能延伸到外部介質(zhì)中，必須通過(guò)腐蝕或側(cè)面拋磨處理等方法使芯層導(dǎo)模通過(guò)其漸逝波能夠直接感受到外部介質(zhì)。（1）腐蝕普通的FBGAsseh等最早提出用腐蝕光纖包層的百年發(fā)可以實(shí)現(xiàn)折射率測(cè)量，理論計(jì)算出當(dāng)外界折射率非常接近包層折射率時(shí)，其靈敏度可達(dá)到4.610-6riu。Pereira等用雙F

27、BG來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和鹽光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)度的同時(shí)測(cè)量，其中腐蝕后的FBG對(duì)折射率測(cè)量的靈敏度為7.3nm/riu。后來(lái)，Iadicicco等將FBG的光纖包層幾乎全腐蝕掉，在1.45和1.33附近的分辨率分別為10-5和10-4。而Chryssis等人將光纖直徑腐蝕到3.4m，得到高靈敏度漸逝場(chǎng)FBG傳感器，其最大靈敏度達(dá)到了1394 nm/riu，這是到目前為止報(bào)道的FBG折射率傳感的最高靈敏度。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（2）結(jié)構(gòu)化的FBG腐蝕最近，Iadicicco等人又提出了一種微結(jié)構(gòu)FBG：將FBG中間的一小段光纖包層腐蝕掉

28、，它的光譜特性會(huì)隨外界折射率的變化而變化，當(dāng)直徑被腐蝕到10.5m時(shí)可以得到410-5的折射率測(cè)量分辨率。W.Liang等提出了用全光纖F-P干涉儀結(jié)構(gòu)，具有更窄的干涉條紋便于波長(zhǎng)測(cè)量，腐蝕兩個(gè)FBG中間的那段光纖到半徑大小為1.5m，可以測(cè)到410-5的折射微小變化。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（3）拋磨FBGK.Schroeder等人提出將FBG固定到彎曲半徑為2m的基底是用側(cè)面拋磨辦法去掉部分光纖包層。中間最薄部分的包層厚度大約為0.5m。用此FBG實(shí)現(xiàn)外界折射率測(cè)量，同時(shí)在末拋磨色區(qū)域用在另一個(gè)FBG作參考測(cè)量。1pm的波長(zhǎng)移動(dòng)量對(duì)應(yīng)折射率變化為10-3（nA

29、=11.3）到210-5（nA=1.441.46）之間。為提高較低折射率范圍內(nèi)的靈敏度，他們提出在側(cè)面拋磨的FBG上涂覆一層高折射率的覆蓋層，試驗(yàn)中用0.25m厚，折射率為1.68的覆蓋層，在nA=1.331.37，使分辨率靈敏度從10-3riu提高了2.510-5riu。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（4）腐蝕多模光纖中的斜光柵在多模光纖中的斜光柵中，不僅存在正、反向基模之間的耦合，而且還存在基模于反向傳播的高階芯層模耦合。將光纖腐蝕到直徑大小為12m后進(jìn)行折射率測(cè)量，利用高階模式的靈敏度比低階模式的靈敏度高的特點(diǎn)，在1.3331.442的測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的LPco-

30、co0-1耦合的波長(zhǎng)移動(dòng)為5.35nm，表明在1.43附近的靈敏度為0.23nm/%（%為蔗糖濃度單位）。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（5）腐蝕D型光纖上的FBGK.Zhou等利用寫在D型光纖上的FBG進(jìn)行折射率測(cè)量，不腐蝕時(shí)幾乎對(duì)折射率不夠敏感，而通過(guò)腐蝕后其靈敏度得到0.02 nm/%（%為蔗糖濃度單位），換算成以折射率變化的靈敏度為11nm/riu。 （6）單模光纖上的斜光柵G.Laffont等將斜光柵寫入單模光纖中，激發(fā)了芯層模與反向傳輸?shù)陌鼘幽ｉg耦合，而包層模能夠通過(guò)其漸逝場(chǎng)感知外界折射率變化，當(dāng)折射變化時(shí)，透射光譜中的上下包絡(luò)都會(huì)發(fā)生變化，光纖傳感器及應(yīng)用

31、光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)據(jù)此他們提出了一種利用透射譜包絡(luò)計(jì)算折射率的方法。分辨率和重復(fù)性優(yōu)于10-4riu，但不需腐蝕腐蝕或拋磨，因此有較好的機(jī)械強(qiáng)度。 在這些FBG折射率測(cè)量的方案中，除了單模光纖斜光柵外，其余都需腐蝕或拋磨等處理，大大降低了光纖的機(jī)械性能。 2）LPG方案LPG的耦合機(jī)制與FBG不同，耦合發(fā)生在芯層導(dǎo)模與同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖg，因包層弄的漸逝場(chǎng)分布延伸到了包層外的介質(zhì)中，如圖6.7所示。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)這決定了LPG本質(zhì)上對(duì)外界折射率非常敏感，尤其是當(dāng)外界折射率接近包層折射率時(shí)更加敏感，所以直接用LPG可以實(shí)現(xiàn)折射率的測(cè)量、

32、用于化學(xué)濃度的指示等。為分析LPG對(duì)高于包層折射率時(shí)的外界折射率響應(yīng)情況，R.Hou等建立了分析模型。LPG對(duì)外界折射率的靈敏度與光柵周期以及包層模階數(shù)密切相關(guān)，所以LPG用于折射率傳感時(shí)，從光柵設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)光柵周期及合適的包層模階數(shù)來(lái)獲得最優(yōu)的靈敏度。另一方面，為進(jìn)一步提高折射率傳感的靈敏度，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)人們提出了高折射率材料涂覆、拉錐、腐蝕等方法，以及用兩個(gè)LPG構(gòu)成的M-Z干涉儀進(jìn)行折射率測(cè)量等方法。下面分別介紹這些方法。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（1）在LPG上鍍上高折射率材料 N.D.Rees等用L

33、-B鍍膜技術(shù)將二十三烯酸(CH2=CH(CH2)20CO2H)(折射率為1.57)鍍到LPG上，引起了共振波長(zhǎng)的移動(dòng)情況與模厚有關(guān)。 I.D.Villar等用靜電自組裝技術(shù)將聚合物材料(PDDA+/PolyR-47-)鍍到LPG上，實(shí)驗(yàn)觀察到涂覆層達(dá)到一定厚度時(shí)，其中的一個(gè)包層模將在涂覆層中傳導(dǎo)。針對(duì)具體的外界折射率范圍，通過(guò)優(yōu)化涂覆層的折射率及厚度，可大大提高對(duì)外界折射率的靈敏度。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)如外界折射率變化范圍11.1，沒(méi)有涂覆處理的LPG的三、四、五階包層模對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)移動(dòng)量分別只有0.01nm，0.03和0.05nm，而鍍了278.5nm厚（

34、三階包層模的優(yōu)化厚度）的涂覆層【PDDA+/PolyS-119-】(折射率為1.67)后相應(yīng)的波長(zhǎng)移動(dòng)量分別增加到了4.63nm，9.33nm和8.34nm。 （2）腐蝕光纖包層可以提高LPG的靈敏度通過(guò)HF酸腐蝕光纖包層可以調(diào)節(jié)LPG的共振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，而且包層減小后的LPG對(duì)外界折射率的靈敏度可以大幅度提高。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)相比其他的光纖處理工藝，HF酸腐蝕光纖包層是一種成本低、易控制的工藝方法。K.W.Chung等將寫有LPG的光纖直徑腐蝕到35m后，利用其最低階包層模的共振波長(zhǎng)進(jìn)行廁靈，在11.43的折射率范圍內(nèi)，波長(zhǎng)移動(dòng)量為34nm，而對(duì)

35、應(yīng)未腐蝕的LPG其波長(zhǎng)移動(dòng)只有8nm。他們從理論上測(cè)量，如果利用三階包層模耦合，則包層直徑腐蝕到35m的LPG的波長(zhǎng)移動(dòng)可達(dá)225nm。X.Chen等人將LPG寫在D型光纖上，其折射率靈敏度比普通SMF上的LPG要高，對(duì)D型光纖腐蝕后，更進(jìn)一步提高了外界折射率的靈敏度。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)（3）多模光纖中的LPG在多模光纖的LPG中，因芯層模式數(shù)量很多，導(dǎo)致幾乎在所有波長(zhǎng)上都存在芯層模和包層模的耦合，所以波長(zhǎng)與折射率的依賴關(guān)系就無(wú)法分辨，但是輸出光功率隨著折射率的變化而變化，而且周期較短的LPG對(duì)外界折射率的靈敏度較高。基于漸逝波吸收的原理，可用多模光想LPG

36、對(duì)具有一定吸收的化學(xué)樣品進(jìn)行濃度測(cè)量，如水溶液中鉻離子濃度、氨氣濃度、亞甲基藍(lán)（MB）燃料液濃度等。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)S T Lee等人測(cè)量不同MB燃料濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多模光纖上10mm長(zhǎng)的LPG的靈敏度與100mm長(zhǎng)的傳統(tǒng)漸逝波光纖傳感器相當(dāng)，最小的可探測(cè)濃度達(dá)10nmol/L，而且動(dòng)態(tài)范圍寬，達(dá)4該數(shù)量級(jí)。 （4）利用LPG構(gòu)成的干涉型器件 由于LPG得特殊耦合機(jī)制，當(dāng)在同一根光纖上級(jí)聯(lián)兩個(gè)相同的3dBLPG時(shí)，就構(gòu)成了光纖內(nèi)的M-Z干涉儀。T.Allsop等人將這種基于LPG的M-Z干涉儀應(yīng)用于折射率的測(cè)量，并提出了這種干涉儀的的相位解調(diào)方案，其可探

37、測(cè)的最小折射率變化達(dá)到了1.810-6，這也是目前光纖型折射率傳感器中分辨率最高者。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)最近，T.Allsop等人將一個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵寫到雙錐形光纖上，利用其透射光譜上的干涉條紋移動(dòng)來(lái)測(cè)量外界折射率，得到了較高的折射率測(cè)量靈敏度，在1.33附近，靈敏度為643nm/riu。 相比普通的單個(gè)LPG，基于LPG的干涉型器件具有更精細(xì)的光譜，便于波長(zhǎng)檢測(cè)，如果采用相位解調(diào)方案，可以得到很高的測(cè)量分辨率。另外，再利用光纖光柵進(jìn)行折射率傳感的同時(shí)，不可避免的存在溫度同時(shí)敏感問(wèn)題，為了使光纖光柵折射率傳感技術(shù)更實(shí)用化， 光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家

38、重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)必須解決交叉敏感問(wèn)題。其中一個(gè)解決辦法是實(shí)現(xiàn)折射率/溫度的同時(shí)測(cè)量，另一種辦法是用溫度補(bǔ)償?shù)恼凵渎蕼y(cè)量方案。到目前為止，已經(jīng)提出許多解決的方案。6.6 傳光型波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器傳光型波長(zhǎng)調(diào)制傳感器主要是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量的變化而變化的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，其中的光纖只是傳光元件，不是敏感元件，是一種廣義的、非功能型的光纖傳感器。波長(zhǎng)調(diào)制機(jī)理傳光型波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器在波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖探頭中，光纖只是簡(jiǎn)單的作為導(dǎo)光用，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)即把入射光送往測(cè)量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制探頭的基本部件如圖6.8所示。光

39、纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè) 光波長(zhǎng)（顏色）探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵是光源和頻譜分析器的性能決定傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率。大多數(shù)波長(zhǎng)調(diào)制系統(tǒng)中，光源采用白熾燈或汞弧燈。光譜分析儀一般采用棱鏡分光計(jì)、光柵分光計(jì)、干涉濾光器和染料濾光器等儀器實(shí)現(xiàn)。由于光源。分光計(jì)以及光探測(cè)器的性能常常不夠穩(wěn)定，因此，通常測(cè)取兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的光強(qiáng)信號(hào)，進(jìn)行比值運(yùn)算，補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。光纖波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)例如，對(duì)于人體血?dú)獾姆治?、PH值檢測(cè)、指示劑溶液濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析、Fabry-Perot濾光器等

40、。光纖pH值1.基本原理光纖pH值傳感器是利用化學(xué)指示劑對(duì)被測(cè)溶液的pH值。圖6.9為光纖pH值探頭的一種典型結(jié)構(gòu)。探頭是一個(gè)可滲透的薄膜容器，容器內(nèi)裝入直徑為510m的聚丙酸酯小球，用指示劑（例如酚紅）將小球染色。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)酚紅染料試劑是一種可逆得具有兩種互變狀態(tài)的指示劑。兩種狀態(tài)即基本狀態(tài)和酸化狀態(tài)，每一種狀態(tài)有不同的光吸收譜線?；緺顟B(tài)是對(duì)綠色光譜吸收，酸化狀態(tài)是對(duì)藍(lán)色光譜吸收，pH值由酚紅試劑對(duì)綠光（或藍(lán)光）光譜的吸收量來(lái)決定。由于指示劑的透明度在紅色區(qū)域?qū)H值非常敏感，在綠色區(qū)域卻與p

41、H值無(wú)關(guān)，所以，當(dāng)白光由光纖導(dǎo)入浸泡在被測(cè)溶液中的pH值探頭后，經(jīng)過(guò)用酚紅染色的聚丙酸酯小球的散射，得到反應(yīng)溶液pH值的光信號(hào)。光信號(hào)由光纖導(dǎo)出光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的雙色濾光器，從而使紅光和綠光交替地投射到光電二極管探測(cè)器上，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)把這兩種顏色（波長(zhǎng)）的光強(qiáng)信號(hào)的比值測(cè)量出來(lái)，測(cè)量結(jié)果直接反映被測(cè)溶液的pH值。采用雙波長(zhǎng)工作方式的目的是為了消除測(cè)量中多種因素所造成的誤差。取綠光（1=558nm）作為調(diào)制檢測(cè)光，紅光（2=630nm）作為參考光，探測(cè)接收到的綠光與紅光強(qiáng)度的吸收比值為R,pH值與R得關(guān)系為：（6-4）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專

42、業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)式中：k、c為常數(shù)；L為試劑長(zhǎng)度；=pH-pK，其中pH 是酸堿度，pK是酸堿平衡常數(shù)。 上述光纖pH值探頭要求光源和光探測(cè)器有足夠的溫度穩(wěn)定性，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。這種探頭可用于測(cè)量血液的pH值，且pH值在77.4的范圍內(nèi)儀器具有0.01的分辨率?？梢钥闯觯捎貌煌幕瘜W(xué)指示劑，即可測(cè)量不同pH值范圍的溶液。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)2.探頭與系統(tǒng)設(shè)計(jì)以光纖和染料為基礎(chǔ)的pH值傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖6.10（a）所示。兩根直徑為0.15mm的塑料光纖，并排插入具有滲透膜的套管中。套管內(nèi)裝有試劑，光纖與試劑接觸，探頭前部用膠密封，以避免染料試

43、劑與待測(cè)物混合。試劑的成分是一種聚丙烯酰胺微球共價(jià)結(jié)合的酚紅和作為散射光用的聚苯乙烯微球的混合物。對(duì)光有吸收作用的只是酚紅，顆粒狀的聚丙烯酰胺是作為酚紅的支撐物，以固定酚紅的位置。聚苯乙烯微球能散射光，光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)使光與酚紅充分接觸，產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收作用，提供檢測(cè)的靈敏度。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的探頭存在一些問(wèn)題：一是探頭很柔軟極易損壞；二是很難無(wú)損地插入類似跳動(dòng)的心臟的機(jī)體中；三是當(dāng)試劑相對(duì)于光纖的端面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)（如插入動(dòng)作），會(huì)引起探頭的響應(yīng)速度變慢，分辨率下降。為了克服上述問(wèn)題，改進(jìn)了探頭的結(jié)構(gòu)如圖6.10（b）所示。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)

44、-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè) 用于生物體內(nèi)測(cè)量pH值的給今后的探頭是將原探頭整體裝在一個(gè)25號(hào)的不銹鋼針頭（外徑0.5mm）內(nèi)，在靠近試劑位置處的不銹鋼針頭上，對(duì)稱的分兩個(gè)槽，在槽的中心處，沿著與軸線垂直的方向，有直徑為0.38mm的孔，鋼針的頭部用環(huán)氧樹脂密封。這種探頭很容易安全的插入機(jī)體內(nèi)，且本身不易損壞，響應(yīng)速度也從原來(lái)的90s提高到30s。還可以用一個(gè)端面起反光作用的鋁蒸汽鍍膜的玻璃圓柱體，膠封在套管前部，這樣使試劑的長(zhǎng)度從24mm減少到0.12mm。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)單反射回的光強(qiáng)也減小了一半，即降

45、低了調(diào)制度。因此在使用中，要合理地選擇試劑的長(zhǎng)度，以達(dá)到最佳的信噪比和分辨率。此檢測(cè)裝置的信噪比為50dB，在77.4pH的生理范圍內(nèi)，檢測(cè)精度為0.01pH單位。 圖6.11是同時(shí)可測(cè)量五個(gè)點(diǎn)的醫(yī)用pH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框圖。光源是100W的石英鹵素?zé)?。雙色濾光器（濾波輪）交替地將紅光和綠光選出，然后輸入光探測(cè)器。接收是采用RCAPF1039型光電倍增管采用高集成度電源供電。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè) 信號(hào)處理由微機(jī)系統(tǒng)完成。有5個(gè)D/A轉(zhuǎn)換通道，每個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)探頭。當(dāng)每個(gè)通道分別經(jīng)脈沖信號(hào)觸發(fā)后（+1V為綠

46、色光觸發(fā)信號(hào)，-1V為紅光觸發(fā)信號(hào)），開始采樣40次平均，得到一個(gè)數(shù)值；將綠光光強(qiáng)和紅光光強(qiáng)相比得到一個(gè)比值；每10個(gè)比值進(jìn)行一次平均，獲得一個(gè)數(shù)據(jù)；通過(guò)公式和的定義即可計(jì)算出pH值。5個(gè)通道的信號(hào)處理過(guò)程是相同的，一組5個(gè)pH值的信號(hào)處理過(guò)程只需要5s，如果減少采樣點(diǎn)，可是處理速度提高到1s。最后結(jié)果輸出顯示。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明這種pH值檢測(cè)裝置使用方便，安全可靠，很適合于生物體的pH值檢測(cè)。光纖磷光傳感器圖6.12是利用磷光現(xiàn)象制成的光纖溫度探測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是基于稀土磷光體的磷光光譜隨溫度變化而變化的原理工作。磷光體在紫外光照射后，會(huì)

47、發(fā)射與溫度有關(guān)的光譜如圖6.13所示。光譜中紅色“a”譜線的強(qiáng)度隨溫度升高而增加，而綠色“c”譜線則降低。兩者的壁紙是溫度的單值函數(shù)，由于這兩條譜線被照射譜中的相同部分激勵(lì)，因而他們的比值與激勵(lì)光譜基本無(wú)關(guān)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)利用6.12所示的光學(xué)裝置能有效地測(cè)量并計(jì)算出上述比值。圖中采用干涉濾光片來(lái)進(jìn)行光譜分析。這里用了來(lái)年各個(gè)頻譜分量不同的光電二極管進(jìn)行檢測(cè)，因此，還需要校正兩者的差動(dòng)漂移。在圖示的系統(tǒng)中，通過(guò)合適的信號(hào)處理和采用秒級(jí)的信號(hào)積分時(shí)間之后，可得到0.1的分辨率，準(zhǔn)確度為1。 兩個(gè)光電二極

48、管的敏感波長(zhǎng)不同，一個(gè)波長(zhǎng)為540nm的光敏感，另一個(gè)對(duì)波長(zhǎng)為630nm的光敏感。經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)處理，圖6.13（b）為所得到的相對(duì)光強(qiáng)與溫度變化的特性曲線。經(jīng)校正可以得到輸出相對(duì)光強(qiáng)與溫度呈線性關(guān)系。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)6.7 光纖傳感器用于智能材料及其結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代航空、航天及其他工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)提出了越來(lái)越高的要求。除了傳統(tǒng)的對(duì)材料強(qiáng)度的基本要求以外，同時(shí)還希望材料具有自我“檢測(cè)”的功能，以獲得材料及結(jié)構(gòu)的整體性、環(huán)境條件等信息，確定系統(tǒng)的運(yùn)行情況、可靠性乃至剩余壽命。有的還提出構(gòu)件應(yīng)具有“自我控制”（如結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲的抑制）的功能，以提高系統(tǒng)的安全性，降低某些構(gòu)件對(duì)環(huán)境的噪聲污染。隨著各領(lǐng)域?qū)Σ牧虾徒Y(jié)構(gòu)所提出的光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)各種高