光纖傳感技術(shù)課件

第10章

光纖傳感技術(shù)本章導(dǎo)讀10.1光纖傳感技術(shù)概述10.2光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器10.4光偏振調(diào)制型光纖傳感器10.5光波長調(diào)制型光纖傳感器10.6光頻率調(diào)制型光纖傳感器10.7分布式光纖傳感器下一頁返回本章導(dǎo)讀光纖傳感技術(shù)是伴隨光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體、光纖為介質(zhì)、感知和傳輸外界信號(hào)(被測量)的新型傳感技術(shù)。光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過30多年的研究，光纖傳感器取得了積極的進(jìn)展，目前正處在研究和應(yīng)用并存的階段。它對(duì)軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著重要的作用。隨著新興學(xué)科的交叉滲透，它將會(huì)出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。本章在簡要介紹光纖傳感器原理、組成及分類的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論光纖傳感的光調(diào)制方式及相應(yīng)的光纖傳感器，最后對(duì)分布式光纖傳感器作簡要介紹。返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述10.1.1光纖傳感器基本工作原理國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—1987對(duì)傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。光纖傳感器（OpticalFiberSensor，OFS）的基本工作原理如圖10-1所示，將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使被測量與輸入調(diào)制器的光相互作用后，導(dǎo)致光的某些特性(如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為調(diào)制光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后獲得被測量。下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述光纖傳感包含對(duì)被測量的感知和傳輸兩種功能。所謂感知(或敏感)，是指被測量按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘?，如?qiáng)度(振幅)、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測量光參量的變化即可“感知”被測量的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是被測量對(duì)光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。所謂傳輸，是指光纖將受被測量調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y器進(jìn)行檢測。將被測量從光波中提取出來并按需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也就是解調(diào)。因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方面的技術(shù)，即被測量如何調(diào)制光纖中的光波參量的調(diào)制技術(shù)(或加載技術(shù))及如何從已被調(diào)制的光波中提取被測量的解調(diào)技術(shù)(或檢測技術(shù))。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述10.1.2光纖傳感器的組成根據(jù)光纖傳感器的工作原理可知，光纖傳感器系統(tǒng)主要由光源、光纖、調(diào)制器(傳感頭)、光探測器和信號(hào)調(diào)理電路等部分構(gòu)成，如圖10-1所示。光纖傳感器研究的主要內(nèi)容是如實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量的調(diào)制與解調(diào)，但設(shè)計(jì)光纖傳感器系統(tǒng)時(shí)也必須了解光源、光探測器以及傳感器用光纖的相關(guān)知識(shí)，現(xiàn)對(duì)光纖傳感器用光源、光探測器及光纖的基本特性作簡要介紹。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述一、光纖傳感器的光源光纖傳感器對(duì)光源的結(jié)構(gòu)和特性有特定的要求。一般要求體積小，與光纖的耦合效率高；發(fā)光波長與光纖傳輸窗口匹配，減少光纖中光傳輸損耗；發(fā)光強(qiáng)度要足夠高，提要傳感器的輸出信號(hào)和靈敏度。另外還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小，減小傳感器輸出漂移。光纖傳感器光源與光纖耦合時(shí)，應(yīng)盡可能提高耦合效率，光纖輸出端光功率與光源光強(qiáng)、波長及光源發(fā)光面積等有關(guān)，也與光纖的粗細(xì)、數(shù)值孔徑有關(guān)，它們之間耦合效率取決與光源與光纖之間的匹配程度，在光纖傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)際使用中，要綜合考慮各因素影響。光纖傳感器用光源種類很多，按照光的相干性分為非相干光源和相干光源。前者有白熾燈、LED等；后者包括各種激光器，如氣體激光器、LD等。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述白熾燈是一種黑體輻射光源，常見的有鎢絲燈和鹵素?zé)魞煞N。白熾燈的輻射光譜限于能夠通過玻璃泡的光譜部分，在0.4～3.0μm范圍。白熾燈幾何特性差、亮度低、光譜范圍寬、壽命不長（幾百小時(shí)）、穩(wěn)定性差，但價(jià)格低廉，使用方便。常用的氣體激光器有三種，分別是：He-Ne激光器，工作波長為0.633μm或1.15μm；CO2激光器，工作波長為10.6μm；Ar+激光器，工作波長為0.516μm。氣體激光器的特點(diǎn)是，發(fā)光功率大，方向性、單色性好。但體積大，功率不穩(wěn)定，使用不方便，一般多用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，在實(shí)際的光纖傳感系統(tǒng)中用得較少。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述LED和LD為半導(dǎo)體光源，LED發(fā)出非相干光，LD發(fā)出相干光。共同特點(diǎn)是體積小，壽命長（大于數(shù)萬小時(shí)），驅(qū)動(dòng)簡單，能直接調(diào)制，且調(diào)制頻率高。半導(dǎo)體光源的工作波長分別為0.85μm、1.31μm和1.55μm。在光纖傳感系統(tǒng)中，半導(dǎo)體光源是用得最多的一種。二、光纖傳感器的光探測器由于現(xiàn)有的任何一種光探測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的工作機(jī)理都是基于光電效應(yīng)，所以只能響應(yīng)光的強(qiáng)度，而不能直接響應(yīng)光的頻率、波長、相位和偏振態(tài)四種光波物理參量，因此光的頻率、波長、相位和偏振調(diào)制信號(hào)都要通過某種轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度信號(hào)，才能被光探測器接收，實(shí)現(xiàn)檢測。光纖傳感器使用的光探測器有光電二極管、光電三極管和光電倍增管等。在光纖傳感系統(tǒng)使用光探測器時(shí)，應(yīng)注意其外特性，主要包括光譜響應(yīng)特性、光電特性、暗電流以及噪聲特性等，具體光探測器特性請參閱有關(guān)資料。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述三、光纖傳感器用光纖由于光纖傳感器種類繁多，性能各異，對(duì)所用光纖提出了各種各樣的要求，因此與光纖通信相比，光纖傳感器系統(tǒng)中用到的光纖種類多，且復(fù)雜。一般在非功能型光強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器中，由于光纖只起傳輸光波的作用，同時(shí)光纖傳感器所需光纖長度較短，對(duì)色散和損耗特性要求不高，所以采用通用的單模光纖或多模光纖就能滿足要求。有時(shí)，為了提高傳感器的靈敏度，而增大光纖所傳輸?shù)墓夤β?，可采用大芯徑或大?shù)值孔徑光纖，甚至采用光纖傳光束或塑料光纖，以提高與光源的耦合效率。在相位調(diào)制型光纖傳感器中，為了獲得測試光信號(hào)與參考光信號(hào)間高的相干度，而采用保偏光纖，使測試光纖與參考光纖輸出的光信號(hào)的振動(dòng)方向一致。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述而在偏振調(diào)制型光纖傳感器中，要求光信號(hào)的偏振態(tài)能敏感外界被測量的變化，則必須使光纖的線雙折射盡量地低，如用低雙折射液芯光纖。在分布式光纖傳感器中，為測量不同點(diǎn)的參量，可采用摻雜（如某些稀土元素或過渡金屬離子）光纖或光柵光纖等。10.1.3光纖傳感器的分類光纖傳感器分類通常有三種分類法，分別是按傳感原理（調(diào)制區(qū)）分類法、按光纖中光波調(diào)制方式分類法和按測量對(duì)象分類法等。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述一、傳感原理分類法被測信號(hào)對(duì)光纖中光波參量進(jìn)行調(diào)制的部位稱為調(diào)制區(qū)。根據(jù)調(diào)制區(qū)以及光纖在光纖傳感器中的作用，可將光纖傳感器分為非功能型（傳光型，NonFunctionalFiber，NFF型)光纖傳感器和功能型（傳感型，F(xiàn)unctionalFiber，F(xiàn)F型)光纖傳感器。1.非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器在傳光型光纖傳感器中（如圖10-2所示），調(diào)制區(qū)在光纖之外，被測量通過外加調(diào)制裝置對(duì)進(jìn)入光纖中的光波實(shí)施調(diào)制，發(fā)射光纖與接收光纖作為光傳輸介質(zhì)，僅起傳光作用，上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述對(duì)被測量的“感知”功能依靠其他功能元件完成。傳感器中的光纖不連續(xù)，有中斷，中斷部分接其他敏感元件。傳光型光纖傳感器調(diào)制器主要利用已有的其他敏感材料，作為其敏感元件。這樣可以利用現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度。傳光介質(zhì)光纖采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。目前，傳光型光纖傳感器占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述2.功能型（或稱傳感型）光纖傳感器傳感型光纖傳感器調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，被測量通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對(duì)光波實(shí)施調(diào)制。傳感型光纖傳感器利用對(duì)被測量具有敏感和檢測功能的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體。該類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時(shí)利用光纖在外界因素(彎曲、相變等)的作用下，使其某些光學(xué)特性發(fā)生變化，對(duì)輸入光產(chǎn)生某種調(diào)制作用，使在光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中與光源耦合的發(fā)射光纖和與光探測器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱全光纖型光纖傳感器，如圖10-3所示。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述傳感型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳光型光纖傳感器簡單，所用光纖連續(xù)，可少用光耦合器件。但是，為了使光纖能感知外界被測量，往往需要采用特殊光纖來做敏感元件，這樣增加了傳感器的制造難度。隨著對(duì)光纖傳感器基本原理的深入研究和各種特殊光纖的大量問世，高靈敏度的功能型光纖傳感器將得到更廣泛的應(yīng)用。二、光波調(diào)制方式分類法光纖傳感器原理的核心是如何利用光的各種效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測量的“傳”和“感”的功能。從圖10-2和圖10-3可知，光纖傳感技術(shù)的核心即被測量對(duì)光波的被調(diào)制。研究光纖傳感器的調(diào)制，就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測量的相互作用。被測量可能引起光的某些特性（如強(qiáng)度、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等）變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、相位、頻率、波長和偏振態(tài)等調(diào)制。根據(jù)被測量調(diào)制的光波的特征參量的變化情況，可將光波的調(diào)制分為：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、波長調(diào)制、頻率調(diào)制和偏振調(diào)制五種類型。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述三、按測量對(duì)象分類法光纖傳感器按測量對(duì)象的不同，如溫度、壓力、應(yīng)變、電流等，可分為光纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖應(yīng)變傳感器、光纖電流傳感器等。10.1.4光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，其主要特點(diǎn)是：(1)抗電磁干擾，電絕緣性好，耐腐蝕，本質(zhì)安全。由于光纖傳感器利用光波獲取和傳遞信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕，本質(zhì)安全的傳輸介質(zhì)，不受電磁干擾，也不影響外界的電磁場，對(duì)被測介質(zhì)影響小。這使它在電力、石油、化工、冶金等強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離的有效傳感。上一頁下一頁返回10.1 光纖傳感技術(shù)概述(2)靈敏度高。利用光波干涉技術(shù)和長光纖可使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。(3)光纖質(zhì)量輕、體積小、外形可變。利用光纖這些特點(diǎn)可構(gòu)成外形各異、尺寸可變的各種傳感器。(4)測試對(duì)象廣泛。目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、水聲、電流、電壓、磁場、電場、核輻射等光纖傳感器。(5)光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小，光纖傳感器頻帶寬，便于復(fù)用和構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，利用現(xiàn)有光纖通信技術(shù)組成遙測傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。(6)成本低。有些光纖傳感器其成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器；而有些光纖傳感器由于其特殊性能，它與現(xiàn)有儀器結(jié)合，將使其性價(jià)比大大提高。上一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器為便于對(duì)光纖傳感器的本質(zhì)特性的理解，下面按光纖傳感器中光調(diào)制方式分類介紹不同種類光纖傳感的工作原理及應(yīng)用。光強(qiáng)調(diào)制是光纖傳感技術(shù)中相對(duì)比較簡單，使用最廣泛的一種調(diào)制方法。其基本原理是利用被測量的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，來改變光纖中傳輸光波(寬譜光或特定波長的光)的強(qiáng)度(即調(diào)制)，再通過測量輸出光強(qiáng)的變化(解調(diào))實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量的測量。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低；缺點(diǎn)是受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大。下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器10.2.1非功能型光強(qiáng)調(diào)制非功能型光強(qiáng)調(diào)制方法很多，基本調(diào)制方式大致可分為：光束切割型、光閘型、松耦合型和物理效應(yīng)型等。一、光束切割型光強(qiáng)調(diào)制光束切割式光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是，被測量按照一定的規(guī)律控制接收光纖的入射端或發(fā)射光纖的出射端，或特定的反射或透射光學(xué)元件，使其產(chǎn)生相應(yīng)的線位移或角位移，導(dǎo)致進(jìn)入接收光纖的光束被切割，從而對(duì)光纖傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器圖10-4為透射式光纖相對(duì)位移型光強(qiáng)調(diào)制示意圖。其特點(diǎn)是，發(fā)射光纖與接收光纖的端面均為垂直纖軸的平面，兩端面相距2～3μm。通常發(fā)射光纖固定不動(dòng)，使接收光纖的入射端受被測量控制而相對(duì)發(fā)射光纖的出射端產(chǎn)生微量橫向位移、縱向位移或角位移［圖10-4（a）~(c)］，于是進(jìn)入接收光纖的光束強(qiáng)度受位移(即被測量)調(diào)制。為了消除光源波動(dòng)的影響，還可采用差動(dòng)接收方式［圖10-4(d)］，以提高測量精度。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器圖10-5為透射式光束位移型光強(qiáng)調(diào)制的示意圖。其特點(diǎn)是，發(fā)射光纖與接收光纖固定不動(dòng)，在兩光纖端面之間加入某種形式的光學(xué)元件(如球透鏡、楔鏡等)，被測量通過橫向移動(dòng)光學(xué)元件使光束位移來調(diào)制進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)。圖10-5(a)為移動(dòng)球透鏡式移束光強(qiáng)調(diào)制，其靈敏度高，線性好；圖10-5(b)為楔鏡式移束光強(qiáng)調(diào)制。圖10-6為反射式光束位移型光強(qiáng)調(diào)制的示意圖。其特點(diǎn)是，自發(fā)射光纖中射出的光束經(jīng)過受被測量控制的反射面反射后，直接或經(jīng)過轉(zhuǎn)換光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入接收光纖，被測量通過控制反射面與接收光纖入射端面的相對(duì)線位移或角位移，使進(jìn)入接收光纖的光束受到切割，從而對(duì)光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。一般情況下發(fā)射光纖為單根光纖，接收光纖可以與發(fā)射光纖合并為一根，也可以是獨(dú)立的單根光纖或按一定規(guī)律排列的光纖束，光纖端面與其軸線垂直。反射面可以是專設(shè)的平面鏡或棱鏡，也可以是一般物體的反射面或漫射面。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器二、光閘型光強(qiáng)調(diào)制光閘型光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是，在發(fā)射光纖與接收光纖之間加置一定形式的光閘，對(duì)進(jìn)入接收光纖的光束產(chǎn)生一定程度的遮擋，被測量通過控制光閘的位移來制約遮光程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。如圖10-7所示，光閘的形式很多，有簡單的遮光片式、散光式，也有比較復(fù)雜的光柵式、碼盤式等。三、松耦合式光強(qiáng)調(diào)制如圖10-8所示，松耦合式光強(qiáng)調(diào)制的基本原理是，當(dāng)兩根光纖的全反射面靠近時(shí)，將產(chǎn)生模式耦合，光能從一根光纖耦合到另一根光纖中去，稱為松耦合。被測量通過控制松耦合區(qū)的長度或兩光纖的距離(即控制光波耦合程度)來對(duì)接收光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器四、物理效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制目前用于非功能型光強(qiáng)調(diào)制的物理效應(yīng)主要有熱色效應(yīng)、熒（磷）光效應(yīng)、透明度效應(yīng)和熱輻射效應(yīng)等。1.熱色效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制熱色效應(yīng)是指某些物質(zhì)(例如鈷鹽溶液)的光吸收譜強(qiáng)烈地隨溫度變化而變化的物理特性。具有熱色效應(yīng)的物質(zhì)稱為熱色物質(zhì)。例如用白熾燈照射熱色溶液(溶于異丙基乙醇中的CoCl2·6H2O溶液)時(shí)，其光吸收譜如圖10-9所示。吸收譜特征是：在光波長655nm處形成一個(gè)強(qiáng)吸收帶，光透過率幾乎與溫度呈線性關(guān)系；而在光波長800nm處為極弱吸收帶，光透過率幾乎與溫度變化無關(guān)。而且這種熱色效應(yīng)完全可逆的。因此，外界溫度的變化可通過熱色物質(zhì)對(duì)波長655nm處的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。為了消除光源波動(dòng)對(duì)測量精度的影響，還可取波長800nm處的光強(qiáng)作為參考信號(hào)。利用這一效應(yīng)可以制成熱色效應(yīng)光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器2.熒(磷)光效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制熒光效應(yīng)是指某些熒光物質(zhì)的熒光特性隨溫度變化的物理特性。熒光物質(zhì)的熒光現(xiàn)象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律，長波長光輻射(如LED發(fā)出的紅外光)被熒光物質(zhì)吸收，通過雙光子效應(yīng)激發(fā)出短波長輻射(可見光)的熒光現(xiàn)象稱為斯托克斯或上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象。短波長光輻射(紫外線、X射線)被熒光物質(zhì)吸收，激發(fā)出長波長光輻射(可見光)的熒光現(xiàn)象稱為反斯托克斯或下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象。由于雙光子過程致使熒光粉發(fā)射出554nm的綠光，經(jīng)3dB耦合器后通過接收光纖送至探測器D檢測、處理，解調(diào)出探頭處的溫度T0。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器3.透明度效應(yīng)透明度效應(yīng)主要是指某些物質(zhì)透明度隨被測量變化而變化的物理效應(yīng)。如某些化學(xué)試劑對(duì)一定波長光的透明度隨溶液pH值變化，某些半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長光的透明度隨外界溫度變化等。利用這一物理效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)被測量對(duì)光纖中一定波長光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。(1)化學(xué)試劑透明度效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制。某些化學(xué)試劑的透明度對(duì)溶液的pH值很敏感。如酚紅的透明度在紅光區(qū)(λ＝630nm)對(duì)溶液的pH值很敏感，而在綠光處(λ＝560nm)則與pH值無關(guān)；而溴酚藍(lán)在綠光處(λ＝590nm)對(duì)pH值很敏感，利用這一效應(yīng)可以制成測量溶液pH值的光纖傳感器。酚紅透明度效應(yīng)主要用于生理pH值測量，溴酚藍(lán)主要用于水pH值測量。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器(2)半導(dǎo)體透明度效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制。多數(shù)半導(dǎo)體材料具有陡峭的吸收端特性，即凡波長大于吸收端的光波都能穿透，而小于吸收端波長的光波全被吸收。在吸收端波長λg附近的一段范圍內(nèi)透過率曲線為一定斜率的斜線，如圖10-11所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體的透過率曲線向長波方向平移，吸收端波長λg變長。因此，當(dāng)所選擇的光源的輻射譜與λg相適應(yīng)時(shí)，光通過半導(dǎo)體時(shí)透過率τ（λ，T）將隨溫度(T)升高而呈線性規(guī)律遞減。利用這一物理效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)被測量(溫度)對(duì)光纖中的光波強(qiáng)度調(diào)制。例如GaAs、CdTe材料的吸收范圍在900nm附近。利用半導(dǎo)體透明度效應(yīng)研制的半導(dǎo)體光纖溫度傳感器如圖10-12所示。圖10-12(a)為透射式結(jié)構(gòu)，圖10-12(b)為反射式結(jié)構(gòu)，反射式傳感頭輸入/輸出光纖由Y形分路器與傳感頭相連接。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器這種光纖溫度傳感器測量溫度范圍0～200℃，精度±1℃，體積小，傳感頭尺寸3mm×5mm左右，比較適合于電力變壓器或大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫升的測量。4.熱輻射效應(yīng)型光強(qiáng)調(diào)制根據(jù)普朗克(Planck)黑體輻射定律，如果已知物體的比輻射ε，則測出某一波長下的功率密度B就可求得熱輻射體的溫度。根據(jù)這一原理可制成熱輻射光纖溫度傳感器。該類型光纖溫度傳感器屬被動(dòng)式光強(qiáng)調(diào)制，它不需要外加光源，而直接由接收光纖或由藍(lán)寶石光纖制成的黑體腔收集外界熱輻射，然后傳輸光纖送到探測器探測及數(shù)據(jù)處理。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)（如圖10-13所示）由藍(lán)寶石光纖黑體腔、傳導(dǎo)光纖、光電探測和放大器、數(shù)據(jù)采集裝置及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。黑體腔置于溫度測點(diǎn)上，對(duì)高溫進(jìn)行測量。藍(lán)寶石光纖黑體腔目前主要有兩種制作方法，一種是在藍(lán)寶石單晶光纖的一端涂證樣高發(fā)射率的感溫介質(zhì)陶瓷薄層,并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成微型光纖感溫黑體腔,這種感溫介質(zhì)必須能滿足耐高溫、穩(wěn)定性好、且與藍(lán)寶石單晶光纖基體結(jié)合牢固等一系列苛刻的要求。另一種是以藍(lán)寶石單晶光纖為基體，在其一端濺射銥貴金屬感溫介質(zhì)薄膜，構(gòu)成體積微小的感溫黑體腔(熱傳感頭)。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器由于比輻射率ε（λ，T）不是常數(shù)，藍(lán)寶石光纖高溫計(jì)通常采用雙波長探測。設(shè)在波長λ1、λ2下測得功率密度分別為B1、B，則得溫度測點(diǎn)溫度為式中，C1、C2分別為第一、第二輻射系數(shù)。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器10.2.2功能型光強(qiáng)調(diào)制功能型光強(qiáng)調(diào)制區(qū)發(fā)生在傳感光纖內(nèi)，其基本原理是被測量通過改變傳感光纖的外形、纖芯與包層折射率比、吸收特性及模耦合特性等方法對(duì)光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。一、微彎損耗型光強(qiáng)調(diào)制當(dāng)光纖的空間狀態(tài)發(fā)生微小彎曲時(shí)，會(huì)引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，即微彎損耗。光纖微彎損耗與宏觀彎曲損耗的機(jī)制類似，源于空間濾波、模式泄漏和模式耦合效應(yīng)，但起主導(dǎo)作用的是模式耦合，即纖芯中傳輸?shù)膶?dǎo)模耦合到輻射模中隨之輻射到光纖之外。如果被測量按照一定的規(guī)律使光纖發(fā)生周期很小的波狀變化，光纖將沿其軸線產(chǎn)生周期性微小彎曲，如圖10-14所示。此時(shí)光纖中的部分光會(huì)從纖芯折射到包層，不產(chǎn)生全反射，這樣將引起纖芯中的光強(qiáng)發(fā)生變化。因此，可以通過對(duì)纖芯或包層中光的能量變化來測量外界作用，如應(yīng)力、重量、加速度等物理量。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器微彎光纖壓力傳感器由兩塊波形板或其他形狀的變形器構(gòu)成，如圖10-15所示。其中一塊活動(dòng)，另一塊固定。變形器一般采用有機(jī)合成材料（如尼龍、有機(jī)玻璃等）制成。一根光纖從一對(duì)變形器之間通過，當(dāng)變形器的活動(dòng)部分受到外力的作用時(shí)，光纖將發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在纖芯和包層中重新分配。當(dāng)外界力增大時(shí)，泄漏到包層的散射光增大，纖芯的輸出光強(qiáng)減小；反之，纖芯輸出光強(qiáng)增大，它們之間呈線性關(guān)系。通過檢測泄漏包層的散射光強(qiáng)或纖芯中透射光強(qiáng)度變化即可測出壓力或位移的變化。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器二、變折射率型光強(qiáng)調(diào)制在纖芯折射率n1不變的情況下，如果光纖某部位包層折射率n2隨被測量而變化，或者光纖某部位的纖芯與包層的折射率均發(fā)生變化，從而導(dǎo)致傳感光纖的敏感部位漸逝波損耗，即對(duì)光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。改變光纖折射率的方法很多，大致可分為兩種類型。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器一種為裸芯型，主要是剝?nèi)ス饫w敏感部位的包層形成裸芯，將折射率不變的裸芯部位浸入折射率可隨被測量改變的液體中，該液體即形成裸芯部位的包層。當(dāng)被測量變化時(shí)，裸芯部位的包層折射率隨之改變，光纖中的光強(qiáng)即受到調(diào)制。圖10-16所示為兩種光纖液位傳感器，圖10-16(a)為U形光纖液位傳感器，剝?nèi)ス饫w包層的纖芯未與液體接觸時(shí)，纖芯與空氣界面折射率差較大，即數(shù)值孔徑大，纖芯與空氣的全反射臨界角小，傳輸光能量多；當(dāng)與液體接觸時(shí)，纖芯與液體界面折射率差減小，全反射臨界角增大，原來光纖中部分能傳輸?shù)墓饩€將從纖芯與液體界面泄漏，輸出光強(qiáng)減弱。根據(jù)輸出光強(qiáng)變化即可測量液位。圖10-16(b)為單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)圖，光纖端部拋光成45°的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在光纖端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器可構(gòu)成雙探頭的液位報(bào)警傳感器。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器另一種為采用變折射率光纖作為傳感光纖，或在光纖的敏感部位涂覆變折射率包層。圖10-17(a)是利用液體折射率隨溫度上升而減小的規(guī)律，對(duì)光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。圖10-17(b)是利用水中的油滴擴(kuò)散到纖芯上局部改變包層折射率而對(duì)光強(qiáng)調(diào)制。三、變吸收特性型光強(qiáng)調(diào)制用某些對(duì)射線輻射敏感的材料如選用鉛玻璃制成的光纖，其吸收損耗隨敏感射線X射線、γ射線、中子射線輻射量的增加而加大，借此可對(duì)光纖中的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。光纖輻射劑量傳感器如圖10-18（a）所示。這種傳感器靈敏度高，線性范圍大，圖10-18(b)為敏感材料吸收特性與輻射劑量的關(guān)系曲線。光纖輻射傳感器實(shí)時(shí)性好，且結(jié)構(gòu)靈活小巧。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器10.2.3天然氣水合物相變測試用光纖傳感器海洋天然氣水合物是位于深海海底的天然氣（甲烷）在高壓和低溫的條件下與水產(chǎn)生的冰狀結(jié)晶化合物（俗稱可燃冰），是繼煤炭和石油之后儲(chǔ)量巨大的戰(zhàn)略環(huán)保能源，它也可以利用溶于水中的天然氣在模擬深海低溫高壓環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室條件下合成天然氣水合物。為了檢測天然氣水合物的合成條件、過程與效果，南京理工大學(xué)受青島海洋地質(zhì)研究所委托，在我國首次研制成功“天然氣水合物狀態(tài)變化模擬實(shí)驗(yàn)光電探測系統(tǒng)”，如圖10-19所示。該系統(tǒng)主要應(yīng)完成對(duì)高壓平衡釜中水合物溶液及沉積物相變過程的高清晰度攝像監(jiān)測記錄，以及光強(qiáng)透射比變化規(guī)律的測試?，F(xiàn)主要介紹其中用于海洋天然氣水合物的模擬實(shí)驗(yàn)的光強(qiáng)調(diào)制型天然氣水合物相變測試用光纖傳感器。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器該傳感器測量天然氣水合物相變的基本原理是，利用光纖傳感器檢測白光通過海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置高壓平衡釜內(nèi)天然氣水合物液體后，透射比的變化情況來反映釜內(nèi)水合物狀態(tài)變化（相變）的情況與規(guī)律。當(dāng)釜內(nèi)壓力（p）和溫度（T）達(dá)不到水合物生成條件時(shí)，甲烷熔解于水中，釜內(nèi)液體為光透明液體，透射比高；當(dāng)達(dá)到生成條件時(shí)，甲烷與水化合形成天然氣水合物，釜內(nèi)液體的透射比減小。據(jù)此檢測透射比變化來測定釜內(nèi)天然氣水合物的相變。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器光透射比光纖傳感器系統(tǒng)組成如圖10-20

所示，主要包括：光纖冷光源、光纖照明系統(tǒng)、光信號(hào)接收系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換電路以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等。光纖冷光源產(chǎn)生的白光分別耦合到參考光纖束與入射光纖束，其中參考光纖束的光信號(hào)直接傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換信號(hào)處理部分，用于監(jiān)測光源信號(hào)的起伏；入射光纖束將光信號(hào)傳輸?shù)焦獍l(fā)射系統(tǒng)，照射到隨p、T條件變化而狀態(tài)變化的天然氣和水的混合液體，光接收系統(tǒng)中的測試光纖束接收到透射光信號(hào)，其強(qiáng)弱大小可反映天然氣水合物狀態(tài)特性的變化。測試光纖束接收到的光信號(hào)經(jīng)光電探測器接收、轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)數(shù)/模（A/D）轉(zhuǎn)換所要求的電壓信號(hào)（0～5V），送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集口，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，即可得到天然氣水合物狀態(tài)變化過程中透射比隨p、T變化的數(shù)據(jù)和特性曲線。上一頁下一頁返回10.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器該系統(tǒng)中加入?yún)⒖脊饫w束來監(jiān)測光纖光源強(qiáng)度的變化，可大大減小光源光強(qiáng)起伏對(duì)測試精度的影響，當(dāng)光源光強(qiáng)起伏達(dá)±5％時(shí)，光透射比測量精度可控制在±1％以內(nèi)。該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)研究工作中。圖10-21為在高壓平衡釜內(nèi)p、T變化條件下，甲烷在純水中水合物狀態(tài)變化（相變）時(shí)所檢測到透射比變化情況。利用該系統(tǒng)所測得的甲烷在純水中相圖數(shù)據(jù)與其他文獻(xiàn)及預(yù)測值的比較結(jié)果，可以看出，該傳感器可以準(zhǔn)確地檢測出水合物生成和分解狀態(tài)變化。上一頁返回10.3 光相位調(diào)制型光纖傳感器光相位調(diào)制是指被測量按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生相應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測量變化。其基本原理是利用被測量對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)等發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，然后通過相干檢測來確定光的相位變化量，從而得到被測對(duì)象的信息。與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢測靈敏度，且探頭形式靈活多樣，適合不同測試環(huán)境。但要獲得好的干涉效果，須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器10.3.1光相位調(diào)制原理光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類型。第一類為功能型調(diào)制，被測量通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。第二類為薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)調(diào)制，被測量(旋轉(zhuǎn))不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過旋轉(zhuǎn)慣性場中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩光束產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。第三類為非功能型調(diào)制，即在傳感光纖之外通過改變進(jìn)入光纖的光波程差實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖中光相位的調(diào)制。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器一、功能型光相位調(diào)制原理光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸等決定。當(dāng)波長為λ0的相干光波通過長度為L的光纖傳輸時(shí)，相位延遲為式中，β=n1k0為光波在光纖中的傳播常數(shù)，k0為光在真空中的波數(shù)n1為纖芯折射率，L為傳播路徑的長度，k0=2π/λ0。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器當(dāng)傳感光纖受外界被測量如機(jī)械力或溫場作用時(shí)，將導(dǎo)致一系列物理效應(yīng)，使光纖的參數(shù)變化，其中的縱向應(yīng)變效應(yīng)使光纖的長度L變化(ΔL)；橫向泊松效應(yīng)使光纖的芯徑2a變化(Δa)，進(jìn)而導(dǎo)致傳播常數(shù)β變化(Δβ)；彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使光纖的纖芯折射率n1變化(Δn1)。傳感光纖的上述參數(shù)的變化都將引起光纖中的光波相位的變化。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器式中，ΔL、Δn1和Δa分別為光纖長度、纖芯折射率和纖芯直徑變化所引起的相位移。一般情況下光纖的長度與纖芯折射率變化所引起的光相位變化要比纖芯的直徑變化所引起的變化大得多，因此可以忽略纖芯的直徑引起的相位變化。則光波的相位角變化為：上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器二、Sagnac效應(yīng)光相位調(diào)制Sagnac效應(yīng)的基本內(nèi)容是：當(dāng)一環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光路內(nèi)相向傳播的兩列光波之間將因光波的慣性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致光的干涉。如圖10-22所示，一半徑為R的環(huán)形光路，以角速度Ω繞垂直環(huán)路所在平面并通過環(huán)心的軸旋轉(zhuǎn)，環(huán)路中有兩列光波同時(shí)從位置A處開始分別沿順時(shí)針(CW)方向和逆時(shí)針(CCW)方向相向傳播。設(shè)光波在靜止環(huán)路中傳播一周所需時(shí)間為t，則t=2πR/v，v為環(huán)路中的光速，v=c/n1。根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)原理，與環(huán)路旋轉(zhuǎn)同向的CW波列在t時(shí)間內(nèi)遲后到達(dá)A′點(diǎn)，經(jīng)歷的光程為上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器與環(huán)路旋轉(zhuǎn)反向的CCW波列在t時(shí)間內(nèi)超前到達(dá)A′點(diǎn)，經(jīng)歷的光程為CW、CCW兩波列在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的光程差為上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器令S=πR2，為環(huán)形光路的面積。則（10-7）式簡化為(10-8)式說明，在環(huán)形光路中相向傳播的CW、CCW兩光束之間的光程差與環(huán)路的角速度成正比，比例系數(shù)僅與環(huán)路面積及光速有關(guān)，而與環(huán)路中介質(zhì)特性無關(guān)。由（10-8）式，可求出與光程差ΔL相應(yīng)的相位差上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器由（10-9）式可知，利用Sagnac效應(yīng)被測量可通過旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對(duì)光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生相應(yīng)的CW、CCW兩列光波的相位差。10.3.2光纖干涉儀由于目前各類光探測器都不能敏感光的相位變化，所以必須采用干涉技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測量的檢測。光纖傳感器中的光干涉技術(shù)在光纖干涉儀中實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)分離式元件干涉儀相比，光纖干涉儀的優(yōu)點(diǎn)在于：①容易準(zhǔn)直；②可以通過增加光纖的長度來增加光程來提高干涉儀的靈敏度；③封閉式光路，不受外界干擾；④測量的動(dòng)態(tài)范圍大等。傳統(tǒng)的馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀、法布里-珀羅(F-P)干涉儀、邁克爾遜(Michlson)干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀都能制成相應(yīng)的光纖干涉儀。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器1.光纖馬赫-澤德干涉儀馬赫-澤德干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖10-23所示，激光器發(fā)出的相干光通過一個(gè)3dB耦合器分成兩個(gè)相等的光束，分別在信號(hào)臂光纖S和參考臂光纖R中傳輸。外界信號(hào)S0(t)作用于信號(hào)臂，第二個(gè)3dB耦合器把兩束光再耦合，并又分成兩束光經(jīng)光纖傳送到兩個(gè)探測器中。根據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測器收到的光強(qiáng)分別為：上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器式中，I0為激光器發(fā)出的光強(qiáng)；α為耦合系數(shù)；Δ為兩臂之間的相位差，包括S0(t)引起的相位差。(10-10)式表明，馬赫-澤德干涉儀將外界信號(hào)S0(t)引起的相位變化變換成光強(qiáng)度變化，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)即可將信號(hào)S0(t)從光強(qiáng)中解調(diào)出來。2.光纖邁克爾遜干涉儀圖10-24是光纖邁克爾遜干涉儀的調(diào)制原理。激光器發(fā)出的光被3dB耦合器，分成兩路入射到參考臂光纖R和信號(hào)臂光纖S，分別到達(dá)固定的光纖反射端面和可動(dòng)光纖端面，反射回來的光再經(jīng)3dB耦合器耦合到光探測器，外界信號(hào)S0(t)作用于可移動(dòng)的信號(hào)臂。與馬赫-澤德干涉儀類似，探測器接收到的光強(qiáng)為：上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器式中，I0為激光器發(fā)出的光強(qiáng)；Δ為S與R之間相位差，含S0(t)引起的相位差。3.Sagnac光纖干涉儀圖10-25是一個(gè)Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)，激光器發(fā)出的光由3dB耦合器分成1∶1的兩束光，將它們耦合進(jìn)入一個(gè)多匝(多環(huán))單模光纖圈的兩端，光纖兩端出射再經(jīng)3dB耦合器送到光探測器。探測器接收到的光強(qiáng)也可由（10-11）式表示，其中Δ為相應(yīng)差，由（10-9）式表示。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器設(shè)圓形閉合光程半徑為R，其中有兩列光沿相反方向傳播，當(dāng)閉合光路靜止時(shí)，兩光波傳播的光路相同，沒有光程差；當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速Ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(設(shè)Ω垂直于環(huán)路平面)，這時(shí)順逆時(shí)針傳播光的光程不等，產(chǎn)生一個(gè)光程差，如圖10-22所示。因此利用薩格奈克干涉儀可以測量轉(zhuǎn)速Ω。其最典型應(yīng)用是光纖陀螺，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，無轉(zhuǎn)動(dòng)部分，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖陀螺已成功地用在波音飛機(jī)以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器4.光纖法布里-珀羅干涉儀圖10-26為光纖法布里-珀羅干涉儀的調(diào)制原理。白光由多模光纖經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)入兩端設(shè)有高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的腔體，使光束在兩反射鏡(膜)之間產(chǎn)生多次反射以形成多光束干涉，再經(jīng)探測器探測。其腔體結(jié)構(gòu)分空腔、固體材料和反射式三種。根據(jù)多光束干涉理論，其輸出光強(qiáng)為：上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器式中，I0為入射光強(qiáng)；T為鏡面的透射率；R為鏡面的反射率；Δ為兩相鄰光束的相位差，F(xiàn)為精細(xì)度。分別為：式中，n為F-P腔內(nèi)介質(zhì)折射率；θ為腔體內(nèi)光線與腔面法線的夾角(即入射光線在腔內(nèi)的折射角)；d為兩鏡面之間的距離。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器10.3.3相位調(diào)制型光纖傳感器一、馬赫-澤德光纖溫度傳感器最早用于相位調(diào)制型光纖溫度傳感的光纖干涉儀為光纖馬赫-澤德干涉儀，它是以傳統(tǒng)的馬赫-澤德干涉儀為基礎(chǔ)，用光纖代替自由空間作為干涉光路，減少傳統(tǒng)的干涉儀長臂安裝和校準(zhǔn)的困難，使干涉儀小型化，并可以用加長光纖的方法，使干涉儀對(duì)環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。如圖10-27所示，其包括激光器、分光鏡、兩個(gè)耦合透鏡、兩根單模光纖（其中一根為參考光纖，一根為置于溫度場中測試光纖）、光探測器等。干涉儀工作時(shí)，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束鏡分別送入長度基本相同的測試光纖和參考光纖，兩光纖輸出端會(huì)合在一起，則兩束輸出光即產(chǎn)生干涉，從而出現(xiàn)干涉條紋。當(dāng)測試光纖受溫度場作用時(shí)，產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋移動(dòng)。干涉條紋移動(dòng)的數(shù)量反映了被測溫度的變化。光探測器接收干涉條紋的變化信息，并輸出到適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到測量結(jié)果。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器光纖溫度傳感器靈敏度以及相位移由下式給出：式中，為相位移；Δ為相位移變化；ΔT為溫度變化；n1光纖纖芯的折射率；εL為光纖的軸向應(yīng)變；εr為光纖的徑應(yīng)變；p11、p12為光纖的光彈系數(shù)。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器（10-14）式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)代表溫度變化引起的光纖光學(xué)性質(zhì)變化而產(chǎn)生的相位響應(yīng)；第二項(xiàng)代表溫度變化使光纖幾何尺寸變化引起的相位響應(yīng)。當(dāng)干涉儀使用的單模光纖的規(guī)格與長度已知時(shí)，則光纖的溫度靈敏度等有關(guān)參數(shù)就是確定值。利用單模光纖的典型參數(shù)值上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器二、法布里-珀羅光纖溫度傳感器法布里-珀羅光纖溫度傳感器由光纖法布里-珀羅干涉儀組成，如圖10-28所示。它包括激光器、起偏器、顯微物鏡、壓電變換器、光探測器、記錄儀以及一根F-P單模光纖等。F-P光纖是一根兩端面均拋光的并鍍有多層介質(zhì)膜的單模光纖，它是干涉儀的關(guān)鍵元件。F-P光纖的一部分繞在加有50Hz正弦電壓的壓電變換器上，因而光纖的長度受到調(diào)制。F-P光纖干涉儀中，只有在產(chǎn)生干涉的各光束通過光纖后相位差Δ均為mπ(m是整數(shù))時(shí)，輸出才最大，因此探測器獲得周期性的連續(xù)脈沖信號(hào)。當(dāng)外界的被測溫度使光纖中的光波相位發(fā)生變化時(shí)，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化。為了識(shí)別被測溫度的增減方向，要求激光器有兩個(gè)縱模輸出，其頻率差為640MHz，兩模的輸出強(qiáng)度比為5∶1。這樣，根據(jù)對(duì)應(yīng)于兩模所輸出的兩峰的先后順序，即可判斷外界溫度的增減方向。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器三、邁克爾遜干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器是根據(jù)相干光的干涉原理制成的，因而不僅靈敏度高，而且動(dòng)態(tài)范圍大，目前普遍被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的水聽器之一。光纖水聽器系統(tǒng)的組成如圖10-29所示，這是含有兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（FRM）的邁克爾遜光纖干涉儀和直接調(diào)制光源的光纖水聽器系統(tǒng)，并采用相位載波（PGC）零差檢測解調(diào)方案。當(dāng)光纖水聽器位于水下時(shí)，由于遠(yuǎn)處螺旋槳發(fā)出的聲波對(duì)光纖水聽器信號(hào)臂與參考臂的作用不同，光通過兩條光纖臂后的相位差Δ會(huì)隨著聲波壓力的變化而變化，相位差Δ的變化會(huì)影響到干涉儀輸出光強(qiáng)的變化，因此，通過對(duì)光強(qiáng)的檢測可以得到有關(guān)聲場的信息。圖10-29中，ω0是光源載波信號(hào)的角頻率；G和H分別為1倍和2倍載波信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)幅度。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器PGC零差檢測方案是一種開環(huán)檢測方案，它利用遠(yuǎn)離水聲信號(hào)頻帶的高頻、大幅度載波信號(hào)對(duì)光纖干涉儀信號(hào)的初始相位進(jìn)行調(diào)制，減少由于相位隨機(jī)漂移對(duì)信號(hào)檢測靈敏度的影響，并通過信號(hào)處理將聲信號(hào)從載波信號(hào)中提取出來。光纖水聽器采用的光纖為傳統(tǒng)的低雙折射單模光纖，光源為半導(dǎo)體激光器，波長為1.31μm，2只光纖耦合器均為3dB光纖定向耦合器。傳感臂纏繞在1只壓電陶瓷上，在干涉信號(hào)中引入頻率為模擬傳感信號(hào)。系統(tǒng)中采用的調(diào)制信號(hào)頻率為30kHz。信號(hào)檢測中電路全部由模擬運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測試，能夠測到較為穩(wěn)定的正弦模擬聲信號(hào)。當(dāng)所加模擬信號(hào)為5Hz～50kHz時(shí)，檢測信號(hào)均能基本無失真檢測。光纖水聽器的聲壓靈敏度為－140dB左右，基準(zhǔn)值為1V／μPa。由于單個(gè)的水聽器無法探測到發(fā)聲源的方位，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需將多個(gè)光纖水聽器進(jìn)行組陣。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器四、光纖陀螺光纖陀螺(FiberOpticGyroscope，F(xiàn)OG)是基于Sagnac效應(yīng)、敏感角速率和角偏差的一種光纖傳感器。光纖陀螺與機(jī)械陀螺相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，并有逐步取代機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀的趨勢。光纖陀螺若按它的原理和結(jié)構(gòu)，可分為干涉型光纖傳陀螺（I-FOG）、諧振型光纖陀螺(R-FOG)、受激布里淵散射光纖陀螺（FRLG）。I-FOG，就其結(jié)構(gòu)而言，又有開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺之分。以其相位解調(diào)方式來看，又可分為自差式和外差式光纖陀螺。其中自差式又分為調(diào)相、調(diào)頻、鋸齒波調(diào)制等形式。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器1.干涉型光纖傳陀螺（I-FOG）I-FOG在結(jié)構(gòu)上其實(shí)就是光纖Sagnac干涉儀，如圖10-30所示。在檢測技術(shù)上，I-FOG利用干涉測量技術(shù)把相位調(diào)制光轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹{(diào)制光，即把光相位的直接測量轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)度測量，這樣就能比較簡單地測出Sagnac相位變化。I-FOG的光纖元器件一般用單模光纖或保偏光纖制作。用保偏光纖制作光纖線圈可得到高性能光纖陀螺。它的局限性是若要提高它的靈敏度就必須增加光纖的長度，一般為數(shù)百米到數(shù)千米，這樣會(huì)使光纖陀螺的體積較大。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器通常把I-FOG分為開環(huán)I-FOG和閉環(huán)I-FOG。開環(huán)I-FOG主要可以用作角速度傳感器，如圖10-30（a）所示。這種光纖陀螺結(jié)構(gòu)很簡單，價(jià)格便宜。但是線性度差(10-3量級(jí))，動(dòng)態(tài)范圍小(10-6量級(jí))。閉環(huán)I-FOG是一種較精密且復(fù)雜的光纖陀螺,如圖10-30(b)所示，主要應(yīng)用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷地設(shè)計(jì)出精度更高的傳感器。目前，這類光纖陀螺優(yōu)化的主要任務(wù)是集成光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器2.諧振型光纖陀螺(R-FOG)圖10-31所示是R-FOG的原理框圖。從激光器發(fā)出的光通過光纖耦合器1分成兩路，再通過光纖耦合器2分別耦合進(jìn)入光纖諧振器，在其中形成相反方向傳播的兩路諧振光。諧振器靜止時(shí)，這兩束光的諧振頻率相等。但諧振器以角速度Ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，他們的諧振頻率不再相等(因?yàn)楣饫w諧振器的光路表觀長度對(duì)這兩路諧振光是不同的)。由Sagnac效應(yīng)，可推得這兩束諧振光的諧振頻率差為：上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器式中，L為諧振器的光纖長度，S為諧振器所包圍的面積，λ為光波長。由(10-15)式可見，通過測量R-FOG中兩諧振光束的諧振頻率差Δf，可以確定旋轉(zhuǎn)角速度Ω。據(jù)共振特性，頻率的變化斜率越大，所檢測到的信號(hào)的靈敏度就高。使用5～10m長的光纖就可以產(chǎn)生所要求的檢測靈敏度。與I-FOG相比，它具有光源穩(wěn)定度高、所用光纖短、受環(huán)境影響小、成本低的優(yōu)勢。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器3.受激布里淵散射光纖陀螺（FRLG）它與環(huán)形激光陀螺(RLG)在原理上都是利用諧振腔中沿相反方向傳播的諧振光頻差與旋轉(zhuǎn)角速度成比例來測量旋轉(zhuǎn)體的角速度。但是，它與RLG不同的是，RLG是利用直流高壓激勵(lì)產(chǎn)生諧振，而它是用泵浦激光源耦合進(jìn)入光纖線圈中，并產(chǎn)生增幅的布里淵散射，在光纖線圈中產(chǎn)生光學(xué)諧振。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器FRLG是基于光學(xué)非線性效應(yīng)的受激布里淵散射而提出的有源光纖陀螺，F(xiàn)RLG用光纖線圈代替了傳統(tǒng)的RLG的激光諧振腔，它與R-FOG具有相似結(jié)構(gòu)。泵浦激光器發(fā)出的光被分成兩束不同路徑傳播的光(分光比1∶1)，這兩束光分別以一定的分光比進(jìn)入光纖敏感環(huán)中沿相反的方向傳播，當(dāng)傳輸光滿足受激布里淵散射的閾值條件時(shí)，分別產(chǎn)生后向散射光，兩束以相反方向傳播的散射光分別沿著與泵浦光相反的方向相遇，在光纖線圈中產(chǎn)生光學(xué)諧振。它用光纖線圈代替了環(huán)形激光腔，不需要高反射率的反射鏡和高真空封裝，因此結(jié)構(gòu)簡化，體積減小，而且生產(chǎn)成本降低，使激光陀螺全固體化。與I-FOG相比結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件少，可直接提供頻率輸出，線性度好，動(dòng)態(tài)范圍大，檢測精度高。上一頁下一頁返回10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器以上三種光纖陀螺經(jīng)過二十多年的研究和探索，第一代I-FOG的研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，中、低精度的開環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用早已廣泛開展，高精度的閉環(huán)系統(tǒng)已日趨完善，并逐步開始應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)。第二代光纖陀螺理論上的檢測精度高于第一代光纖陀螺，現(xiàn)在主要在實(shí)驗(yàn)室中，第三代布里淵散射光纖陀螺，現(xiàn)在還處在理論研究階段。上一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對(duì)象信息的傳感器。偏振調(diào)制是指被測量通過一定的方式使光纖中光波的偏振面發(fā)生規(guī)律性偏轉(zhuǎn)(旋光)或產(chǎn)生雙折射，從而導(dǎo)致光的偏振特性變化，通過檢測光偏振態(tài)的變化即可測出外界被測量。有利用光在磁場中介質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第（Faraday）效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的普克爾(Pockels)效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器等。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影響，因此靈敏度高。下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器10.4.1光偏振調(diào)制原理一、非功能型光偏振調(diào)制1.旋光性非功能型偏振調(diào)制是利用某些透明介質(zhì)本身的自然旋光特性對(duì)光纖中光的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。線偏振光經(jīng)過某些介質(zhì)后其振動(dòng)方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即介質(zhì)的旋光性。如圖10-32所示，旋光介質(zhì)是旋光材料溶液。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器旋光性存在于結(jié)晶材料（如石英晶體）以及一些有機(jī)非結(jié)晶材料（如糖溶液）中。由于旋光材料溶液的旋光性與溶液的濃度有關(guān)，因此可以旋光性測量旋光材料溶液的濃度。另外，可以利用晶體的旋光性，對(duì)溫度、壓力等測量。應(yīng)注意介質(zhì)的旋光性是互易的，即如果偏振光從一個(gè)方向通過介質(zhì)，且偏振方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，則該偏振光沿相反方向通過介質(zhì)時(shí)，偏振方向?qū)⑴c正向通過介質(zhì)時(shí)旋轉(zhuǎn)一個(gè)大小相等方向相反的角度。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器2.非功能型偏振調(diào)制非功能型偏振調(diào)制光纖傳感器一般由發(fā)射光纖、調(diào)制盒和接收光纖及相應(yīng)的光源、探測器與信號(hào)處理電路組成。調(diào)制盒分透射式和反射式兩種，如圖10-33所示。圖10-33(a)為透射式的原理結(jié)構(gòu)示意圖，由起偏器、1/4波片、功能材料、檢偏器組成。圖10-33(b)為反射式的原理結(jié)構(gòu)示意圖。功能材料可以是具有自然旋光特性的介質(zhì)，如石英晶體、含糖水溶液等。不同的功能材料，用于敏感不同的物理量。例如，利用石英晶體旋光性隨溫度變化的規(guī)律敏感溫度，利用糖的水溶液測量含糖度等。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器二、功能型光偏振調(diào)制功能型光偏振調(diào)制主要是利用光纖的磁光、電光、光彈等物理效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)被測量對(duì)光纖中光波偏振態(tài)的調(diào)制。磁光效應(yīng)導(dǎo)致旋光現(xiàn)象，電光效應(yīng)和光彈效應(yīng)導(dǎo)致雙折射現(xiàn)象。1.法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時(shí)其振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強(qiáng)度H成正比，即上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器式中，V為物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場。其測量原理如圖10-34所示。法拉第效應(yīng)和旋光的重要區(qū)別在于法拉第效應(yīng)沒有互易性，如果線偏振光一次通過介質(zhì)旋轉(zhuǎn)θ角，則偏振光沿相反方向返回時(shí)將再旋轉(zhuǎn)θ角，因此，兩次通過介質(zhì)總的旋轉(zhuǎn)2θ角，而不像在旋光性介質(zhì)中那樣為零。2.普克爾效應(yīng)（一次電光效應(yīng)）當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時(shí)，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)，如圖10-35所示。由于雙折射正比于所加電場的一次方，所以普克爾效應(yīng)又稱為線性電光效應(yīng)。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為：式中，n0為正常折射率；de為電光系數(shù)；V為加在晶體片上的電壓；λ為光波長；L為晶體長度；d為場方向晶體厚度。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器3.光彈效應(yīng)在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會(huì)使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力相關(guān)，這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)，如圖10-36所示。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光相位變化為：式中，K為物質(zhì)光彈性常數(shù)；p為施加在物體上的壓強(qiáng)；L為光波通過材料的長度。此時(shí)，圖10-36中檢偏器出射光強(qiáng)為：上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)可以構(gòu)成壓力、振動(dòng)、位移等光纖傳感器。10.4.2光偏振態(tài)的檢測由于探測器不能直接探測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信號(hào)直接測量，或轉(zhuǎn)換為光相位移利用干涉法測量。轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)信號(hào)的辦法有兩種，即單光路法和雙光路法，如圖10-37所示。單光路法即正交偏振鑒別法，就是在輸出端加置偏振方向與起偏器P1的偏振方向正交的檢偏器P2，P2對(duì)輸出偏振光的偏振方向進(jìn)行鑒別，如圖10-37(a)所示。設(shè)輸入光強(qiáng)為I0，則輸出光強(qiáng)I為：上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器式中，θ為偏振面偏轉(zhuǎn)角。從檢測方法看，這種方法與光強(qiáng)調(diào)制相似。雙光路法用沃拉斯登棱鏡WP將偏振器P2輸出的正交偏振分量分開兩路輸出，分別為探測器D1和D2接收，如圖10-37(b)所示。則D1和D2接收到的光強(qiáng)信號(hào)分別為：上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)加、減和除后直接得到偏振面的偏轉(zhuǎn)角θ，即：10.4.3偏振調(diào)制型光纖傳感器應(yīng)用1.光彈性式光纖壓力傳感器

利用光彈性效應(yīng)測量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖10-38。LED發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45°的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測出壓力的變化。其中1/4波片用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，圖10-39為另一種檢測方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差／和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無關(guān)的輸出。該傳感器的測量范圍為103～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動(dòng)、加速度。2.光纖電流傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器中最典型應(yīng)用是高壓傳輸線用光纖電流傳感器，其基本原理是法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）。當(dāng)線偏振光在強(qiáng)度為H的磁場作用下，線偏振光在物質(zhì)中通過的距離L時(shí)電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ大小由（10-16）式?jīng)Q定。根據(jù)安培環(huán)路定律由長直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場H：上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器式中，I為載流導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度；r為導(dǎo)線外任一觀測點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離。由此可見，根據(jù)磁光效應(yīng)，利用光纖傳感器測量出導(dǎo)線外任一點(diǎn)r的磁場強(qiáng)度H，即可得到導(dǎo)線中的電流I。利用光纖測量導(dǎo)線中電流，可以將單模光纖繞在載流導(dǎo)線上，形成一個(gè)半徑為r的螺線管，光纖螺線管的光纖長度為L。在強(qiáng)度為H的磁場作用下，通過光纖的線偏振光的振動(dòng)面將會(huì)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，只要檢測出這個(gè)偏轉(zhuǎn)角即可知道導(dǎo)線中電流I的大小，如圖10-40所示。上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器目前常采用將振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)角的信息變換成光的強(qiáng)度后再進(jìn)行測量。當(dāng)光纖材料和光纖螺線管確定后，由激光器出射后經(jīng)起偏器所形成的線偏振光，經(jīng)顯微物鏡耦合通過光纖到達(dá)檢偏器時(shí)的振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)角僅與電流I有關(guān)（實(shí)際上是電流在半徑r處所產(chǎn)生的磁場H）：上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器設(shè)載流導(dǎo)線中的電流I=0時(shí)，線偏振光振動(dòng)方向在檢偏器處的與Y軸平行，檢偏器P（普通檢偏器）的方位為φ，如圖10-41所示；I≠0時(shí)的方位為θ，在P上的投影（即光探測器的輸出信號(hào)強(qiáng)度）為J，則上一頁下一頁返回10.4 光偏振調(diào)制型光纖傳感器在θ=0附近，φ=±45°時(shí)檢測的靈敏度最高。也就是說，為了獲得較高的靈敏度，檢偏器的方位應(yīng)與I=0時(shí)到達(dá)線偏器的線偏振光的振動(dòng)方向成45°角。此時(shí)：通常θ很小，所以，sin2θ≈2θ。由此可見，J與I呈線性關(guān)系。即光探測器輸出信號(hào)強(qiáng)度與電流大小呈線性關(guān)系。上一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器光纖傳感器的波長調(diào)制就是利用外界因素改變光纖中光能量的波長分布或者說光譜分布，通過檢測光譜分布來測量被測參數(shù)，由于波長與顏色直接相關(guān)，波長調(diào)制也叫顏色調(diào)制。其原理如圖10-42所示，光源發(fā)出的光能量分布為Pi(λ)，由入射光纖耦合到傳感頭S中，在傳感頭S內(nèi)，被測信號(hào)S0(t)與光相互作用，使光譜分布發(fā)生變化，輸出光纖的能量分布為Po(λ)，由光譜分析儀檢測出Po

(λ)，即可得到S0(t)。下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器通常波長調(diào)制方式有：利用黑體輻射進(jìn)行波長調(diào)制、利用磷光(熒光)光譜的變化進(jìn)行波長調(diào)制、利用濾光器參數(shù)的變化來進(jìn)行波長調(diào)制和利用熱色物體的顏色變化進(jìn)行波長調(diào)制等幾種。這幾種方式本質(zhì)上是光強(qiáng)調(diào)制，前面已作介紹，這里就不重復(fù)。近20年來，尤其近幾年迅速發(fā)展起來的光纖光柵濾光技術(shù)為功能型光波長調(diào)制技術(shù)開辟了新的前景。下面對(duì)光纖光柵在光纖傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器10.5.1光纖光柵光波長調(diào)制原理1.光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的工作原理由第3章可知，在FBG中，滿足Bragg條件的入射光將被FBG反射，反射光波中心波長λB=2neffΛ，即Bragg波長。由于光纖光柵的柵距Λ是沿光纖軸向分布的，當(dāng)FBG所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使反射光的波長發(fā)生變化，通過被測量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的變化引起的中心波長漂移可表示為：式中，ε為外加應(yīng)變，μ為橫向形變系數(shù)(泊松比)，Pij為光彈性張量的普克爾壓電系數(shù)，α為光纖材料的熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量。如利用磁場誘導(dǎo)的左右旋極化波的折射率neffl、neffr變化不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的直接測量。磁場誘導(dǎo)的折射率變化為：上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器式中，V為弗爾德常數(shù)，H為被測磁場，λ為工作波長。對(duì)應(yīng)的左右旋極化波中心反射波長λBl和λBr為：通過測定λB的漂移，就可得到磁場H的變化信息。此外，通過特定的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度的分別測量，也可同時(shí)測量。通過在光柵上涂覆特定的功能材料(如壓電材料)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電場等物理量的間接測量。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器2.啁啾光纖光柵傳感器的工作原理上面介紹的光柵傳感器系統(tǒng)中光柵的幾何結(jié)構(gòu)是均勻的，對(duì)單參數(shù)的定點(diǎn)測量很有效，但在需要同時(shí)測量應(yīng)變和溫度或者測量應(yīng)變或溫度沿光柵長度的分布時(shí)，就顯得力不從心。一種較好的方法就是采用啁啾光纖光柵傳感器。啁啾光纖光柵由于其優(yōu)異的色散補(bǔ)償能力而應(yīng)用在高比特遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中。與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了ΔλB的變化外，還會(huì)引起光譜的展寬。這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn／dT)僅影響重心的位置。通過同時(shí)測量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測量應(yīng)變和溫度。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器3.長周期光纖光柵(LPG)傳感器的工作原理長周期光纖光柵(LPG)的周期一般有數(shù)百微米，長度為1～30cm，折射率調(diào)制深度遠(yuǎn)小于10-4。LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進(jìn)包層：上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器式中，nco為纖芯的折射率，n

(m)

cl為m階軸對(duì)稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。一個(gè)獨(dú)立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長范圍上有許多的共振，LPG共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長位移，通過檢測ΔλL，就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而LPG適用于多參數(shù)傳感器。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器10.5.2波長調(diào)制的解調(diào)方法光纖光柵傳感器的解調(diào)系統(tǒng)技術(shù)比較復(fù)雜，近來人們研究了各種波長分析器以完成λB位移的檢測。關(guān)于波長調(diào)制的解調(diào)方法很多，主要有光譜分析法、波長掃描法、光學(xué)濾波法和相干法等。下面對(duì)這些解調(diào)方法作簡要介紹。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器1.光譜分析法光譜分析法的基本原理是，將傳感探頭的輸出光經(jīng)光纖送至分光計(jì)分光，由CCD探測器檢測不同波長的光強(qiáng)分布，一旦λB偏移，光強(qiáng)分布即發(fā)生變動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算分析即可計(jì)算出相應(yīng)的λB偏移量或它所對(duì)應(yīng)的被測量。圖10-43為光纖光柵作傳感探頭的光譜分析法示意圖。圖(a)為前向傳輸方式，圖(b)為后向傳輸方式，參考光柵提供波長λB的參考點(diǎn)。其特點(diǎn)是利用λB光被FBG反射后傳輸光譜中將失去該波長成分而形成譜谷，用光譜分析儀測量的參考FBG及傳感FBG光譜谷之間距(前向傳輸方式)，或參考FBG譜峰與傳感FBG反射光峰之間距（后向傳輸方式），即為被測量，引起的λB偏移Δλ=λ′B-λB。光譜分析儀可以是單色儀，也可以是傅里葉變換光譜儀等。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器2.波長掃描法

波長掃描法是一種極具前途的光波長調(diào)制的解調(diào)方法，基本原理是用一波長與光纖光柵光譜接近且譜寬小于λB反射光的譜線寬度的可調(diào)諧激光光源取代寬帶光源，通過調(diào)諧激光的輸出波長進(jìn)行光譜掃描。由于FBG僅對(duì)滿足式λB=2neff的單一波長進(jìn)行反射，因此也只有當(dāng)λ=λB時(shí)，后向λB反射光才在探測器上產(chǎn)生強(qiáng)輸出，通過可調(diào)諧濾波器將窄帶光源的中心波長鎖定在該狀態(tài)即可測知λB。當(dāng)λB受被測量調(diào)制偏移至λ′B時(shí)，光源L的波長亦隨之調(diào)諧至λ′=λ′B.上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器也可設(shè)置一個(gè)參數(shù)與傳感FBG完全相同的參考FBG，通過調(diào)諧參考光柵的布拉格λB長追蹤傳感FBG的中心波長，直至兩光纖光柵的中心波長相等時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)輸出，則參考FBG的中心波長值即為測得值，如圖10-44所示。這種方法可檢測靜態(tài)波長偏移及低于100MHz的動(dòng)態(tài)波長偏移，測量分辨率較高。3.光學(xué)濾波法光學(xué)濾波解調(diào)法的基本原理是，在光纖光柵的輸出光路中安置濾光器，析出與被測量相應(yīng)的波長偏移，有線性濾波法、非平衡M-Z干涉法和可調(diào)諧光纖F-P濾波法?？烧{(diào)諧光纖F-P濾波法的原理如圖10-45所示。FBG的Bragg反射光經(jīng)3dB耦合器注入可調(diào)諧光纖F-P濾光器(FPF)，鋸齒波電壓加在FPF上使其在光纖光柵特征波長附近掃描，F(xiàn)PF過零點(diǎn)輸出的波長即為光纖光柵特征波長λB?？烧{(diào)諧F-P濾波法可以用于絕對(duì)測量和相對(duì)測量，也可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測量。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器10.5.3光纖光柵傳感器如上所述，光纖光柵是一種波長選擇反射器，反射信號(hào)的波長λB會(huì)受施于光纖上的溫度和應(yīng)變的影響而發(fā)生變化，這種變化稱之為波長位移。采用光纖光柵的溫度和應(yīng)變兩種效應(yīng)，即光纖光柵作敏感元件，可以傳感其他許多物理量，如圖10-46所示，光纖光柵在傳感技術(shù)中應(yīng)用前景十分廣泛，尤其是利用應(yīng)變敏感性可間接測量的物理量很多。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器一、光柵光纖傳感器結(jié)構(gòu)光柵光纖傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖10-47所示。圖中光源為寬譜光源，且有足夠大的功率，以保證光柵反射信號(hào)良好的信噪比，一般可選用ELED。ELED耦合進(jìn)單模光纖的光功率至少為5～10μW。此功率電平為光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)所要求的下限值。光源的波長可選用850nm、1300nm、1550nm。被測溫度或壓力施加于光纖光柵上，由光纖光柵反射回的光信號(hào)通過3dB光纖定向耦合器送到波長鑒別器或波長分析器，然后通過光探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后由計(jì)算機(jī)做分析、儲(chǔ)存，按用戶規(guī)定的格式在計(jì)算機(jī)上顯示出被測量大小。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器圖10-47中的波長鑒別器是波長位移解調(diào)的核心，它包括另一個(gè)3dB光纖耦合器和薄膜干涉濾光片。從光纖光柵反射回的光信號(hào)通過第一個(gè)3dB光纖耦合器后，再由第二個(gè)3dB光纖耦合器一分為二，其中一部分由光探測器直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，另一部分經(jīng)干涉濾光片，再由光探測器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩信號(hào)相除即可得出λB位移量，并表征出被測參量。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器二、分布式光纖光柵傳感器如圖10-48所示，分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)是在一根光纖中串接多個(gè)FBG傳感器，寬帶光源照射光纖時(shí)，每個(gè)FBG反射回一個(gè)不同λBi的窄帶光波。通過單一通道實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測試信號(hào)的采集，這種技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于減少了測試數(shù)據(jù)采集設(shè)備所需的通道數(shù)量，從而降低了測試成本，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測物理量的分布(或準(zhǔn)分布)場值的測量。由于這種傳感系統(tǒng)檢測效率高，并易于形成傳感網(wǎng)絡(luò)，為其實(shí)際應(yīng)用開辟了廣闊的前景。上一頁下一頁返回10.5 光波長調(diào)制型光纖傳感器三、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號(hào)傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多個(gè)傳感器按照一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過同一個(gè)光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感信號(hào)的探測、識(shí)別和解調(diào)的功能。典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖10-49所示，其基本功能部分可概括為：光