（光学工程专业论文）外腔式光纤fabryperot传感新技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着现代测量技术的发展，近二十年来光纤传感器越来越受到人们的重视。 与传统的电类传感器相比，光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分辨率 高、易复用、体积小、重量轻等显著优点。而光纤f a b r y - p e r o t 传感器是技术最成 熟、应用最广泛的光纤传感器之一。论文首先将国际上对光纤f a b r y p e r o t 传感器 的研究历史和现状作了个较为详细的综述，发现虽然光纤f a b r y - p e r o t 传感器的 发展十分迅速，但其也有不足之处。如：一般单个传感器都只能进行单参数测量； 信号弱；复用能力不够强等。课题拟在前人工作的基础上，针对f p i 传感器若干 不足之处，提出一些全新的解决方法。 在详细介绍了光纤f a b r y - p e r o t 传感器的发展并提出了研究方向以后，完成了 如下工作。 i - 分析了f p i 传感器信号解调的几种方法：强度解调方法、相位解调方法和频域 解调方法。并且指出了它们各自的优点和缺点。 i l - 详细分析了高频c 0 2 激光脉冲写入的长周期光纤光栅谐振波长与谐振峰幅值 的温度特性，并进行了实验验证，证明了高频c 0 2 激光脉冲写入的长周期光纤光 栅具有良好的温度传感特性，并且指出其可以应用在紫外光写入长周期光纤光栅 所无法应用的高温情况下。在此基础上，首次将该长周期光纤光栅与e f p i 集成 在同一个石英管中制成l p f g e f p i 集成式温度应变同时测量的传感器，实验结 果证明该集成式传感器的温度测量精度为o 5 ，应变测量精度为2 0 雌。 m 在前人工作的基础上分析了掺铒光纤放大系统的功率传输方程，解释了光放 大系统的基本原理。在国内外首次提出了一种大幅度提高e f p i 传感器信号强度 的新方法，设计出了基于光放大的e f p i 传感系统，将e f p i 信号强度提高了4 个 数量级，并获得较高的信噪比，同时并未提高系统的成本。 在国内外首次提出了一种对光纤e f p i 传感器的变形光纤f i z e a u 传感器 进行空间频率复用的新方法。和前人提出的复用方法相比，该方法的优点在于结 构简单并且复用潜力较大。我们提出了频分复用十个以上光纤f i z e a u 应变传感器 的方法，利用频域解调算法和多项式插值算法克服了测量精度与分辨率的问题， 并进行了初步实验验证，实验表明该传感器复用系统应变测量精度可达l o ， 分辨率达到1 雌。 关键词：光纤f a b r y - p e r o t 传感器，长周期光纤光栅，掺铒光纤， 光纤f i z e a u 传感器，复用，温度，应变 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nm e a s u r e m e n tt e e h n o l o g y , m o r ea n dm o r e r e s e a r c hi n t e r e s t sa r ef o c u s e dt o o p t i c a l f i b e rs e n s o r si nt h e p a s t t w od e c a d e s c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a le l e c t r i c a l s e n s o r s ，o p t i c a l f i b e rs e n s o r so f f e rs e v e r a l o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gi m m u n i t y t oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e , c a p a b i l i t y o fr e s p o n d i n gt oaw i d e v a r i e t y o fm e a s u r a n d s ，h i g h r e s o l u t i o n , c a p a b i l i t yo f m u l t i p l e x i n g , s m a l l s i z ea n dl i g h tw e i f l a t ，a n dr e s i s t a n c et oh a r s he n v i r o n m e n t s e x t r i n s i co p t i c a lf i b e rf a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r s ( e f p i ) i so n eo ft h em o s t s u c c e s s f u lo p t i c a lf i b e rs e n s o r si np r a c t i c e a f t e rd e s c r i b e dt h er e s e a r c hh i s t o r ya n d c t m e n ts t a t u so fe f p i i tc a b es e e nt h a t o p t i c a lf i b e re f p is e n s o r s e x i s ts o m e l i m i t a t i o n s ，s u c ha s ，o n es e n s o rc a no n l ym e a s u r eo n ep a r a m e t e r , s i g n a li sw e e k ，a n d s j 既l s o r sa l eh a r d l ym u l t i p l e x e d ，e t c h e n e a w ew o u l df i n ds o m ew a y st oo v e r c o m e t h e s el i m i t a t i o n s t h em a i nw o r k c o m p l e t e d i ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i s e v e r a lw a y so f d e m o d u l a t i n g t h es i g n a lf r o me f p i s e n s o r s ：i n t e n s i t y - ，p h a s e - a n d f r e q u e n c y - d o m a i n - d e m o d u l a t i o na r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h e i rd i s a d v a n t a g e sa n d a d v a n t a g e sa l ea l s od i s c u s s e d , r e s p e c t i v e l y 1 i t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s o n a n c ew a v e l e n g t ha n dr e s o n a n c ep e a k v a l u ef o rt h el o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g ( l p f g ) w r i t t e nb y t h eh i g hf r e q u e n c yc 0 2 l a s e r p u l s ei sa n a l y z e d s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h a ts u c hal p f gh a s t h eg o o dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a nb eu s e di ne n v i r o n m e n t w i t hh i g h t e m p e r a t u r ew h i c h i sn o t p o s s i b l ef o r t 1 1 el p f gw r i t t e n b y u l t r a v i o l e tl i g h t i t i st h ef i r s tt i m et oi n t e g r a t et h el p f ga n de f p ii naq u a _ r zt u b et om a k e ac o m p a c t s e n s o rw h i c hc a nm e a s u r et e m p e r a t u r ea n ds t r a i ns i m u l t a n e o u s l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a tt h i sk i n do f i n t e g r a t e ds e n s o rc a r la c h i e v eat e m p e r a t u r ea c c u r a c yo f o 5 a n das t r a i na c c u r a c yo f 2 0 l 8 i i i t h ep o w e rt r a n s m i s s i o ne q u a t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f e r b i u m d o p e df i b e r ( e d f ) a m p l i f i c a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d i ti sa l s ot h ef i r s tt i m et h a tp u tf o r w a r dan e w m e t h o dt oi m p r o v et h e i n t e n s i t yo f e f p i s e n s o rs i g n a l a ne f p is e n s i n gs y s t e mb a s e d o n o p t i c a la m p l i f i c a t i o nw h i c hc a r l i m p r o v et h ei n t e n s i t yb y10 4i sd e s i g n e d a r e l a t i v e l yh i g hs n r i sa c h i e v e dw h i l et h es y s t e mc o s ti sn o ti n c r e a s e d 1 1 1 i v i ti s s t i l lt h e f i r s tt i m et o b r i n g f o r w a r da e w m e t l l o do f s p a n a 】- f f e q u e n c y - m u l t i p l e x i n gt h eo p t i c a lf i b e rf i z e a us e r l s o l sw h i c ha r ed e s i g n e do n t 1 1 eb a s i so fe f p i s e n s o r s c o m p a r e dw i t ht h em u l t i p l e x i n gm e t h o du s e di nt l l ef 0 咖e r t i m e ，t h i sm e t h o dh a s 8 0 m ：a d v a n t a g e s , s u c ha ss i m p l es t r u c t u r ea n dag r e a td o t e i l t i a l ai l e wm e t h o dw h i c h c a n m u l t i p l e xm o r e t h a nt e n o p t i c a lf i b e rf i z e a us 七隐抽s e n s o r si n t i t es p a t i a l f r e q u e n c y - d o m a i ni sp u t f o r w a r d ，t h ef r e q u e n c y - d o m a i n d e m o d 山a t i o n 甜l d p o l y n o m i a lv a l u e i n s e r t e da r i t h m e t i ca r eu s e dt oa c h i e v e h i g ha c c u r a c ya n dr e s o l u t i o n 1 h 。e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sk i n d o f m u l t i p l e x e d s e i l s o r ss y s t e r nc a l la c b j e v e t h es t r a i nm e a s u r i n g a c c u r a c yo f + 2 0 1 a ew i t ht h er e s o l u t i o no fl u k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r f a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t r i e s e n s o r s ，l o n gp e r i o d 矗b e r g r a t i n g s ，e r b i u m - d o p e df i b e r , o p t i c a lf i b e rf i z e a us e i l s s ，m u l t i p l e x ， t e m p e r a t u r e , s w m n 1 绪论 i 绪论 1 1 引言 随着现代测量技术的发展，光纤传感器越来越受到人们的重视。与传统的电 类传感器相比，光纤传感器具有不受电磁干扰、适用范围广、分辨率高、易复用、 体积小、重量轻等显著优点。因此，近二十年来人们研制出了各种各样的光纤传 感器【i 】。光纤干涉传感器作为光纤传感器中极为熏要和常用的一类，相对于其它光 纤传感器其主要优点在于分辨率高、动态范围大、精度高以及实现方式灵活【2 1 ，因 此近几年来是一个非常活跃的研究领域1 3 ，可应用于复合材料、大型建筑结构( 如 桥梁等) 、宇航飞行器、飞机等的结构健康监测，以实现所谓的智能结构 4 】。其中 以光纤f a b r y p e r o t 干涉传感器的技术最为成熟和应用最广。 f a b r y - p e r o t 干涉仅( f p i ) 有时也被称为f a b r y - p e r o t 标准具，由两面反射率分 别为丑，和r ，的反射镜和它们之间的间隙l ( 一般称之为腔长) 组成，如图1 1 所 示。自从1 9 世纪末期问世以来 5 l ，f p i 被广泛应用于高精度的分光镜中。直到1 9 8 0 年代早期，人们利用光纤制成了f p i ，1 9 8 0 年代后期，光纤f p i 开始被广泛应用于 温度、应变和复合材料的超声波压力传感中。这些早期的研究工作为光纤f p i 的 进一步发展奠定了坚实的基础，1 9 9 0 年代初期光纤f p i 开始进行商业开发，产生 了很多实用的传感器和其它相关应用。 光纤f p i 对可以导致两个反射端面距离( 即腔长) 发生变化的物理量极其敏 感，而且其传感区域很小， 在很多应用时可以被视为 “点”测量。和其它用于传 感的干涉仪( 如 m a c h - z e l m d e r 、m i c h e l s o n 、 s a g n a c 干涉仪等) 不同，f p i 中没有耦合器，而耦合器会 使得传感器结构和数据处理 更为复杂。对于很多智能结 r 2 l 图1 - 1f a b r y - p e r o t 干涉仪 f i g 1 1f a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t e r 构来说，光纤f p i 近乎是一种理想的传感器，包括那些必须要将传感器嵌入进去 的复合材料或金属。最后，这些实现形式多样、功能齐全的传感器还应该具有很 好的空分复用、时分复用、频分复用和相干复用的能力，以便可以大幅度降低多 重庆大学硕士学位论文 点监控传感系统的成本。 为了对光纤f p i 有一个较系统的认识，本章接下来会对光纤f p i 的原理、构成 多种传感器的结构形式、光学解调方法和复用方法进行一个简要的介绍。然后再 讨论其构成嵌入式传感器以及温度、应变、压力和其它类型的传感器进行总结， 以便为对其进行进一步的研究起到指导的作用。 1 2 f a b r y p e r o t 干涉仪的基本原理 对传统f p i 的数学分析进行得较早，也比较成熟，因此自从光纤f p i 问世以后， 人们对其也进行了类似的分析。由于二者基本构成原理是一样的，因此分析光纤 f p i 时基本上可以照搬传统f p i 的方法，并且得出的结论也基本一样。因此，本小 节得出的f p i 的透射谱和反射谱的表达式对二者都是适用的。 我们令f p i 中单个反射镜的透射率为z ，反射率为r 。，i = l ，2 ，在分析中将 入射光功率被反射镜吸收或散射的一小部分附加损耗忽略不计，因此显然有 r 。+ i = 1 。这样，f a b r y - - p c r o t 干涉仪的反射比r 。和透射比可以分别由下面 的公式表示【6 】： r 。；r , + r ：+ 2 j r , r 2c o s #( 1 1 ) “ 1 + r l r 2 + 2 4 r l r 2c o s 妒 下下 = 垒一 ( 1 2 ) “ 1 + r l r 2 + 2 4 r l r 2c o s 妒 式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 中，r 。表示被f p i 反射的光功率只与入射光总功率只之比， 表示被f p i 透射的光功率鼻与入射光总功率只之比，妒是干涉仪中光来回传播形成 的相位差，可以由下式表示： ；4 t m l( 1 3 ) 这里刀是干涉仪中两镜片之间的介质的折射率，五是自由空间中的光波长。这里还 假设了光经过每个反射面反射时经历了z t 2 的相位转变，而对于绝缘的反射镜， 这样假设是合理的，结果被加入了公式( 1 _ 3 ) 中。 从式( 1 2 ) 中可以看出，当c o s 庐= 一1 即庐= ( 2 m + 1 ) 万( m 为整数) 时，达 到最大值。如果我们定义= 矿一( 2 m + 1 ) x ，则在砩取最大值附近， c o s * 一( 1 一a s1 2 ) ，并且“1 。在两个反射镜反射率相等并且接近于1 的情况下， 公式( 1 2 ) 可以被简化为： t 2 2 而而 1 _ 4 ) 2 1 绪论 式中，r = 风= r ，t = 1 一矗。最大透射比出现在a = 0 时。精细度f 是评价f p i 的优点时常用的指标，定义为相邻的两个透射峰的相位变化与一个透射峰的两边 最大值的半处的两点的相位变化之比。从( 1 2 ) 式可咀看出，7 是尹的周期函 数，周期为2 ，r ，所以相位变化为2 万时，会从一个波峰到另一个相邻的波峰。又 从( 1 4 ) 式可以得出，对于高反射率的反射镜，= ( 1 一r ) 尺时，z 品达到其 最大值的一半。这样意昧着精细度可以表示为： f = 疗月“1 一r ) ( 1 5 ) 这样，在反射镜无损耗的干涉仪中，r = 0 9 时，f = 2 9 8 ：面r = o 。9 9 时，= 3 1 2 6 。 可见反射率对于精细度的影响的很明显的。 上面讨论的是反射率很岛时的情况，而当f a b r y p e r o t 干涉仪的反射率较低时， 条纹的精细度会受到定的限制。再次假设两个反射端面的反射率相等，目口 r = r ，= r ，如果r 1 ，由( 1 1 ) 式和( 1 2 ) 式，可以得出： 矗f p ；2 r ( 1 + c o s 庐) ( 1 6 ) 砀兰1 2 r ( 1 + c o s 矿) ( 1 7 ) 应当注意到这时( r ( 1 时) 精细度会急剧降低。实际上，由精细度的定义出发， 利用( 1 5 ) 式，当r = 0 1 7 2 时，f = l ；而r 0 1 7 2 时，精细度将小于l 。 根据( 1 1 ) 式，将反射镜无损耗的f p i 的反射光与入射光之比和光来回传播 的相位变化的函数关系作图，结果如图1 2 所示。图1 2 中画出了两种反射率的情 况，一种是r = 0 9 ，另一种是r = 0 0 5 。可以看出，利用反射率较小的情况推导 出来的近似公式( 1 6 ) ，其结果与图1 2 中r = 0 0 5 的实际曲线符合得相当好。 r = o 0 5 的曲线近似为正弦分布，这将在光纤f p i 中得到重要的应用。 由 2 【 图】2 无损耗的f p i 的反射光与入射光之比和相位的关系 f i g 1 2d e p e n d e n c eo f r e f l e c t a n c er f po f al o s s l e s sf p o nr o u n d - t r i pp h a s es h i l l 重庆大学硕士学位论文 1 3 光纤f a b r y - p e r o t 干涉仪的结构形式 光纤f a b r y - p e r o t 干涉仪的首次报道是在1 9 8 0 年代初期。最初的实验中，干涉 腔一般由一个单模光纤和一个绝缘反射镜组成【7 ，引，或用端面切割的光纤充当反射 镜f 9 1 。光源一般都是用的氦氖激光器，其发出的光进入光纤f p i 后来回反射形成干 涉，并监控光纤f p i 的反射谱与透射谱。通过这些实验，光纤f p i 对温度和应变的 高敏感性被证实了，而这些正是人们所期望的。 从这些早期的实验开始，人们开发出了很多光纤f a b r y p e r o t 传感器，总的来 说，这些传感器可以被分为两大类：本征型和非本征型。这两类传感器中，光源 发出的光经由光纤传入干涉仪，然后再到探测器。本征型光纤f p i 传感器( i f p i ) 中，两反射面之间的干涉腔由单模光纤构成；雨非本征型光纤f p i 传感器( e f p l ) 中，干涉腔由空气或其它非光纤的固体介质构成。因此在e f p i 中，待测量导致介 质长度改变从面使光程发生变化，形成传感器。两种干涉仪的本质都是利用待测 量引起其腔长的变化，再将干涉信号经由探测器或转变为电信号进行处理，求出 腔长的变化从而得出待测量的变化。 1 3 1 本征型光纤f a b r y - p e r o t 干涉仪( i f p i ) 传感器 三种i f p i 的结构形式如图1 3 所示。图1 3 ( a ) 是最简单的情况，光纤被切断或 磨光的一端形成一个反 射端，而另一个反射端 在光纤内部。图1 3 ( b ) 所示的是最常用的i f p i 的结构，由入射光纤、 反射光纤与之间的光纤 介质构成。另外，干涉 腔还可以由光纤布拉格 光栅组成，见图1 3 ( c ) 。 在i f p i 中用光纤内 部作为反射镜的方法在 1 9 8 7 年首次报道。内部 反射其实是连续的光纤 内部的个完整的部 分，主要制作方法有： 用比普通熔接时更小的 电流和时间将两段去掉 c 0 r l ji j一“i l l 图1 3i f p i 传感器的结构形式 f i g 1 3i f p is o n s o tc o n f i g u r a t i o n s 4 ( a ) ee n d ( c ) 1 绪论 敷层的光纤熔接在一起【1 0 1 1 】；将一段去掉敷层的光纤与一段端面镀了很薄的一层 绝缘膜1 3 1 或金属膜瑚的光纤熔接在一起。 由绝缘膜形成的内部反射镜具有最好的机械性能、最低的光损耗和最宽的反 射率范围。最常用的用作绝缘膜的材料是t i 0 2 ，它的折射率是2 4 ( 熔融的硅的折 射率是1 4 6 ) ，由于在膜与光纤的结合处形成了折射率跃变所以形成了反射。t i 0 2 膜在射频平面磁控系统中溅射形成，或利用电子束蒸发形成，典型的膜厚是 0 0 r i m 左右，熔接时采用比普通熔接时更小的放电电流和熔接时间，造成熔接的不充分， 由几次熔接形成反射镜【1 2 1 。其反射率通常是熔接次数的单调递减函数，因此熔接 时通过控制熔接次数可以在1 1 0 范围内选择合适的反射率。制作过程中足够 仔细的话，反射镜的附加损耗可以小于1 ( o 0 5 d b ) 。如果想要得到超过1 0 的 反射率，就必须通过磁控溅射镀上多层t i o j s i 0 2 膜。在i f p i 中利用多层反射镜可 以在入射波长为1 3 i _ m n 时达到8 6 的反射率，而条纹的精细度可达2 1 1 5 】。 礤p i 传感器的腔也可以由光纤布拉格光栅( f b g ) 反射镜形成【1 6 ，17 l ( 图1 3 ( c ) ) 。 布拉格光栅是利用紫外激光器发出的光经过于涉仪产生干涉后形成的干涉光在单 模光纤中造成纤芯折射率的周期性调制而形成的，光栅的周期为人，通常为了增 强光纤的光敏性以提高写入效率要将光纤载氢。f b g 反射镜的长度是毫米数量级， 比内部反射镜的厚度大几个数量级( 见图1 3 f o ) ) 。f b g 在以2 n a ( n 为光纤的折 射率) 为中心的很窄的波长范围内( 光谱宽度为r u t i 数景级) 具有很高的反射率， 而且通常其附加损耗也很低( o 1 d b ) 。 由于i f p i 干涉腔是由光纤构成的，腔中的光仍然在纤芯中传输，因此i f p 传 感器的腔长不会受到衍射的制约，可以做得很长，日前已经证实可以从1 0 0 p r o 到 l m ，而最常用的腔长是在l c m 左右。 1 3 2 非本征型光纤f a b r y p e r o t 干涉仪( e f p i ) 传感器 图1 4 ( a ) 所示的结构是最早的e f p i 结构之一，并且到目前仍被广泛应用，由 一段切断或磨光的光纤与相距很近的隔膜组成 1 s 。由光纤端面和隔膜的反射面 之间的空气间隙形成干涉腔。当放置好光纤得到合适的腔长( 一般是岬数量级) 后，将光纤永久性地粘在支撑结构上使其固定。由于腔长很短，该传感器可以采 用多模光纤和低相干性的l e d 光源。图1 4 ( b ) 所示的是e f p i 的另外一种结构，在 光纤端面采用了由透明的固体材料制成的膜，因此干涉腔位于膜的内部，由左侧 的光纤一膜交界面和右侧的膜一空气交界面形成反射【2 0 ，2 “。还有一种应用广泛的 e f p i 结构如图1 4 ( c ) 所示，该结构的干涉腔由两段切断或磨光的光纤之间的空气间 隙形成，两段光纤成一条直线排在一个中空的管 2 2 3 。最后一种e f p i 结构有个专 门的名称，叫做“内嵌光纤标准具”( i l f e ) ，如图1 4 ( d ) 所示，由两段单模光纤之 重庆大学硕士学位论文 间的空心光纤形成干涉腔【2 3 。 由于e f p i 的干涉腔中光束的传播不象i f p i 那样被限制在纤芯里，光束的衍射 会带来附加损耗，因此在大多数情况下干涉腔的长度最长只能到几百个微米。 一i - i 工二型 s i n g l em o d eo rmu l t i m o d ef i b e r l ( a ) t r a n s p a r e n t ( b ) f i l m 图1 4e f p i 传感器的结构形式 f i g 1 4e f p i s e r l s o rc o n f i g u r a t i o n s ( c ) ( d ) 1 4 光纤f a b r y - p e r o t 干涉仪的查询方法和复用技术 在大多数电类传感器( 如用于测量温度的热电偶、压电压力传感器等) 中， 原始信号一般是待测量的单调近似线性函数，但光纤干涉传感器就没这么简单了， 由图1 2 可以看出，干涉仪的反射( 或透射) 信号是腔内光相位变化的周期函数。 由于在几乎所有的干涉仪中相位变化都是待测量的近似线性函数，因此未处理的 光信号就是待测量的非线性函数了。如何从光信号中提取由待测量引起的相位变 化，在干涉仪测量系统的工程应用中是一个主要的难题。 复用是光纤传感器设计中另外一个较难解决的问题。这里提到的复用是广义 的复用，包括：一个光源照明多个传感器；一根光纤接入多个传感器；一个探测 器转换多个传感器的信号；一个电信号处理器计算多个传感器的测量值：或者是 上面几种情况的任意组合。复用对于传感器系统非常重要，因为它提供了降低传 感器的成本的途径，这样在多点测量中可以大大改善光纤系统的成本效力。 1 绪论 1 4 1 查询方法 在今天的光纤f a b r y - p e r o t 传感器技术中，用高相干性光源( 激光器) 和低相 干性光源的查询方法都起着重要的作用。相比之下，激光器的灵敏度更高，对动 态测量的响应也更快，但是用一个激光器无法测量“冷启动”后改变范围超过2 石 的相位变化。另方面，以较低速度变化的待测量要求动态范围宽的“绝对测量”， 宽带光源很适用于这种场合。 单波长激光器 图1 5 所示的是监；。 测采用一个激光器的 i f p i 或e f p i 反射信号的 典型实验装置。激光器 发出的光通过一个耦合 器后被光纤干涉仪反 射，然后再反向传播再 一次通过耦合器，最后 进入光电二极管中被转 ； l - t 0d i s l o l o yo i s i g n o lp r o c e s s o r 图1 5 监测光纤f a b r y - p e r o t 传感器反射信号的实验装置 f i g 1 5a r r a n g e m e n tf o rm o n i t o r i n gt h er e f l e c t e dp o w e r f r o maf a b r y - p e r o tf i b e rs e d s o r 换为电信号，在电域内进行处理或者显示。用一个波长为1 3 p m 的半导体激光器 入射i f p 后得到的一些典型反射波形如图1 6 所示【1 ”。激光器串联了一个法拉第 隔离器以抑制逆向传输的光导致激光的不稳定。如果激光脉冲短、驱动电流幅度 小并且干涉仪的腔短，反射信号的幅度在脉冲持续时间内几乎为一常数，如图1 6 f a ) 所示。增加脉冲宽度、驱动电流幅度和干涉腔的长度，i f p i 的反射信号由于激光 器的啁啾会随时间而变化。在发出光脉冲期间，激光器被持续加热，它的频率一 一因此也导致了干涉仪的反射功率随时间改变，如图1 6 ( b ) 所示。因此，在脉 冲持续时间内，反射光信号沿着干涉条纹扫描。 工作在一个恒定偏置电流的激光器( 等幅波条件) 可用于监控光纤干涉传感 器，这时要求干涉仪工作在一个“正交点”，使得反射光功率与相位变化近似成线 性关系。采用这种装置的i f p i 传感器常被用来测量柴油发动机气缸内压力的动态 变化r 2 4 。在监控超声波压力的传感器系统中，常采用一个反馈装置来调节激光频 率使光电探测器的电流保持在一个恒定的平均值，这样可以使传感器锁定在正交 条件【2 5 1 。 在单激光器方案中【2 4 ，2 5 1 ，动态范围的线性区被限制在( 一瓮。j 1 绪论 传感器【3 7 】。每个传感器出来的光经过一个四端口耦合器进入一个光探测器，然后 对探测器的信号进行数字化处理可以得出每个传感器的测量值。r s a d k o w s k i 等人 提出了另外一种方案，该方案的结构与上一种类似，用一个分布反馈激光器和一 个基于微控制器的处理器可以监控多达2 4 个i f p i 传感器【摘。 时分复用 反射型的光纤f a b r y - p e r o t 传感器很适合于用一个脉冲光源来进行时分复用 【i2 】。该系统中，在发送装置与接收装置之间设置了不同长度的光纤延迟线，以便 对每个激光脉冲，探测器在不同的时间接收每个传感器的反射脉冲。在微处理器 的控制下可以对信号进行数字处理。系统中，在相对于脉冲开始经过固定的时间 延迟后对反射波形采样以便可以进行模拟数字转换，并且采样被数字平均。在脉 冲间隔之间调整激光器的直流偏置电流可以使干涉仪输如的同相和正交信号有很 高的灵敏度。同时复用的还有个参考i f p i ，它可以用于纠正激光器波长的摆动 和漂移。 频分复用 频分复用技术允许将多个腔长相隔较近但不同的腰p i 传感器进行复用，f f a r a h i 等人使用了一个半导体激光器作为光源，激光器由锯齿波电流驱动，目的是 使激光器频率产生线性啁啾 i j j 。适当地选择传感器的腔长，使它们是一个与啁啾 率成比例的基本长度的整数倍，可以使i f p i 传感器信号的频率变化与锯齿波频率 成线性关系。用一个带通电滤波器就可以将之解复用。 相干复用 图1 7 所示的w l i 监控方案可以推广到应用于查询光纤网络中不同腔长的 f a b r y - p e r o t 传感器，如图1 8 所示，该方案被称为相干复用【3 8 】。相干复用也要求使 用一个参考干涉仪，参考干涉仪的腔长小于光源的相干长度( 普通的l e d 或s l d 约为1 0 p r o ) 。光源输出的光在到达探测器之前必须要被传感干涉仪和参考干涉仪 都反射或透射。改变参考干涉仪的腔长进行扫描，对每个传感干涉仪来说都会观 察到一个最大的条纹峰值。m s i n g h 等人用石英卤灯做光源，m a c h e l s o n 干涉仪作 为参考干涉仪，在一根单模光纤上串行复用了六个e f p i 应变传感器f 3 明。而s c k a d d u 等人用多模激光器做光源，串行和并行复用了两个i f p i 应变传感器m 】。 v b h a t i a 等人提出了另外一种相干复用方案，将两个不同腔长的e f p i 传感器 在单模光纤上串行排列，用( 1 8 ) 式对其进行光谱分析来确定干涉仅的腔长，光 源的长度比两个传感器腔长都短。解复用时，用一个可扫描的参考e f p i 进行腔长 重庆大学硕士学位论文 扫描，这样只有腔长与参考e f p i 接近的那个传感器才会观察到干涉条纹一。 _ f d i r e c t i o n o fm i r r o rs c a l 3 1l a ； 彻l a l b 缸m ) 图1 8 相干复用方法：( a ) 光学系统；( b ) 从三个腔长分别为工l 、上2 和工3 的f p i 的条纹中计算 f i g 1 8a r r a n g e m e n to fc o h e r e n c em u l t i p l e x i n g ：( a ) o p t i c a ls y s t e m f o rs e n s o r i n t e r r o g a t i o n ；c o ) c a l c u l a t e df r i n g ep a t t v m s f i - o m 也r e ef p i o f l e n g t h 厶，l 2a n d - 3 1 5 光纤f a b r y - p e r o t 嵌入式传感器 传感器用于监测智能结构时，最有用的一点是可以将其嵌入到结构内部，从 而测得其它粘贴于结构表面的传感器无法探测的参数。嵌入式传感器甚至可以在 外界条件变化时( 比如温度升高) 还能够正常、准确地工作，而粘贴于表面的传 感器由于直接和外界接触就无法达到这个要求。另外嵌入式传感器由于处于结构 内部，因此不易损坏，也不易受外界影响。 嚣 叶 n一吼 一 萑 夕一 一b 一 ，阼 邀；c 、j 一 一一 e tlil _i r 矗o鱼哥uoao o a i 瓮h 2 1 绪论 因为在加工一个复合材料结构时，通常需要加温加压，为了要将传感器成功 地嵌入其中，首先该传感器必须能承受形成结构时出现的很高的机械和热应力。 在浇注金属构件时，传感器会经受很高的温度，而当构件冷却至室温的过程中， 传感器又会经受极大的压力。 由熔接形成反射镜的i f p i 传感器是用作复合结构和金属结构中的嵌入式传感 器一个很好的选择，因为无论是石英光纤还是反射镜本身，它们的机械性能都非 常好。对多根包含内部反射镜的光纤做拉力测试的结果表明，其平均抗拉强度为 4 0 k p s i ，大约是普通熔接的光纤的一半 4 2 1 。对于在实验室中的一般处理，该光纤反 射镜的强度足够，不会被应力破坏。 首先用于i f p i 传感器嵌入实验的材料是环氧石墨复合材料 4 3 1 ，整个复合结构 由八片环氧石墨嵌板组成，长宽均为1 5 c m ，厚1 1 衄。嵌板的序列为 0 9 0 倒9 0 佃p u 9 0 o ，9 0 0 ，这里的0 和9 0 分别指每片的石墨纤维相对于顶层处于 平行和垂直方向。i f p i 传感器被嵌入在样本正中并且处于9 0 方向，样本在温度为 1 8 0 、压力为5 3 a r m 的真空容器中放置两小时。 t i s 等人在他们的 实验中将镀有铝反射镜的 i f p i 传感器嵌入石墨和环 氧k e v l a r 纤维片中，并将 个三轴玫瑰形应变传感 器嵌入环氧k e v l a r 纤维中 】。玫瑰形应变传感器的 结构如图1 9 所示，光纤端 面的铝膜形成每个干涉仪 的第二个反射镜。为了测 试这些嵌入传感器，对纤 维片施加压力使之弯曲， 图1 9 三轴玫瑰形i f p i 应变传感器 f i g 1 9t h r e e - i t x i $ s t r a i nr o s e t t ew i m i f p is e n s o r s 然后监测其反射谱。结果表明，在0 5 0 0 9 9 范围内，绝大多数被测传感器的相位 变化是应变的线性函数，而且没有出现较大的滞后。 s w c a s e 等人报道了将三轴玫瑰形e f p i 应变传感器嵌入纯树脂和环氧石墨 复合材料中的实验 4 5 1o 与石墨纤维平行和垂直方向上，在环氧石墨样本中测得的 应变与用固定在表面的电应变计测得值的差别在5 以内，但在与石墨纤维成4 5 。方向上有些不规则。c c c h a n g 等人将具有i l f e 结构的e f p i 传感器嵌入环氧 石墨复合结构中m j ，i l f e 远比其它e f p i 小，因此会在复合材料的机械结构中出 现微扰，另外其对侧面应变的灵敏度比i f p i 传感器要低。 重庆大学硕士学位论文 c e l e e 等人 在实验中将带有绝 缘反射镜和热电偶 的i f p i 嵌入1 6 层石 墨板的第二层与第 三层之间1 47 1 ，然后 通过标准的温度和 压力装置将其加温 加压制成。图1 1 0 显示了干涉仪光相 位变化与温度( 由嵌 入的热电偶测量) 的 关系，整个过程中压 力维持在1 6 9 a r m 这 个恒定的值。在加热 过程中7 0 0 t 附近 和冷却过程中6 0 0 下附近，曲线的斜率 存在突变。这一现象 可能是由于石墨层 中的聚合物去晶( 加 热时) 或结晶( 冷却 时) 造成的应变引起 图1 - 1 1 在浇铸铝的过程中将i f p i 传感器嵌入 的。这个信息对于优 f i g 1 1 1p ”8 8 f 0 。“b e d 8 1 “ga n i f p l i “。啦a l “i n u r e p 矾 化传感器嵌入方法是非常重要的，因为改变制作过程中的温度和压力可以调制去 晶和结晶温度，从而避开对传感器的影响。 i f p i 传感器还可以嵌入铝中【4 8 】，如图】1 1 所示，制作时将熔融的铝倒入石墨 模中浇铸而成。为了防止浇铸过程中破坏空气一金属界面的光纤，将光纤套在一 个无应变的钢管中，结构形成后钢管会被埋入一部分。嵌入的i f p i 传感器对铝热 膨胀导致相位变化的灵敏度要比表面粘贴的传感器高2 9 倍。 s em a s r i 等人将e f p i 传感器嵌入加强混凝土中【4 9 】，实验测得的应变值与用 金属( 电) 应变计测得的值符合得较好，相差在5 以内。 1 6 光纤f a b r y - p e r o t 传感器的应用 1 4 f p 芒i d h i曼l沂i 】绪论 目前，光纤f a b r y p e r o t 传感器应用最广泛的场合是测量温度、应变和压力， 因此在这几个方面的应用也成为研究的热点。另外光纤f a b r y - p e r o t 传感器还可用 于测量位移、磁场和液体流率等。 1 6 1 f a b r y - p e r o t 温度传感器 光纤干涉传感器对温度的灵敏度取决于光程础随温度的变化率。对熔融石英 光纤本征型传感器来说，光程长度的交化主要是由折射率的温度系数决定，比其 热膨胀系数高出一个数量级。实际上，室温下熔融石英的热膨胀系数几乎比所有 的材料都低，而且在低温时会变成负数。