第十章 光纤传感技术—5

1、第10章 光纤传感技术 光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。10.5 10.5 光波长调制型光纤传感器光波长调制型光纤传感器 光纤传感器的波长调制就是利用

2、外界因索改变光纤中光能量的波长分布或者说光谱分布，通过检测光谱分布来测量被测参数，由于波长与颜色直接相关，波长调制也叫颜色调制。其原理如图10.22所示，光源发出的光能量分布为Pi()，由人射光纤耦合到传感头S中，在传感头S内，被测信号S0(t)与光相互作用，使光谱分布发生变化，输出光纤的能量分布为Po()，由光谱分析仪检测出Po()，即可得到S0(t)。图图10.42 10.42 波长调制原理图波长调制原理图 通常波长调制方式有:利用黑体辐射进行波长调制、利用磷光(荧光)光谱的变化进行波长调制、利用滤光器参数的变化来进行波长调制和利用热色物体的颜色变化进行波长调制等几种。这几种方式本质上是光

3、强调制，前面已做介绍，这里就不重复。 近20年来，尤其近几年迅速发展起来的光纤光栅滤光技术为功能型光波长调制技术开辟了新的前景。下面对光纤光栅在光纤传感器中的应用进行介绍。 由第3章可知，在FBG中，满足Bragg条件的人射光将被FBG反射，反射光波中心波长B=2neff，即Bragg波长。由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，当FBG所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过被测量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。 温度、应力和应变的变化引起的中心波长漂移可表示为：(1)光纤布拉格光栅(FBG)

4、传感器的工作原理10.5.1 光纤光栅光波长调制原理式中，为外加应变,为横向形变系数(泊松比)，Pij为光弹性张量的普克尔压电系数，为光纤材料的热膨胀系数，T为温度变化量。 如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率neffl、neffr变化不同，可实现对磁场的直接测量。磁场诱导的折射率变化为TdtndnnPPPnneffeffeffeffeffB2)(2121211122(10.28)2VHnnlreffeff(10.27)式中，V为弗尔德常数，H为被测磁场，为工作波长。对应的左右旋极化波中心反射波长Bl和Br为：efflBeffBnnlrr22(10.29)通过测定B的漂移，就可得到磁场H的变化

5、信息。 此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂覆特定的功能材料(如压电材料)，还可实现对电场等物理量的间接测量。(2)啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统中光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用惆啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下惆啾光纤光栅除了B的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的

6、场合是非常有用的，惆啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn/dT)仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。(3)长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 长周期光纤光栅(LPG)的周期一般有数百微米，长度为1-30 cm，折射率调制深度远小于10-4。LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层:)()()(mmclcoLnnn(10.30)式中，nco为纤芯的折射率，ncl(m)为m阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层/空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个

7、很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测L，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。10.5.2 波长调制的解调方法 光纤光栅传感器的解调系统技术比较复杂，近来人们研究了各种波长分析器以完成B位移的检测。关于波长调制的解调方法很多，主要有光谱分析法、波长扫描法、光学滤波法和相干法等。下面对这些解调方法做简要介绍。(1)光谱分析法 光谱分析法的基本原理是，将传感探头的输出光经光纤送至分光计分光，由CCD探测

8、器检测不同波长的光强分布，一旦B偏移，光强分布即发生变动，计算机通过计算分析即可计算出相应的B偏移量或它所对应的被测量。 图10.23为光纤光栅作传感探头的光谱分析法示意图。图10.23(a)为前向传输方式，图l0.23(b)为后向传输方式，参考光栅提供波长B的参考点。其特点是利用B光被FBG反射后传输光谱中将失去该波长成分而形成谱谷，用光谱分析仪测量的参考FBG及传感FBG光谱谷之间距(前向传输方式)，或参考FBG谱峰与传感FBG反射光峰之间距(后向传输方式)，即为被测量，引起的B偏移=B-B。光谱分析仪可以是单色仪，也可以是傅里叶变换光谱仪等。图图10.43 10.43 光谱分析检测法示意

9、图光谱分析检测法示意图(2)波长扫描法 波长扫描法是一种极具前途的光波长调制的解调方法，基本原理是用一波长与光纤光栅光谱接近且谱宽小于B反射光的谱线宽度的可调谐激光光源取代宽带光源，通过调谐激光的输出波长进行光谱扫描。由于FBG仅对满足式B=2neff的单一波长进行反射，因此也只有当=B时，后向B反射光才在探测器上产生强输出，通过可调谐滤波器将窄带光源的中心波长锁定在该状态即可测知B。当B受被测量调制偏移至B时，光源L的波长亦随之调谐至=B。 也可设置一个参数与传感FBG完全相同的参考FBG，通过调谐参考光栅的布拉格B长追踪传感FBG的中心波长，直至两光纤光栅的中心波长相等时产生强输出，则参考

10、FBG的中心波长值即为测得值,如图10.44所示。这种方法可检测静态波长偏移及低于100MHz的动态波长偏移，测量分辨率较高。图图10. 4410. 44参考波长扫描法示意图参考波长扫描法示意图(3)光学滤波法 光学滤波解调法的基本原理是，在光纤光栅的输出光路中安置滤光器，析出与被测量相应的波长偏移，有线性滤波法、非平衡M-G干涉法和可调谐光纤F-P滤波法。可调谐光纤F-P滤波法的原理如图10.45所示。FBG的Bragg反射光经3dB耦合器注人可调谐光纤F-P滤光器(FPF)，锯齿波电压加在FPF上使其在光纤光栅特征波长附近扫描，FPF过零点输出的波长即为光纤光栅特征波长13。可调谐F-P滤

11、波法可以用于绝对测量和相对测量，也可用于动态和静态测量。10.5.3 光纤光栅传感器 如上所述，光纤光栅是一种波长选择反射器，反射信号的波长会受施于光纤上的温度和应变的影响而发生变化，这种变化称之为波长位移。采用光纤光栅的温度和应变两种效应，即光纤光栅做敏感元件，可以传感其他许多物理量，如图10.46所示，光纤光栅在传感技术中应用前景十分广泛，尤其是利用应变敏感性可间接测量的物理量很多。 1.光栅光纤传感器结构 光栅光纤传感器的典型结构如图10.27所示。图中光源为宽谱光源，且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比，一般可选用ELED.ELED耦合进单模光纤的光功率至少为5-10W。此

12、功率电平为光纤光栅解调系统所要求的下限值。光源的波长可选用850 nm、l300 nm、l550 nm。被测温度或压力施加于光纤光栅上，由光纤光栅反射回的光信号通过3 dB光纤定向祸合器送到波长鉴别器或波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机做分析、储存，按用户规定的格式在计算机上显示出被测量大小。图10.27中的波长鉴别器是波长位移解调的核心，它包括另一个3 dB光纤祸合器和薄膜干涉滤光片。从光纤光栅反射回的光信号通过第一个3 dB光纤祸合器后，再由第二个3 dB光纤祸合器一分为二，其中一部分由光探测器直接转换成电信号，另一部分经干涉滤光片，再由光探测器转换成电信号，两信号相除

13、即可得出B位移量，并表征出被测参量。 2.分布式光纤光栅传感器 如图10.48所示，分布式光纤光栅传感系统是在一根光纤中串接多个FBG传感器，宽带光源照射光纤时，每个FBG反射回一个不同Bi的窄带光波。通过单一通道实现对多个测试信号的采集，这种技术的最大优点在于减少了测试数据采集设备所需的通道数量，从而降低了测试成本，并能够实现对待测物理量的分布(或准分布)场值的测量。由于这种传感系统检测效率高，并易于形成传感网络，为其实际应用开辟了广阔的前景。图图10.48 10.48 分布式光纤光栅传感器分布式光纤光栅传感器图图10. 4910. 49光纤光栅传感网络原理图光纤光栅传感网络原理图 3.光纤

14、光栅传感网络 光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构，多个传感器按照一定网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。典型的光纤光栅传感网络结构如图10.29所示，其基本功能部分可概括为:光发射和接收终端、传输线路、传感器阵列和信号处理系统四个部分。 从宽谱光源或者连续扫描激光器出射的光经由光祸合器或光开关后分别到达相应通道的光纤光栅传感器阵列。由于光纤光栅是以波长编码的方式实现传感测量，因此在传感网络中可以采用光开关切换各个通道，互相并无串扰。 各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，从而有效地利用了频带资源。各传感器反射回来的波长信号经过祸合器和可调谐扫描滤波器后被光电探测器接收。当传感器阵列中某个传感器所