光纤传感技术课件：波长调制型光纤传感器

波长调制型光纤传感器4.1波长调制型光纤传感器的原理和结构4.2传光型波长调制光纤传感器的调制方法4.3波长调制型光纤传感信号的解调方法

4.1波长调制型光纤传感器的原理和结构4.1.1波长调制型光纤传感器的原理

被测参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变；进而根据测量光波长的变化量来确定被测参量的传感方法可以制成波长调制型传感。对于光纤传感器而言，波长调制属于外调制，光纤只起传输光信号的作用，而不是敏感元件。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长λB的调制来获取传感信息，其数学表达式为

λB=2neffΛ

(4.1-1)

式中，neff为纤芯的有效折射率，

Λ是光栅周期。光纤光栅传感器是一种波长调制型光纤传感器。它具有以下明显的优点：

（1）抗干扰能力强。一方面是因为普通的传输光纤不会影响传输光波的频率特性（忽略光纤中的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰。例如：光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。（2）传感探头结构简单、尺寸小（其外径和光纤本身等同），适于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。

（3）测量结果具有良好的重复性。

（4）便于构成各种形式的光纤传感网络。

（5）可用于外界参量的绝对测量（在对光纤光栅进行定标后）。

（6）光栅的写入工艺已经比较成熟，便于形成规模生产。光纤光栅由于具有上述诸多优点，因而获得广泛的应用。4.1.2波长调制型光纤传感器的结构

光纤光栅的保护和封装要注意以下几个问题。

（1）当光纤光栅二次涂敷层材料的杨氏模量较低时，光栅彼长漂移应力灵敏度系数会随涂敷厚度的增加而增加，并随厚度的增加逐渐趋于一恒定值，该恒定值的大小取决于涂敷材料的弹性模量及泊松比，弹性模量越低、泊松比越高，则该恒定值越大。（2）当光纤光栅二次涂敷层材料的杨氏模量超过一定闭值后，光栅波长漂移应力灵敏度系数随涂敷厚度的增加而逐渐减少，且逐渐趋于一恒定值。该值亦由涂敷材料的弹性模量及泊松比决定，弹性模量越高，泊松比越低，则该恒定值越小。

（3）对光纤光栅进行增敏处理，则需涂敷低弹性模量、高泊松比材料;进行去敏处理，则需涂敷高弹性模量、低泊松比材料。（4）涂敷材料对光纤光栅灵敏度系数影响的临界状态由材料弹性模量及泊松比共同决定，两者之间互为正比关系，即随材料泊松比增加，材料的临界弹性模量增加；反之亦然。（5）涂敷工艺对光纤光栅光学特性具有显著影响，随机非均匀涂敷将会造成传感结果的随机漂移，破坏传感系统的重复性及稳定性。

4.2传光型波长调制光纤传感器的调制方法

4.2.1波长调制机理

传光型波长调制光纤传感器在波长(颜色)调制光纤探头中，光纤只是简单地作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。波长(颜色)调制探头的基本部件如图4-1所示。图4-1波长调制传感器探头的主要结构光纤波长(颜色)探测技术的关键是光源和频谱分析器的性能决定传感系统的稳定性和分辨率。大多数波长调制系统中，光源采用白炽灯或汞弧灯。光谱分析仪一般采用棱镜分光计、光栅分光计、干涉滤光器和染料滤光器等仪器实现。由于光源、分光计以及光探测器的性能常常不够稳定，因此，通常测取两个或多个波长的光强信号，进行比值运算，补偿系统误差。

光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。例如，对于人体血气的分析、pH值检、指示剂溶液浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析、法珀滤光器测等。4.2.2光纤pH值传感器

光纤pH值传感器是利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值。图4-2为光纤pH值传感器的一种典型

结构。探头是一个可渗透的薄膜容器，容器内装入直径为

5μm~10μm的聚丙酸醋小球，用指示剂(例如酚红)将小球

染色。图4-2光纤pH值传感器的典型结构酚红染料试剂是一种可逆的具有两种互变状态的指示剂。两种状态即基本状态和酸化状态，每一种状态有不同的光吸收谱线。基本状态是对绿色光谱吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，pH值由酚红试剂对绿光(或蓝光)光谱的吸收量来决定。由于指示剂的透明度在红色区域对pH值非常敏感，在绿色区域却与pH值无关，因此，当白光由光纤导入浸泡在被测溶液中的pH值探头后，经过用酚红染色的聚丙酸酯小球的散射，得到反映溶液pH值的光信号。光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上，通过信号处理系统把这两种颜色（波长）的光强信号的比值测量出来，测量结果直接反映被测溶液的pH值。采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素

所造成的误差。取绿光(λ1=558nm)作调制检测光，红光(λ1=630nm)作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R，则pH值与R的关系为

式中：k、c为常数；L为试剂长度；Δ=pH－pK，其中，pH是酸碱度，pK是酸碱平衡常数。(4.2-1)4.2.3光纤磷光传感器

利用磷光现象制成的光纤温度探测系统如图4-3所示。这个系统基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而改变的原理工作。磷光体在紫外光照射后，会发射与温度有关的光谱如图4-4所示。光谱中红色“a”谱线的强度随温度的升高而增加，而绿色“c”谱线则降低。两者的比值是温度的单值函数，由于这两条谱线被照射谱中的相同部分激励，因而它们的比值与激励光谱基本无关。图4-3光纤磷光温度计图4-4磷光体光谱利用图4-5所示的光学装置能有效地测量并计算出上述比值。图中采用干涉滤光片来进行光谱分析。这里用了两个光谱分量不同的光电二极管进行检测，因此，还需要校正两者的差动漂移。在图示的系统中，通过合适的信号处理和采用秒级的信号积分时间之后，可得到0.1℃的分辨率，准确度为1℃。图4-5相对光强与温度变化的特性曲线两个光电二极管的敏感波长不同，一个对波长为540nm的光敏感，另一个对波长为630nm的光敏感。经光电二极管转换成电信号，再进行信号处理，图4-5所示为所得到的相对光强与温度变化的特性曲线。经校正可以得到输出相对光强与温度呈线性关系。4.2.4光纤黑体温度计

非接触式测温技术是通过测量物体的热辐射能量来确定物体表面温度的。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一——普朗克(Plank)公式表述：

式中：E0(λ,T)是“黑体”发射的光谱辐射通量密度，单位为W·cm－2·μm－1，C1=3.74×10－12W·cm2，为第一辐射常数；C2=1.44×10cm·K，为第二辐射常数；

λ是光谱辐射的波长，单位为pm，T是黑体绝对温度，单位为K。普朗克公式阐明了黑体光谱辐射通量密度、温度和波长三者之间的关系，如图4-6所示。所谓黑体，就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。光纤黑体探测技术就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻、灵敏度高、体积小，探头可以做到0.1mm。图4-6黑体光谱辐射通量密度和温度、波长之间的关系温度探头由光纤和具有薄金属膜的石英遮光体包住的光纤端部组成。薄金属膜做成的壳体和外界热源相接触并感温。根据黑体辐射定律，通过光纤把光能传输到光探测器并转换成电信号。光电流和黑体辐射呈非线性关系。但通过信号处理可以部分地校正成线性，然后进行数字处理和显示。

不用外加光源，只用探头收集黑体辐射，故可制成非常简单的光测高温计。在250℃~650℃范围内，分辨率的典型值是1℃。用这种原理测温的上限受石英的熔点温度的限制，下限受探测器灵敏度的限制。

4.3波长调制型光纤传感信号的解调方法

4.3.1直接解调系统

光纤光栅解调的直接方法是采用光谱仪，光谱分析法作为最基本的测量方法，其基本原理是：将传感探头的输出光经光纤送至分光计，由CCD探测器检测不同波长光的光强分布，一旦光波长偏移，光强分布即发生变动，通过观察光谱仪和计算分析即可算出相应的波长偏移量和它所对应的被测量的变化，如图4-7所示。图4-7光谱仪法波长解调检测示意图这种方法结构简单，适宜于实验室使用。由于受到光谱仪的分辨率的限制，传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足要求；而高分辨率的光谱分析仪分辨率虽可以满足要求，但其价格昂贵、体积庞大。所以，在一个面向实际应用的传感器系统中，采用这类光谱仪检测光纤光栅的波长移位是极不现实的。而且，更重要的是，它不能直接输出对应于波长变化的电信号，这对于测量结果的记录、存储和显示以及提供给控制回路必要的电信号以达到工业生产过程自动控制的目的都是不方便的。4.3.2窄带激光激射扫描系统

1．锁模调制法

图4-8所示为锁模调制法，激光腔由宽带反射镜、传感光栅、掺饵光纤段和声光型锁模调制器(MLM)构成。泵浦光耦合进入激光腔后，改变调制器的频率可以将激光输出锁定在不同的模式下。当调节频率满足f=c/(2L)(L为反射镜与某个FBG构成的腔长)时，激光模式锁定，才形成强烈的激光脉冲，据此来寻址不同的FBG。但应该合理地选择增益介质和锁模调制器，使其在激射一种波长的同时能有效地抑制其他的光纤光栅的波长。图4-8锁模调制法

2．环形腔激射法

图4-9所示为环形腔激射法。所谓环形腔激射法，是指采用可调谐FFP滤波器调节掺饵环形腔的工作波长，当FFP透射波长调谐至某个FBG中心反射波长时，微弱荧光经该FBG后的反射光才能透过FFP，并在环形腔内单向循环放大而激发出强烈激光，通过同步探测其输出光强可寻址各FBG及波长位置。此方法的应力分辨率仅为25με，但适合波分复用传感阵列的解调。图4-9环形腔激射法4.3.3宽带光源滤波扫描系统

1．匹配滤波法

根据光栅分布，匹配滤波法可分为单点匹配FBG解调和分布式匹配FBG解调，工作方式分为反射式和透射式。

匹配滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度，可使用与测量FBG相匹配的FBG进行信号解调。匹配光纤光栅调谐滤波法的优点是检测灵敏度较高，并且系统性价比相比于法珀滤波器要高。但是，匹配光纤光栅调谐滤波法实际上是两只光纤光栅透射谱/反射谱的卷积，因而，卷积输出的谱线相比于原光纤光栅的谱线将被展宽。因此，在分布式传感系统中对待测光纤光栅布拉格波长的最小间距有一定的要求。其次在对匹配光栅的调谐过程中，不可避免地存在啁啾现象，因此，对系统解调输出会造成一定的影响。同时，为了尽量减少匹配光栅在调谐过程中出现啁啾，匹配光栅的调谐范围一般都控制在数纳米之内。

2．可调谐法珀滤波法

1993年，由A.D.Kersey等人提出可调光纤法珀滤波器解调法。对单个光栅采用闭环模式，对复用系统的光栅使用扫描模式，如图4-10所示。宽带光源发出的光经隔离器进入传感光栅阵列，反射光信号经耦合器到达可调谐法珀滤波器，法珀滤波器工作在扫描状态，锯齿波扫描电压加在压电元件上调整腔间隔，使其窄通带在一定范围内扫描。当它与传感光栅的布拉格波长相匹配时，则让传感光栅反射的信号通过。图4-10可调光纤法珀滤波器示意图因此，可由法珀滤波器驱动电压-透射波长关系测得光纤光栅反射峰位置。由于透射谱是反射谱与法珀滤波器透射谱的卷积，能使带宽增加，分辨力减小。为此，在扫描电压上加一个小的抖动电压，可大大提高系统的分辨率。输出经混频器和低通滤波器后测量抖动频率，在信号为零时，所测值为光栅的反射峰值波长。此解调方法具有高灵敏度、光能利用率高、操作简单和FFP调谐范围宽、系统稳定性好等优点，适合用于工程应用的波长位移检测技术，但是高精细度的FFP成本较高，且滤波损耗较大。因此，在保证精度要求下通过某些技术降低系统成本是此方法实用化的关键。曾经有人报道过用光纤法珀滤波器解调检测光纤光栅的布拉格波长移动量，系统对静态物理量测量结果的相关系数为0.996，对时变物理量的测量分辨力为10.9με。4.3.4线性边带滤波法

线性边带滤波法利用滤波器件对光波长响应函数的线性部分，将波长信息转化为强度信息。传感FBG的反射光由耦合器等功率分为两部分：一部分经滤波器后进入探测器；另一部分直接进入探测器放大，成为参考信号，如图4-11所示。滤波曲线方程为

F(λ)=A·(λ－λ0)

(4.3-1)

式中：A为线性滤波器的斜率；λ0为零输出波长，F(λ0)=0时的输出波长。图4-11线性边带滤波器解调法示意图当FBG反射谱移动范围在滤波曲线线性区间时，可以根据式（4.3-1）得到传感光栅中心波长。这种方法消除了光源波动的影响且体积可以做到很小，但是系统的分辨率不高，动态应变测量响应速度也不超过100Hz，而且滤波曲线的线性近似也造成一定的误差。4.3.5干涉解调系统

1．非平衡马赫-泽德尔（M-Z）干涉仪法

非平衡马赫-曾德干涉仪法是在1992年由A.D.Kersey等人提出的，如图4-12所示。宽带光源发出的光经过耦合器入射到传感光纤光栅，其反射光经另一耦合器进入不等臂长的平衡马赫-泽德尔干涉仪，干涉仪把传感光栅的中心反射波长偏移量转化为相位变化量来检测。图4-12非平衡M-Z干涉仪解调系统示意图当FBG的反射波长变化Δλ时，相位变化为

(4.3-2)

式中，n是光纤的有效折射率，d是干涉仪两臂的长度差，λ是FBG反射光的中心波长，故由探测器测知Δφ便可得到FBG波长变化量，从而探知被测外界物理量的大小。该装置可以用来进行动态应变传感。实验中通过反馈在控制压电陶瓷拉伸干涉仪的一臂，使得相差保持在90°，利用这种方法可以构成时分复用分布式传感系统。

非平衡马赫-泽德尔干涉仪检测方法的最大优点是分辨率高，具有低于纳米级的应变分辨率。但在实际的应用过程中，干涉仪的两臂光程差极易受应变、温度等外界因素的干扰，从而产生测量误差，因此该方法仅适用于动态测量。

2．高双折射光纤环境干涉解调法

高双折射光纤环境干涉解调法的系统示意图如图4-13所示。在这种方法中，解调系统采用环形腔结构，其中环形腔的一段光纤为保偏光纤，腔中串接偏振控制器，如图4-13(a)所示。信号光由1端进入，在环境中沿顺时针方向传播的光波称为正向波，沿逆时针方向传播的光波称为反向波。图4-13高双折射光纤环境干涉解调法的系统示意图正向波由耦合器的3端出