第八章 光纤传感调制技术.docx

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第八章光纤传感调制技术

第8章光纤传感调制技术

一、传感器的定义

能够把特定的被测量信息（如物理量﹑化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。

所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。

上述定义包含了以下含义：

传感器是测量装置，能完成检测任务；

其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；

其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物理量，如气、光、电量等

输出量与输入输入有对应关系，并且具有一定的精确度。

二、传感器的组成

一般由敏感元件和转换元件2部分组成

敏感元件：

能直接感受或响应被测量，并输出与之成确定关系的某一另类物理量。

转换元件：

将敏感元件的输出转换为电参量。

有时还有转换电路和辅助电源2部分

传统传感器是以电为基础的，是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。

它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接。

传统传感器

光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。

由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。

光纤传感器

因此，光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号（被测量）的传感技术。

它是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。

光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。

在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：

所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的参量发生变化（如强度（功率，

）、波长、频率、相位和偏振态等），测量这些光参量的变化就是“感知”外界信号的变化。

这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。

所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。

因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从已被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。

外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区（即敏感元件所在区域）。

根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。

一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。

这类光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同时具“传”和“感”两种功能。

与光源耦合的发射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。

功能型

特点：

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。

优点：

结构紧凑、灵敏度高。

缺点：

须用特殊光纤，成本高，

典型例子：

光纤陀螺、光纤水听器等。

另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF型）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器，也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。

非功能型

特点：

光纤在其中仅起导光作用，光照在光敏感元件上受被测量调制。

优点：

无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：

灵敏度较低。

实用化的大都是非功能型的光纤传感器。

拾光型光纤传感器（属于非功能型，但光敏感元件不在回路上）

拾光型

特点：

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。

典型例子：

光纤激光多普勒速度计

辐射式光纤温度传感器

光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为

强度调制光纤传感器

相位调制光纤传感器

频率调制光纤传感器

偏振调制光纤传感器

波长（颜色）调制光纤传感器

由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。

8.1光强调制传感型光纤传感器

光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化。

光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等优点。

常用的类型有：

微弯型、蚀刻型、遮光型和缠绕型。

一、微弯型

当光纤处于微弯状态时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，能量辐射到光纤之外，从而引起损耗。

在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时，将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光纤中传输所经过的路程和入射角发生变化，则光传输时的损耗也发生变化。

例如，当被测面发生伸长时，光纤的弯曲弧度变小，光的入射角变小，光功率的损耗变小；反之，当被测面发生缩短时，光纤的弯曲弧度变大，光的入射角变大，光功率的损耗变大。

由此可以测量表面变形的大小和方向。

微弯效应造成的损耗

可写成如下形式：

式中，

为比例系数；

为齿距；m为齿数目；x为变形幅度；

为纤心半径；b为光纤外半径；Δ为内、外层折射率的差值。

在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定时，则可以认为

二、蚀刻型

当外力作用在蚀刻后的多模光纤上时，光纤长度的变化将引起折射率和LE及LU的变化，进而将引起功耗的变化，此变化大于未蚀刻光纤的功耗的变化，且蚀刻得越深，功耗越多。

实验结果表明，光纤长度变化与功耗成正比，光纤长度变化的灵敏度与蚀刻深度成正比。

三、遮光型

遮光型光纤传感器是将发射光纤和输出光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上使接收光纤只能接收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。

四、缠绕型

缠绕型光纤传感器是将传感光纤缠绕在被测物体上或者由两根或多根多模光纤相互缠绕绞合而成的

随着被测物体的变形，光纤的曲率、节距都在随之变化，光纤的输出光强随之变化，以此来计算被测量的变化。

8.2相位调制型光纤传感器

相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。

由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型光纤传感器又有麦克尔逊（Michelson）干涉型、马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉型、塞格纳克（Sagnac）型及法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉型光纤传感器。

此外还有相位关系检测的布拉格光栅（Bragg-Grating）型、模间干涉型等光纤传感器。

一、麦克尔逊干涉型光纤传感器

下图为迈克尔逊（Michlson）干涉仪

入射平行光束在分光板G1的后表面分为反射光和透射光，传播方向相互垂直，分别垂直入射于反射镜M1和反射镜M2，反射后由原路返回，仍为平行光束，经透镜会聚于一点产生干涉。

分光板G2也称补偿板，其作用是使在M1上反射的光与在M2上反射的光在分光板中的光程相同。

下图为麦克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器的原理图

麦克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器的工作原理：

光源（激光器）发出的光经耦合器后分成两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜M1，经M1反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参考光；

另一路经传感臂到反射镜M2，被M2反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输至光探测器，这束光称为信号光。

传感臂放置在被测场，被测量的变化将引起传感光纤的长度发生变化，则光在光纤内部传输时的相位随之变化。

当参考光与信号光相遇时将发生干涉，干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后光束的相位受被测量的调制。

通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。

麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光属于两光束干涉。

若两束反射光的幅度分别为

，这两束反射光的相位差为

，则光电探测器接收到的光强的数学表达式为

由于

，则

因此，如果

随被测量变化，则光电探测器输出的电信号将随被测量的变化而变化。

这种传感器有两个特点：

其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小；

其二是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。

使用时可放在被测体的内部形成智能结构，也可放在被测体的外部，长期预留。

二、马赫--曾德尔干涉型光纤传感器

马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉型光纤传感器与麦克尔逊干涉型光纤传感器的结构相似，都是由两根光纤（双臂）——信号光纤和参考光纤组成

光源发出光后经过光纤耦合器1分两路至参考光纤和传感光纤中。

传感光纤中的光在传输过程中受被测信号调制成为信号光；参考光纤的光不经过调制直接作为参考光。

两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干涉光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。

（马赫一曾德尔光纤干涉滤波器与上面的马赫一曾德尔干涉仪原理基本相同，但在最后输出时还是有细微的差别。

马赫一曾德尔干涉仪中来个相干光经过分束器2后相互叠加，然后合为一路输出。

而在马赫一曾德尔光纤干涉滤波器中，两个相干光在通过第2个3dB耦合器时，实际上沿着两个光路传播的，只不过这两路光靠得非常近，使得它们相互耦合而交换能量，最后还是从两个光路输出，但这时每个光路输出光功率与光通过第2个3dB耦合器前不同，其变化的程度取决于耦合程度。

）

马赫-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器中的干涉光均属于双光束干涉，由麦克尔逊干涉型光纤传感器得到的干涉光计算公式

可用于马赫-曾德尔干涉型光纤传感器。

马赫-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器的不同点在于：

（1）传感光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中；

（2）光的发射与接收在传感器的两端，属双端操作。

这种传感器于20世纪80年代被广泛研究。

研究结果表明，这种传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反馈。

但它也具有两个缺点：

其一是它所用的光纤较多，使用及安装都比较麻烦；

其二是它需要一个参考光纤，而一般情况下它不和测量光纤安在同一位置，这就使得输入臂与输出臂不对称，从而导致测量的不稳定，环境对其影响较大，限制了这种传感器的应用。

为了克服这些问题，20世纪90年代涌现出了多种衍生方案，如利用光在双折射单模光纤的快、慢轴上传输速度不同的原理构成传感器

双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器的工作原理：

它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振的频率子波从BS1被分为两路射入信号光纤（下）和参考光纤（上），信号臂中

和

子波相位被测量调制。

调制后沿信号光纤快轴Y输出的

子波在光电检测器D1处与参考臂中沿快轴Y传输的

子波进行光学差拍（

），同时信号臂中沿慢轴X传输的

子波与参考臂中沿慢轴X传输的

子波在另一光电检测器D2处差拍（

），两差拍电流又被送入相位解调器，进而得到被测量的变化规律。

其灵敏度较单个的Mach-Zehnder干涉型光纤传感器的灵敏度提高了6倍。

缺点是系统复杂，造价高。

三、塞格纳克干涉型光纤传感器

干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度Ω转动时，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。

若平台以顺时针方向旋转，则顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟。

下面是塞格纳克（Sagnac）干涉型光纤传感器的原理图

原理：

激光器输出的光经耦合器后分为两部分，这两束光分别从两端耦合进入一个多匝（多环）单模光纤环，在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干

CW经历的光程为：

CCW经历的光程为：

两者的光程差为：

其中，

为环包围的面积

对应的相位差

对匝数为N的光纤，对应的相位差

反映相位差

的干涉条纹经耦合器的另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路的角速度。

四、法布里--珀罗干涉型光纤传感器

法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉型光纤传感器的特点：

采用单根光纤利用多束光干涉来检测被测量。

避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，且比Michelson型光纤传感器更适合于低频率变化信号的测量。

因此，这种传感器从20世纪80年代诞生至今一直为主要开发和研究的对象。

Fabry-Perot（F-P）型光纤传感器可分为本征、非本征两种。

1．本征F-P型光纤传感器

这种传感器的传感头的特点为：

（1）光纤F-P腔是由一段光纤和两个端面上的反射镜构成的。

若两个反射镜的反射率不同，则称为非对称本征F-P干涉腔；若两个反射镜的反射率相同，则称为对称本征F-P干涉腔；

（2）构成F-P腔的一段光纤与传光光纤为同一种光纤，便于光纤F-P腔与传光光纤的连接。

（3）所设计的F-P腔的性价比高，入射光与诸束出射干涉光在F-P腔的同侧，便于安装使用；

（4）使用一条光纤完成信号光与参考光的传输，使传感器结构简单、体积小、成本低，特别适用于恶劣的监测环境，它的前景十分乐观。

光纤F-P干涉腔是由一段光纤的两个端面上所镀的反射面形成的。

令

，

，

上式为F-P腔两反射面反射率为任意值时反射光和透射光的数学模型

2．非本征F-P型光纤传感器

这种传感器的传感头的特点为：

光纤F-P腔是由两段光纤的两个端或一根光纤的一个端面和另一个被测面构成。

若两个反射面要平等放置，且一般情况下在两个面上镀上反射率相同反射镜面。

由于两个反射面间是空气，故称为非本征F-P干涉（EFPI）。

其他特点与本征F-P结构相同。

其数学表达式与本征的数学表达式类似。

近年来出现了双F-P腔传感器，

它可以方便地探测加载方向，具有实用价值。

这类传感器的缺点是制作工艺难度较大，如光纤端面镀反射镜的加工、传感头中带有反射镜的光纤与光纤的连接等问题目前还无文献详述。

尽管如此，它们仍是最有希望被广泛应用的光纤传感器。

在麦克尔逊（Michelson）干涉型、马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉型、塞格纳克（Sagnac）型及法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉型传感器四种干涉结构中，以F-P干涉结构最为简单。

它的主要优点是：

（1）F-P干涉结构只用一根光纤就可以实现传感与传光两种功能，因而光路体积小，调整较为简单；

（2）光纤F-P干涉腔是由两个平行反射端面构成的，当入射光进入F-P腔后发生多次反射形成多束反射光与透射光。

由于任何两束反射光（或透射光）都满足干涉条件，因此相遇时会发生干涉，且F-P结构的干涉光光强相对于相位差的灵敏度ΔI/Δφ比其他干涉结构都高；

（3）F-P结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因此若对腔体合理设计，它的抗干扰能力就会比其他干涉结构高得多；

（4）由于F-P结构测量时的灵敏度高，简单的信号处理电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简单、价格相对较低。

这些特点使F-P干涉型光纤传感器成为当今国际上研究的重点之一。

五、布拉格光栅型光纤传感器

Bragg光栅由间距为Λ的一列平行半反射镜组成

Λ称为布拉格间距。

Bragg光栅是在长度上应用特殊的技术制作成的纤心折射率周期性变化的一段光纤。

当光通过光栅时，由于纤心折射率的周期性变化而产生反射。

如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，即使功率反射系数R很小，从第一个反射镜反射出来的总能量Er,tot约为入射的能量Ein。

该特定波长λB强反射的条件是

式中，

为纤心的有效折射率。

就称为光栅的Bragg波长。

一般说来，除满足Bragg波长条件的入射光外的其他光波均被滤掉。

当Λ和ne中的任一个发生变化时都将引起光栅波长的移动，即

因此，当光纤长度产生变化时，则将产生Λ和

的变化。

通过测量这些变化就可以得到待测量。

下图是利用Bragg光栅测量应变的结构框图

BPF是带通滤波器BandPassFilter的缩写。

它在低频应变扰动下的应变的分辨率为0.006

με。

六、模间干涉型光纤传感器

模间干涉型光纤传感器是近几年出现的新型传感器，它利用光纤中不同模式的光信号的传播速度不同而产生相位差的原理来实现被测信号的检测。

设两个不同模的传播常数分别为

和

，传播常数之差为

，则光通过长为L的光纤后，模间的相位差为

模间相位差的变化为

下图是模间干涉型光纤传感器的典型结构图

它的特点是仅需要一根光纤，光路简单，对光源的要求不高；但这种传感器需要的电信号处理电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需的信号。