第四章光纤传感器.docx
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第四章光纤传感器
第四章、光纤传感器
光纤是20世纪50年代发展起来的，并很快被广泛应用。
由于光导纤维具有可弯曲性，且体积小、重量轻、光信号长距离传输损耗小、抗环境干扰能力强等诸多优点，再加上光学干涉测量的诸多优点，使得光纤关涉测量在航空航天（温度、压力、光纤陀螺等）、石油（井下温度、压力测量）、电力（高压输电线路的电压、电流测量）、医疗（血流速、血压测量）等领域得到了广泛应用。
此外，由光敏光纤制作的光纤布拉格光栅，既保留了光纤的诸多优点，还具备了光栅的特性，所以利用光纤布拉格光栅制备成具有上述测量功能的光纤传感器，更开拓了光纤传感器的用。
§4.1激光干涉光纤传感器
一、光纤干涉测量的概念
将光纤代替干涉仪中的部分复杂光路，而发展起来的以单模光纤为基础的干涉系统。
传统的几种干涉仪都可以由光纤组成而成为光纤干涉仪。
光纤干涉仪即可以得到与传统分立式干涉仪相比拟的性能，又克服了传统分立式关涉仪所涉及到的稳定性问题和抗环境干扰问题，从而增强了光纤干涉仪的实用性。
光纤干涉仪就是利用被测物理量改变光纤内传导的光波场的光学特性，比如，压力、应力、温度、电场强度、磁场强度等都可以改变光纤的折射率，而折射率变化就会产生相位差，再通过光波场的干涉，将由物理量所引起的微小相位差变化量、频率变化量转变为可以直接测量的光强变化，从而得到被测物理量的大小。
二、光纤干涉仪的结构形式
光纤干涉仪根据其结构形式基本上可分为四种。
1.Michelson（迈克尔逊）光纤关涉仪
它是基于传统的Michelson干涉仪发展起来的。
光路图如右图。
激光束入射光纤，经3dB耦合器分成光强缉私相等的两光束，分别进入Michelson干涉仪的参考光束臂（光纤）M1和测量光束臂（光纤）M2。
被测物理量置于测量光纤端，影响测量光纤中光波场的相位、频率等，再由反射镜M1、M2将激光束反射回至3dB耦合器，进行干涉后，再耦合到光电探测器，测量由被测物理量所引起的光波场特性的变化（例如干涉条纹变化，每一个条纹对应2π的相位差变化），从而得到被测物理量。
Michelson光纤干涉仪很适合于点测量，可以用来测量震动、位移、应力、温度等，缺点是反射光会反馈到激光谐振腔内，影响激光器的稳定性。
2.Mach-Zehnder（马赫-泽德）光纤干涉仪
激光束经3dB耦合器分成强度近似相等的两光束分别入射参考光纤和测量光纤，被测物理量作用于测量光纤，使光波场的特性发生变化，参考光束与测量光束在另一3dB耦合器中相遇并发生干涉，再将干涉光波场送至光电探测器D1、D2，将被测物理量所引起的相位变化通过干涉条纹转变为光强变化。
由于该干涉仪的结构特点，在该干涉仪中只有少量或没有光波反射回激光谐振腔，故不影响激光器的工作稳定性。
且该干涉仪输出的两路干涉信号位相相反，这非常便于后续电路做辩向、细分等处理，从而使该种光纤干涉仪成为应用最多的结构，可用于测量位移、高电压、大电流、磁场、应力等物理量。
3.Sagnac（萨格奈克）光纤干涉仪
激光束经3dB耦合器分成光强比为1：
1的两光束，分别输入到一个多匝单模光纤圈的两端，两路光反向传播再回到3dB耦合器，在耦合器中相遇并发生干涉，将干涉信号送入光电探测器。
当闭合光纤圈静止时，两束光传播的路程完全相同，故其相位差为0；而当光纤圈相对于惯性空间以ω角速度转动时，则两光路产生非互易性光程差，其干涉条纹的多少就反映了光程差的大小，也就反映出了角速度ω的大小。
最典型的应用就是光纤激光陀螺仪，光纤激光陀螺仪与其他陀螺仪相比，具有灵敏度高、无机械转动、体积小、成本底等优点，是航空、航天及其他导航系统中优选的惯性导航仪。
4.Fabry-Porot（法布里-珀罗）光纤干涉仪
Fabry-Porot光纤干涉仪属于多光束干涉类型。
由光纤传播的激光束，经聚焦透镜进入F-P腔，入射光束在F-P腔内多次反射，形成多光束干涉，由于F-P腔的参数受被测物理量的调制而产生干涉图样，由光电探测器探测出干涉图样，就可以获得被测物理量的数值。
一般是利用F-P腔的腔长或腔内折射率的变化来感知被测物理量（如温度、压力位移、气体浓度等）。
三、光纤干涉仪应用举例
1、F-P光纤干涉气体成分分析系统
F-P腔的两平行端面分别镀有高反射膜，被测气体可从气体注入口注入F-P腔内，如果气体成分、浓度不同，就会引起干涉条纹的变化，从而得到其相应的测量值。
对于F-P标准具多光束干涉增强的条件为：
m—干涉条纹的级次，为正整数，d—F-P腔的长度，n---腔内折射率，θ---腔面法线与入射光线的夹角。
在上述光路中，
。
D为定值，n发生变化就会导致干涉条纹变化，测量干涉条纹的变化量，就可以得到折射率n的变化量，而n的变化又是由气体的成分、温度、压力等物理量引起的，所以，通过测量折射率n的变化量，就可以获得气体成分、压力、温度等参数。
2、Mach-Zehnder光纤干涉仪测量温度、压力
测量光纤置于被测温度（压力）场中，参考光纤置于恒温（恒压）场中，当被测温度（压力）变化时，测量光纤的折射率n就会产生变化量
，从而引起相位变化
干涉条纹变化，通过测量干涉条纹的变化，得到对应的相位变化量
3、干涉型光纤应变传感器
如图所示，在被测梁AB的上、下两面分别往返贴上光纤。
激光器发射的光分成两束后分别导入这两根光纤，会合于输出端，在屏幕上形成干涉条纹。
若在B端使一外力（如图4.7），被测梁发生弯曲形变，上部光纤伸长、下部光纤缩短，两传输光的光程差发生变化，于是屏上的干涉条纹发生移动，可用条纹的移动数目度量梁的弯曲程度。
这种传感器体积小，灵敏度高，若梁长30cm，厚0.5cm，激光波长0.6328
，则梁的端头位置变化10
时，干涉条纹就会移动一条.
4、干涉型声波光纤传感器
干涉型声波光纤传感器示意图如右图所示。
激光器射出的激光分别导入敏感臂光纤和参考臂光纤。
敏感臂光纤受声波压力作用，长度和直径均发生变化，在其中传播的光的相位因而发生变化，并与另一路由参考臂光纤传出的光互相干涉，再通过光检测器转变为与声压成正比的电信号.
检测器输出的信号为：
式中
是光检测器的灵敏度；Ps、Pr，分别是信号光强和参考光强；
是干涉效率；
是无声波时信号光和参考光的相位差，通常因声压引起的
很小，当
=π/2时，输出i的变化为：
这就是与声压成正比的声传感器的输出。
这种传感器信噪比比较高。
当传感器与声波作用的光纤长lm，输入功率为lmw，检测器带宽为1Hz时，传感器的检测下限与人类对1kHz的可听极限（20
Pa）相当。
5、金属封装的光纤F-P干涉型温度传感器
此传感器的依据是利用温度改变Fabry-perot干涉仪的干涉条纹来测量外界温度。
其结构如图4.9所示。
该传感器采用温度敏感的金属材料作为法珀腔的腔体，利用高精度位移机构将光纤两端插入金属毛细管中形成低精细度的光纤法珀腔。
光纤在金属管的两端通过胶粘的方式固定。
当外界温度发生变化时将直接导致金属毛细管的热膨胀，带动插入金属管内的光纤移动，从而引起光纤法珀腔的腔长变化。
采用这种方案，避免了胶直接作用于光纤法珀腔腔体上，消除了由于涂胶不匀引起的应力不均匀现象，简化了封装工艺。
同时，金属毛细管的长度即为该温度传感器的标距，它将决定传感器的灵敏度。
该传感器的核心结构为光纤法珀干涉腔（F-P腔）。
在使用低相干光源时，由于低相干光源都具有一定的光谱宽度，因此可看成是多个波长，
的迭加。
光入射到F-P腔后，不断地在F-P腔的2个端面之间进行反射和透射，形成多光束干涉。
当F-P腔的腔长是传输光半波长的整数倍时，反射光强最大。
通过对峰值波长移动量的测量即可得到待测温度的变化情况，该传感器具有灵敏度与传感器的标距成正比的特性，可以通过改变标距的方法方便地调整传感器的灵敏度。
6、光学-干涉型电场传感器
图4.10光学-干涉型电场传感器
集成光路器件可构成多种结构来进行电场测量，最常见的是在
衬底上制造的
干涉仪波导器件，具有大的电光系数，因而灵敏度高，很适合于电场传感测量应用。
电磁场传感器如图4.10所示，它具有很好的线性、微伏级灵敏度和大于
的动态范围，干涉仪两臂长度相差
n=λ/4，产生固有的
相位差，以获得最佳线性。
对称放置于干涉仪波导臂两边的电极与偶极子天线相连接，以调制与电场成正比的光输出。
波导制成X切、Y向传输，以使热电效应引起的温度不稳定性最小，并获得高的电压测量灵敏度。
§4.2光纤布拉格光栅传感器
一、光纤布拉格光栅（FBG）原理及制作方法
1.光纤布拉格光栅（FBG）原理
FBG是FiberBraggGrating的缩写，即光纤布拉格光栅。
在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射器。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
目前应用主要集中在光纤通信领域（光纤激光器、光纤滤波器）和光纤传感器领域（位移、速度、加速度、温度的测量）。
布拉格光栅传感系统由3个基本部分组成：
1）光源；2）传感系统：
3）波长探测装置。
系统的基本原理为：
宽带激光光源（图4.11入射谱）入射光纤布拉格光栅，由于FBG对
的光波具有高发射率，所以通过FBG的透射光谱在
处会出现一个凹陷（图4.11传输谱），如果测量FBG的反射光谱，就会在
处得到一个强反射峰（图4.11反射谱），就相当于一个具有选择性的窄带反射镜。
根据耦合模理论，当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，中心反射波长为:
（4-2-1）
式中，neff是光纤光栅有效折射率，
是光纤光栅周期，可见布拉格波长
与neff和
相关。
如果某个物理量（比如温度、压力、位移等）改变，就会导致布拉格波长
变化，从而导致反射谱峰的移动，通过测量反射谱峰的移动量
，就能计算出物理量的变化量。
2.光纤光栅制作方法
光纤光栅制作分为两个步骤，光敏光纤制备和成栅，成栅过程还涉及紫外光源选取。
A）光敏光纤的制备
采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。
所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。
光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。
如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为10-4数量级便已经饱和，为了提高光纤光敏性，目前光纤增敏方法主要有以下几种：
1）掺入光敏性杂质，如：
锗、锡、棚等。
2）多种掺杂（主要是B/Ge共接）。
3）高压低温氢气扩散处理。
4）剧火。
B）成栅的紫外光源
光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。
大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。
目前，主要的成栅光源有窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器等。
根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。
它可同时提供193nm（KrF）和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。
C）成栅方法
光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，
①内部写入法，又称驻波法。
将波长488nm的基模氩离子激光从一个端面耦合到掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的人射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。
已测得其反射率可达90%以上，反射带宽小于200MHZ。
此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。
②准分子激光干涉方法
Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。
用两束相干紫外光束（同一准分子激光器输出分成两束）在裸光纤的侧面相干，形成干涉条纹，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。
栅距周期由
给出，其中
为两相干紫外光束的夹角。
可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。
原来由于技术限制，多采用多脉冲曝光，由于环境干扰（比如震动），影响了器件质量。
近年来发展了单激光脉冲（脉冲能量1J以上）曝光在光纤上形成高反射率光栅的方法。
此外，此法可以在光纤制作过程中实现，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。
这种成栅方法对光源的要求不高，特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。
③相位掩膜法
将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于待刻光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。
紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。
这种成栅方法不依赖于人射光波长，只与相位光栅的周期有关。
④长周期光纤光栅的制作
逐点写人法此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。
这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。
原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。
它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。
二、光纤布拉格光栅（FBG）传感器
1.光纤光栅温度传感器
光纤光栅温度传感器的工作原理：
当光纤光栅所处环境的温度发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而导致光栅常数改变，最终使得光纤光栅反射曲线的中心波长发生改变，当用带宽激光（半单体激光器）入射光纤光栅传感器，通过测量温度变化前后反射光中心波长的变化，就可以获得温度的变化情况。
FBG温度传感器增敏的原理是利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过合理的结构设计，把FBG和高热膨胀系数材料封装在一起，当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG施加一个应变量，使得FBG的反射中心波长变化。
基于此原则，测温光纤光栅的粘结方法大体上分为两种：
1 直接将FBG粘贴在高热膨胀系数材料上，当温度升高时，高膨胀系数材料直接拉动FBG，使FBG的应变加大，反射中心波长的变长。
通过测量反射中心波长的变化量，计算出待测温度。
这种增敏方式的明显缺点：
增敏效果受到材料的热膨胀系数制约、分辨率有限、而且伴有啁啾的负面效应。
② 采用双金属结构的方法实现温度增敏，结构如图４.１４所示，这种方法效果明显。
温度变化时，双金属结构把2种热膨胀系数不同的金属的长度变化量的差转化成FBG长度的变化量，从而提高FBG的温度灵敏度。
当温度变化时，材料A和材料B长度均变化，且A长度的变化量比B长度的变化量大得多，A、B长度的变化量的差值直接传递给了FBG。
当FBG的应变发生变化时，FBG反射曲线的中心波长会随之发生变化。
FBG的应变量越大，反射曲线中心波长变化量也就越大。
因此，可以通过调整A和B的长度和选用不同热膨胀系数的材料来控制FBG的应变量，从而实现高分辨率和高精度的温度测量。
③双管式光纤光栅温度传感器
图4.15是一种对外加应力应变不敏感的双管式光纤光栅温度传感器。
其中，外套管隔离了外加应力应变向内管的作用，避免了外力通过内管传递给光纤Bragg光栅。
同时，由于内、外管均是热传导性能良好的金属材料（比如:
铜），故温度仍能通过外管和内管传递给光纤Bragg光栅，从而使得Bragg波长响应温度变化而产生移位。
2.光纤布拉格光栅湿度传感器
光纤布拉格光栅湿度传感器主要由对湿度敏感的光纤布拉格光栅和聚酰亚胺（PI）湿敏薄膜组成，如图4.16所示。
外包聚酰亚胺湿敏薄膜的光纤布拉格光栅，可敏感测量现场的湿度变化量。
光纤布拉格光栅的谐振反射波长
可表为:
（4-2-2）
式中neff是光纤布拉格光栅的有效折射率；
是光栅周期（亦称光栅常数）。
对式（4-2-2）取对数再求全微分得:
（4-2-3）
光纤光栅在受到应变作用时的波长漂移量为：
（4-2-4）
式中，
为轴向应变，
为有效弹光系数。
当湿度变化时，由于光纤表面涂层湿敏材料的膨胀，引起光纤光栅的应变响应（湿应变），再考虑温度对FBG本身的影响，温度对湿敏材料的影响，可得：
（4-2-5）
其中，温度系数：
，湿敏系数：
，
，
为湿敏材料与光纤的黏接系数，
为湿敏材料的湿膨胀
系数，Y为湿度，
为湿敏材料的热膨胀系数，
为光纤的热膨胀系数。
如果能够直接测量出由温度变化引起的光纤光栅的变化量KTΔT，就可以省去复杂计算，由此形成了双光纤光栅湿度传感器。
结构如图4.17所示。
利用温度和湿度作用于FBG引起的波长漂移量是线性叠加的原理，设计在同一光纤上写入两段光栅并涂上湿敏涂层，其中FBG1可同时响应温度和湿度；FBG2外表面附着一层温敏材料（如铝），隔离湿敏涂层免受湿度的影响而对温度作出响应。
两个光纤光栅的波长漂移量可根据式（4-2-5）计算得到：
（4-2-6）
（4-2-7）
由此可知，通过分别测量FBG的波长漂移量，可求得温度变化量
，湿度变化量
。
3.光纤布拉格光栅压强传感器
①平面膜片应变规则
当圆形平面膜片两侧存在压差时，在低压侧表面每一点都会受到一个径向应力sr和切向
（4-2-8）
（4-2-9）
应力st,式中p是膜片两侧所受到的压力差，R为膜片的半径，v为膜片材料的波松比，t为膜片的厚度，r为点距膜片圆心的距离。
膜片表面应变分布如图4.18所示。
径向应力sr和切向应力st使得膜片在每一点产生一个径向应变εr和切向应变εs。
（4-2-10）
（4-2-11）
式中，E为膜片材料的弹性模量。
由式（4-2-8）和（4-2-9）可知，膜片边缘处的径向应力最大，如式（4-2-12）所示。
设计膜片时，此处的应力不应超过材料的最大允许应力。
②传感器结构设计
由应变分布图及式（4-2-10）、（4-2-11）可知，膜片中心径向应变和切向应变相等，为正最大值。
式（4-2-13）给出了最大值表达式。
由此可知若想提高FBG压力传感器灵敏度，FBG最好粘结于圆盘平面膜片的中心处。
光纤光栅压力传感器结构如图4-1.9所示。
根据应变分布规律，将FBG沿直径方向粘贴在膜片中心附近，粘贴示意图如图4.20所示。
膜片在压力作用下，表面产生应变，FBG粘贴在膜片的受拉面，主要受径向应变作用，布拉格波长发生偏移，压力值转化为FBG的布拉格波长偏移量，这就是FBG压力传感器的工作原理。
由于敏感元件BFG有一定长度，通常不到1m，由式（4-2-8）和（4-2-13）可知，FBG各点应变不同，平均应变可由下式等效表示：
式中，K为一系数，其值与膜片尺寸、FBG粘贴位置有关。
假设环境温度不变时，FBG只受应变作用，布拉格波长的偏移量为：
将（4-2-14）代入（4-2-15）得：
可见布拉格波长偏移量ΔλB与压力P成线性关系。
三、损耗型压力光纤传感器
a）公路用损耗型压力光纤传感器
压力光纤传感器的原理是采用微弯效应光强度调制技术，把40～50ｍ光纤用土埋在需要封锁的道路上，做成压力传感器。
其作用原理是:
由发光管或激光二极管发出光，经光纤传输，接收系统接收，耦和，电路处理，输出电信号。
当有重物（军车或部队行动）加在光纤上时，光纤在支承杆处发生弯曲，光纤内部的全反射条件被破坏，出现漏光现象，传回的光能减少，接收系统接收的信号也就减弱，减少的数值与重物的质量有关，检测出这个变化，就可以分辨出有没有、是什么重物作用在光纤上。
其原理如右图所示。
b）称重用微弯曲损耗型压力光纤传感器
称重用微弯应力调制机构测量原理如图2所示。
周期性的微弯调制机构由动齿板和定齿板两部分组成，敏感光纤放于两板之间。
动齿板固定在弹膜片的中心，定齿板固定在刚性壳体的底座上。
应力作用弹膜片产生应变，固定在膜上的动齿板产生对光纤的微弯扰动，实现应力调制。
光纤受到微弯扰动时会产生微弯损耗，其大小体现引起光纤微弯扰动物理量的变化。
将应力通过微弯调制机构对光纤进行应力调制，实现对应力的传感。
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