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光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 专业：光学 姓名：赵嘉荣 导师：黄旭光 摘要 光纤传感技术是随着光纤及光通信技术进步而发展起来的一种综合光电子、 计算机、软件等多学科知识的先进传感测控技术，是传感领域的主流发展方向。 物质的折射率作为一个十分重要的基本物理参量，反映了物质内部的多种信息。 光纤折射率传感器作为一种重要的光纤传感器，不仅可直接用于物质折射率的监 测，而且在医学诊断、环境保护、食品生产、公共安全与反恐国防等多个重要领 域均有广泛的应用。近年来，基于折射率传感的光纤生化探测技术一直是国际上 的研究热点。 本论文突破了原有基于折射率探测的液体浓度测量方法，在准分布式光纤折 射率传感系统的基础上，利用折射率探头与温度探头的组合探测，探索并研究了 低成本的准分布式光纤溶液浓度及温度的双参数同时测量系统的可行性，解决了 基于折射率探测的液体浓度测量方法普遍存在的温度交叉敏感问题；针对现有菲 涅尔光纤折射率传感器灵敏度较低的问题，弓l a f a b r y p e r o t ( 珐珀，f p ) 干涉调制 方法，提高了折射率测量的灵敏度。具体说来，本文的主要工作以及创新点包括： 1 在溶液浓度测量上，引入了双参量矩阵运算的方法，实现了溶液浓度和温度 的双参数同时测量，解决了以往基于折射率探测的液体浓度测量方法普遍存在的 温度交叉敏感问题。 2 依据双参量矩阵运算法的基本原理，研究了基于菲涅尔反射原理的准分布式 光纤溶液浓度和温度的双参数同时测量系统。其工作原理是在利用介质薄膜滤波 器与阵列波导光栅的串联实现了基于波分复用的分布式传感。将部分光纤折射率 探头的结构改造为光纤温度探头，利用折射率探头与温度探头的组合探测，实现 液体浓度和温度的双参数同时测量。通过实验证明，实验结果与理论十分吻合， 该系统在测量n a c l 溶液的浓度及温度时，浓度分辨率达0 0 0 6 4 ，温度分辨率 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 达0 0 5 4 ，最大测量误差为0 0 7 及0 3 5 。 3 在菲涅尔光纤折射率传感器的基础上，提出了f - p 干涉调制型光纤折射率传 感系统，利用光纤端面镀膜构成f p 腔对菲涅尔反射信号进行干涉调制，通过测 量干涉条纹的对比度实现溶液折射率的高精度测量。实验数据表明，当外界折射 率，l ，在1 3 1 4 到1 3 6 5 范围内，传感器测量折射率的平均分辨率高达5 x l o 击，最 大测量误差为5 x l o 一。该传感器可直接用于溶液浓度测量，通过另外的解调方式 可用作温度传感器，有广泛的应用前景。 关键词：折射率，温度测量，浓度测量，交叉敏感性，双参数同时测量，光纤 传感器，f a b r y p e r o t 干涉调制 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 s t u d yo ffib e ro p ticr e f r a c tin d e xs e n s o ra n dslm u l t a n e o u s a b s t r a c t m e a s u r e m e n to ft w op a r a m e t e r s m a j o r ：o p t i c s n a m e ：j i a r o n gz h a o s u p e r v i s o r ：x u g u a n gh u a n g o p t i c a l f i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g y n o t o n l y i sa na d v a n c e d t e c h n o l o g y c o m p r e h e n s i v e l ya d o p t e dt h ek n o w l e d g ei np h o t o e l e c t r o n , c o m p u t e ra n ds o f t w a r e ， b u ta l s oi st h em a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs e n s i n gf i e l d ，w h i c hd e v e l o p e d 喇t l lt h e p r o g r e s so fo p t i cf i b e ra n do p t i c - c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y a st h eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tb a s i cp h y s i cp a r a m e t e r s ，r e f r a c t i v ei n d e xr e v e a l e dl o t so fi n f o r m a t i o nf r o m t h ei n t e r n a lo fm a t e r i a l t h ef i b e ro p t i cr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o rn o to n l yc o u l dd i r e c t l y u s et om e a s u r et h er e f r a c t i v ei n d e xo fm a t e r i a l ，b u ta l s oh a sb r o a da p p l i c a t i o n si n m e d i c a ld i a g n o s t i c s ，e n v i r o n m e n ta n dc o n t a m i n a t i o na s s e s s m e n t s ，f o o dp r o d u c t s ， p u b l i cs e c u r i t y a n dn a t i o n a ld e f e n s e t h ef i b e r o p t i c b i o c h e m i c a l d e t e c t i o n t e c h n o l o g yw h i c hb a s e do nr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n gh a sb e e na t t r a c t i n ga t t e n t i o nf r o m a l lo v e rt h ew o r l d ，i nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e ra i m st ob r e a kt h r o u g ht h eo r i g i n a ls o l u t ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t m e t h o dt h a tb a s e do nt h ed e t e c t i o no fr e f r a c t i v ei n d e x ，u s i n gt h ef o u n d a t i o no ft h e q u a s i d i s t r i b u t e d f i b e r o p t i c s e n s o rf o rr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t , a n dt h e c o m b i n a t i o no fr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n gt i p sa n dt e m p e r a t u r es e n s i n gt i p ，t oe x p l o r e a n ds t u d yt h ef e a s i b i l i t yo fl o w - c o s tq u a s i d i s t r i b u t e df i b e r - o p t i cs e n s i n gs y s t e mf o r s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fs o l u t ec o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e ，a n dh a ds o l v e d t h i sp r o b l e mo ft h ec r o s ss e n s i t i v i t yt ot e m p e r a t u r ed u r i n gs o l u t ec o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n tb a s e do nt h ed e t e c t i o no fr e f r a c t i v ei n d e x a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fl o w s e n s i t i v i t yo ft h e f r e s n e lf i b e ro p t i cr e f r a c t i v ei n d e xs e n s o r , b yi n t r o d u c i n gt h e i i i 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 m o d u l a t i o nm e t h o do ff b a r y p e r o t ( f - p ) i n t e r f e r e n c e ，w eh a v e u p g r a d e dt h e s e n s i t i v i t yo fr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n tt h em a i nt a s k so ft h i sa r t i c l e ，a sw e l la s i n n o v a t i o n sa r ea sb e l o w ： 1 w er e a l i z es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to fs o l u t ec o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e ， u t i l i z a t i o no ft h et w op a r a m e t e r sm a t r i xi n v e r s i o nm e t h o d ，a n dh a ds o l v e dt h i s p r o b l e m o ft h ec r o s ss e n s i t i v i t yt o t e m p e r a t u r ed u r i n g s o l u t ec o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n tb a s e do nt h ed e t e c t i o no fr e f r a c t i v ei n d e x 2 w ep r e s e n taq u a s i d i s t r i b u t e df i b e rs e n s o rf o rs i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to f l i q u i d c o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eb a s e do nf r e s n e l - r e f l e c t i o n t h i n f i l mf i l t e r sc o m b i n e d w i t ha na r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n ga r eu t i l i z e dt oa c h i e v e w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gd i s t r i b u t e ds e n s i n g b ym e a s u r i n gt h ef r e s n e l - r e f l e c t i o ns i g n a l sf r o mt h e s e n s i n gh e a d s ，e a c ho fw h i c hc o n s i s t so ft w of i b e rs e n s i n gt i p s ，s i m u l t a n e o u s m e a s u r e m e n to fl i q u i dc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ei so b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa g r e ew e l l 、析t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s t h i ss e n s i n gs y s t e mc a nd i s c r i m i n a t e t h ec o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo fan a c l - h 2 0 l i q u i dw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o na n d t e m p e r a t u r ea c c u r a c i e so f 0 0 7 a n d 0 3 5 ，r e s p e c t i v e l y 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 k e yf i o r d s ：r e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，c o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n t ，c r o s s s e n s i t i v i t y , f i b e ro p t i cs e n s o r , i n t e r f e r e n c em o d u l a t i n g v 1 1 ， 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 目录 摘要i a b s t r a c t iii 第一章绪论1 1 1 光纤传感技术概述1 1 1 1 光纤传感系统的原理及组成1 1 1 2 光纤传感器的分类2 1 1 3 光纤传感器的优点3 1 2 光纤折射率传感器的研究现状及应用4 1 3 本课题的研究意义5 1 4 本论文研究内容及创新点6 第二章基于菲涅尔反射的光纤折射率传感系统8 2 1 菲涅尔反射公式8 2 2 双通道菲涅尔光纤折射率传感器9 2 2 1 传感系统装置及工作原理9 2 2 2 折射率测量的理论推导和基本原理1 0 2 3 准分布式菲涅尔光纤折射率传感器11 2 3 1 传感系统装置及工作原理：11 2 3 2 折射率测量的理论推导和基本原理12 2 3 3 相邻通道串扰的模拟计算14 2 4 菲涅尔光纤折射率传感器的应用15 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 2 4 1 溶液浓度测量的原理1 5 2 4 2 温度测量的原理1 6 2 5 本章小结17 第三章折射率测量中溶液浓度和温度交叉敏感研究18 3 1 折射率测量中溶液浓度和温度交叉敏感形成机理分析18 3 2 交叉敏感问题解决方案19 3 2 1 双参数同时测量原理19 3 3 准分布式光纤溶液浓度和温度的双参数同时测量系统19 3 3 1 实验装置及工作原理19 3 3 2 理论推导2 1 3 3 3 实验数据及分析2 3 3 3 4 传感器分辨率的计算2 6 3 3 5 传感器的最大误差2 6 3 4 本章小结2 7 第四章f - p 干涉强度调制型光纤折射率传感系统的研究2 8 4 1f - p 干涉原理2 8 4 2f - p 干涉强度调制型光纤折射率传感系统3 0 4 2 1 实验装置及工作原理：3 0 4 2 2 理论推导3 1 4 2 3 实验数据及分析3 3 4 2 4 传感器温度响应特性的研究3 5 4 2 5 传感器的稳定性测量3 6 4 4 本章小结3 7 第五章结论和展望3 8 参考文献4 0 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 致谢4 5 硕士学位期间发表的论文4 6 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 1 1 光纤传感技术概述 第一章绪论 光纤传感技术起源于2 0 世纪7 0 年代，是随着光纤及光通信技术进步而发展 起来的一种综合光电子、计算机、软件等多学科知识的先进传感测控技术。【卜5 】 光纤传感器是利用光波在光纤中传播时，表征光波的相关参数( 如强度、波长、 相位以及偏振态等) 因外界因素( 如温度、位移、应力、电场、磁场和转动等) 的改变而间接或直接地发生变化的规律，从而将光纤用作传感元件来实现对各种 物理量的测量及传感 6 - 8 1 。 近年来光纤传感技术受到一些工业先进国家政府和研究单位的高度重视， 发展迅速，显现出巨大的市场潜力。目前，光纤传感技术可运用于温度、浓度、 长度、压力、速度、高压和大电流等重要物理参量的高精度测量，在化工与食品 分析、未知物鉴定、质量监测、易爆有毒危险气体报警、污染分析、煤矿油井监 测和城市供水及排污管道系统等生化、石化、医药、能源、环境监测与保护、工 农业安全生产、公共安全与反恐、国防和民用等多个重要领域均有极其广泛的应 用【9 。1 3 1 。 1 1 1 光纤传感系统的原理及组成 一般的光纤传感系统主要包括光源、传感器探头或传感光纤、传输光纤和光 纤器件、光信号探测器等。光波作为载波经入射光纤传感器到传感头，光波的某 些特征参数在传感探头内被外界环境的某些物理量所调制，含有被调制物理量信 息的光波经过光纤传输到光信号探测器，经信号处理并利用物理参量与光信号量 变化的关系进行解调，获得被测物理量队15 1 。光纤传感系统结构框图如图1 1 所示。 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 图1 1 光纤传感系统结构框图 1 1 2 光纤传感器的分类 若将光看成简谐振荡的电磁波，则其电场分量可表示为 e = 毛s i n ( c o t + 妒)( 1 1 ) 因此，光可以被调制的参数有光强度l e o l 2 、相位叭偏振态( e 矢量的方向等) 和频率四个。相应地，根据被调制的参数不同，光纤传感器可以分为四类， 即强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频 率( 波长) 调制型光纤传感器。 强度调制型光纤传感器，即利用被测量的因素变化改变光纤中光的强度，再 通过光强的变化来测量外界物理量。常见的有利用光纤的弯曲损耗，各物质的吸 收特性，振动膜或液晶的反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械 的激励而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等不定期构成压力、振 动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。强度调制型有透射式温 度调制、开光调制、反射式调制和折射率调制等。 相位调制传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件 的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化。然后用干涉仪来检测这种 相位变化而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器， 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器，利用电致伸缩效应的电场、电压传感器 等。 偏振调制型光纤传感器是一种利用光的偏振态变化不定期传递被测对象信 2 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 息的传感器。常见的有利用光在磁场中的介质内传播的法拉第效应做成的电流、 磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传 感器，利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双折 射特性构成的压力、温度振动等传感器。 频率调制型传感器是一种利用由被测对象引起的光频率变化来进行监测的 传感器。常采用传光型光纤传感器，即光纤只用作传光。利用多普勒效应有光纤 速度、流速、振动、压力、加速度传感器，利用物质受强光照射时的散射构成的 测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器，以及利用光致发光的温度传感器 等。 目前大部分光纤传感器属于前三类，其中光强调制型一般工程测量中因结构 简单、测量范围大而应用在精度要求不太高的场合较多；而在对测量精度要求较 高的场所则采用偏振和相位调制型。 此外，光纤传感器根据被测量对象的不同，可分为光纤温度传感器、光纤应 变传感器、光纤压力传感器、光纤折射率传感器、光纤位移传感器、光纤电压 电流传感器等。 1 1 3 光纤传感器的优点 与传统的传感技术相比，光纤传感器由于其自身物理特性具有以下优点【2 1 4 1 ： ( 1 ) 不受电磁场的干扰、电绝缘、适应恶劣环境； 由于光纤是电绝缘、耐腐蚀的非金属材料，所以当光波在光纤中传输时不会 与外界电磁场产生作用，抗电磁干扰能力很强。同时光纤是无源器件，不会产生 火花、高温、漏电等不安全因素，可在强电磁干扰、高温高压、易燃、易爆、强 腐蚀等恶劣环境中安全有效地传感。 ( 2 ) 损耗低，便于复用，易于构成多点传感网络 光纤传输频带宽，可以长距离低失真的传输信号，易实现对被测信号的远距 离监控。此外，可以利用现有光通信技术，将传感探头多点复用组成光纤传感网 络。 ( 3 ) 重量轻、体积小、可塑性好 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可塑性好的优点，几何形状具有多 方面的适应性，可做成任意形状的传感器和传感器阵列。这有利于航空航天以及 狭窄空间的应用。 ( 5 ) 测量对象广泛 光纤传感器在共同的传感探头和技术基础上可以制成传感不同物理量的传 感器，目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、电场、磁场、电压、液体浓 度、离子含量、核辐射等各种物理量、化学量的光纤传感器再用。 1 2 光纤折射率传感器的研究现状及应用 物质的折射率是一个十分重要的基本物理参量，它与物质的光学性能、浓度、 成分以及色散等性质密切相关，并且反映着温度场、流速场和电磁场等多种外界 参数。因此对物质折射率的测量，有着重要的研究意义，在许多研究领域都有广 泛的应用【1 6 1 7 1 。例如在生化领域中，化学物质的浓度变化会直接引起溶液折射 率的变化，因此可通过折射率测量来实现对各种化学量( 如溶液的糖度、浓度、 盐度) 和生物医学量( 如体内血液酸碱度、血药浓度等) 的传感【1 8 9 1 。 光纤传感器在折射率的测量中有广泛的研究和应用，在各种光纤传感器中， 光纤折射率传感器是重要的光纤传感器之一。由于光纤折射率传感器除了具备光 纤传感器一般优点之外，还具有无损伤探测、本质安全无毒、可实时监控、操控 灵活方便等优点。因此光纤折射率传感器在生化方面中的应用已受到国内外学者 越来越多的重视，各种新方法，新应用也层出不穷 2 0 、2 1 1 。 目前光纤折射率传感器主要有光纤表面等离子体共振( s p r ) 折射率传感器、 光纤光栅型折射率传感器、光纤f a b r y p e r o t ( 珐珀，f p ) 折射率传感器和菲涅尔光 纤折射率传感器。光纤s p r 折射率传感器【2 卜2 3 】与棱镜s p r 传感器相比具有尺寸 小，测量精度高和实时响应的优点，但其需要纳米镀膜制作过程复杂、设备昂贵。 所使用的金属( 如银和金) 的s p r 吸收峰值位于3 0 0 - - 1 0 0 0 n m 波长范围内，与光 纤通信中的1 5 5 0 n m 处波段不兼容。此外，s p r 折射率传感器对周围温度敏感， 纳米薄膜也容易因为氧化、腐蚀或者摩擦而损坏，探头寿命低。光纤光栅型折射 率传感器【2 4 2 羽，可分为光纤布拉格光栅( f b g ) 折射率传感器【2 4 2 5 】和长周期光 纤光栅( l p f g ) 折射率传感器【2 睨8 】两种，它们均能工作在15 5 0 n m 波段。f b g 4 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 折射率传感器必须通过腐蚀或侧面抛磨处理等方法使芯层导模通过其倏逝波能 够直接感受到外部介质1 2 4 2 5 1 ，再通过检测b r a g g 波长的移动测量外界折射率的 变化。但腐蚀或磨损后的f b g 机械稳定性差，十分脆弱，容易毁坏：而且折射 率测量灵敏度不高，b r a g g 波长易受温度波动影响测量精度。l p f g 的模式耦合 发生在芯层模及同向传输的包层模之间，包层模的倏逝场分布延伸到了包层外的 介质中，因此外界折射率的变化会引起其谐振峰中心波长移动【2 6 。2 8 】。但l p f g 折 射率传感器的性能受到非线性特性的进一步限制，只对很小的折射率范围敏感。 光纤f p 折射率传感器通过各种固定和准直技术形成一个腔长为l 的光纤珐珀 腔，将待测液体或者气体填充进珐珀腔内改变光学相位差形成光纤f p 折射率传 感器【2 9 】。以反射谱的相位作为对外界待测物理量的响应，从原理上能提供低热 敏度的绝对测量。尽管光纤法珀折射率传感器已经成功商用，但其可靠性受到液 体填充过程中沉积在腔内的污染物的严重影响【2 9 3 0 1 。 菲涅尔光纤折射率传感器以其结构简单、稳定性高、长期稳定性好、易于实 现远距离测量、成本低和与光纤兼容等优点成为光纤折射率传感器家族中十分重 要的成员之一，也是目前光纤传感领域中的研究和应用热点之一【3 5 4 0 】。但与偏振 调制型或相位调制型的光纤折射率传感器相比灵敏度较低，不具有明显优势。 1 3 本课题的研究意义 溶液的浓度是表征溶液特性的主要参量之一，在生化、环保、医疗和食品加 工领域内，对溶液浓度的测量与控制对现代化工业生产过程有十分重要的作用， 它是保证和提高产品质量的重要技术手段。因此，许多的测量溶液浓度的方法应 运而生【3 3 3 8 3 9 4 1 、4 2 1 。根据溶质浓度与溶液折射率之间具有对应关系，利用光纤 折射率传感器实现溶液浓度的测量一直是近年来的研究热点。 由于溶液的折射率是由溶液中溶解物的浓度、影响溶解物物理性质的外界场 ( 如压力场、温度场、电磁场和流速场等) 所综合决定的。目前，基于折射率探 测的液体浓度测量方法普遍存在的温度交叉敏感问题。即当外界温度变化较大 时，传感器无法分辨出溶液浓度和温度分别引起的溶液折射率的改变，进而无法 实现溶液浓度的精确测型4 3 1 。而另一方面，精确的温度监控在科学实验、化工、 生物、食品和工业等领域的工艺控制过程中也是一项非常重要的因素1 。 5 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 本论文突破了原有基于折射率探测的液体浓度测量方法，在原有准分布式光 纤折射率传感系统的基础上，将部分光纤折射率探头的结构改造为光纤温度探 头，利用折射率探头与温度探头的组合探测，实现液体浓度和温度的双参数同时 测量【4 5 1 。实验证明，该方案切实可行。这对于菲涅尔光纤折射率传感器的实际 应用，具有重大的现实意义。 针对现有菲涅尔反射式光纤折射率传感器灵敏度较低的问题，引入 f a b r y - p e r o t ( 珐珀，f p ) 干涉调制方法，提高了折射率测量的灵敏度。通过测量干 涉条纹的对比度实现溶液折射率的高精度测量，并通过实验证明其可行性。该系 统具有高灵敏度和高分辨率和较好的可扩展性，为光纤折射率传感器的研究开辟 了新的研究思路。 1 4 本论文研究内容及创新点 本论文主要研究内容及创新点如下： 第一章，主要介绍了光纤传感技术的基本概念，及光纤传感器的组成、分类 和优点。然后着重介绍了光纤折射率传感器的研究现状及应用，并由此引出本课 题的研究意义和创新点。这使得读者对光纤传感技术的发展有一个完整的概念， 同时，给致力于光纤折射率传感技术研究的学者一定的参考。 第二章，介绍了基于菲涅尔反射的光纤折射率传感系统的发展情况，从菲涅 尔反射公式出发对菲涅尔光纤折射率传感器的工作原理进行了理论分析，对现有 的双通道菲涅尔光纤折射率传感器及准分布式菲涅尔光纤折射率传感器的系统 结构和工作原理给出了简单的概括。 第三章，介绍了光纤折射率传感器用于浓度测量中温度交叉敏感性的问题， 并探讨了利用双参量矩阵运算法实现了双参数测量的解决方法。在现有的准分布 式菲涅尔光纤折射率传感器的基础上进行改进，提出了一种基于a w g 解调的准 分布式光纤折溶液浓度和温度的双参数同时测量系统。并从理论上和实验上证明 了该系统的可行性，该系统在测量n a c l h 2 0 溶液的浓度及温度时，浓度分辨率 达0 0 0 6 4 ，温度分辨率达0 0 5 4 ，最大测量误差为o 0 7 及0 3 5 。该系 统不受光源功率的波动、连接和耦合损耗的影响，具有结构简单、精度高、响应 快、成本低，易于复用和实现多点、分布式传感等优点。 6 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 第四章，在菲涅尔光纤折射率传感器的基础上，提出了f a b r y p e r o t 干涉调 制型光纤折射率传感系统的构想。该系统具有结构简单，实时响应和测量精度高 的特点。对其系统结构及工作原理进行了详细的理论分析，并通过实验验证了该 系统的可行性。实验数据表明，当外界折射率刀。在1 3 1 4 到1 3 6 5 范围内，传感 器测量折射率的平均分辨率高达5 x 1 0 击，最大测量误差为5 x 1 0 一。根据溶质浓度 与溶液折射率之间具有对应关系，该传感器可直接用于溶液浓度的测量，也可用 作光纤温度传感器。 第五章，对本论文的研究工作做了一个总结及展望，指出了准分布式光纤浓 度及温度的双参数同时测量系统及f a b r y p e r o t 干涉调制型光纤折射率传感系统 有待解决的一些问题。 7 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 第二章基于菲涅尔反射的光纤折射率传感系统 2 1 菲涅尔反射公式 菲涅尔公式表示反射波、折射波与入射波的振幅和相位之间的关系m 。将 入射平面光波分成s 波( 电场垂直于入射平面) 与p 波( 电场平行于入射平面) 来讨 论： s 波( 垂直于入射面分量) ，：一s i n ( o i - 0 2 ) ：堡竺里二! ! ! ! ! 皇1 5 s i n ( 日l + p 2 ) n ic o s 0 1 + ，1 2c o s 0 2 ( 2 1 ) 2 c o s o ，s i n 0 ， 。! ：! 一 p 波( 平行于入射面分量) s i n ( o l + 0 2 ) 2 n lc o s 0 1 c o s p l + n 2c o s 0 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 入射波的电场 平行于入射面 p l 为介质n 1 中 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 且有关系式 p + f = 1 ( 2 - 7 ) 当光为垂直入射时，有0 l = 0 2 = 0 ，因此根据菲涅尔公式( 3 - 1 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 - 5 ) 有： 一胛l r 1 2 r = 二一 刀l + n 2 ( 2 8 ) 一2 = 瞎n l - - ? 2 ) 2 p 9 ， ，反2 = ( i g ，i + - - 刀 ：2 2 ，。2 。， 其中珂。、拧：分别为两种介质的折射率：，为振幅反射系数；p 为功率反射系数； ，为入射波的光强；坛为反射波的光强。 由式( 2 - 1 0 ) 可知，反射波光强k 的强度受到两种介质的折射率，z 。和n ：的 调制。当折射率n i 和入射光波光强，为已知时，可以通过测量名求出折射率。 因此我们可以利用菲涅尔反射原理，制作出一种强度调制型光纤折射率传感器， 2 2 双通道菲涅尔光纤折射率传感器 2 2 1 传感系统装置及工作原理 由于光源存在抖动的问题，入射光波光强，的强度并不稳定，这为折射率的 测量带来了不确定性。为了消除光源抖动对测试系统的影响，双通道菲涅尔光纤 折射率传感器采用了如图2 1 所示的结构，由2 个光纤传感探头( 一个用于监测待 测液体，另一个用于监测空气) 、3 个光纤耦合器( c o u p l e r1 ，2a n d3 ) 、光源、2 个光功率计( p d l ，p d 2 ) 和计算机等组成。光源是波长为1 5 5 0 n m 的单频l d ， 3 个光纤耦合器( c o u p l e r1 ，2a n d3 ) 的分光比依次为5 ：5 ，5 ：5 和1 ：9 。传感探头 为附带陶瓷插芯的标准通信用的s m f 2 8 单模光纤，端面被严格磨平( 常用的 9 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 p c 接口标准) 。这种探头容易更换和清洗，并且能够较好的与待测物体接触。激 光被分光比为1 ：9 的光纤耦合器c o u p l e r3 分成两路，其中9 0 的一路作为探 测光，1 0 的另一路作为参考光。探测光经过分光比为5 ：5 的光纤耦合器c o u p l e r 1 进入探头1 ，一部分光线被反射和再分光后由光功率计p d l 接收；类似地，参 考光经过分光比为5 ：5 的光纤耦合器c o u p l e r 2 进入探头2 ，被反射、分光后由 光功率计p d 2 接收。另外两路被缠绕的光纤是为了防止噪音的影响。最后将p d i 和p d 2 采集的数据输入计算机进行数据处理及实时监控【3 6 ，3 引。 i p d 2 lc o m p u t e r ii - - 图2 1 双通道菲涅尔光纤折射率传感器系统装置原理图 2 2 2 折射率测量的理论推导和基本原理 由菲涅尔公式，p d i 和p d 2 所探测到的光强分别为： h 喊( 而n - n 毒) 2 蝴( 而t f - - n 0 2 | ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中，厶为光源的输出光强，n o 、和玖分别为空气、光纤纤芯和待测液 体的折射率， 毛、毫和乞、砭分别为光纤耦合器c o u p l e r1 ，2 直通和交叉出射 l o 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 的分光比，毛、毛为光纤耦合器c o u p l e r 3 的光强分光比( 包含了耦合器的附加 损耗) 。如附加损耗可忽略，则岛+ 碍= l ，岛+ 砭- 1 ，毛+ 乞= 1 。由( 3 8 ) 和( 3 9 ) 可以得出相对反射强度r ： 嘲忙k 瞻篙丁， 其中k = 考缝显然，k 是一个只与三个耦合器分光比相关的常数。 当探测通道的探头放置于空气中时，勺= 硌，由( 3 1 3 ) 可以得出： k = 氐= l ：rjl 譬。( 2 - 1 4 ) 可见，不必测量各耦合器的耦合系数，只需实验前测得一组r 和p 7 ，就 可得到k 值的大小。对于后面的每次折射率吃测量，测得的尺值都将除以这个k 值。这一步骤十分重要，它相当于仪器测量前的内部校准或调零，将有利于降低 测量误差、提高精确性。由( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可以得出待测物质折射率的大小： 一，蚋 式中叩= 焉( 矿。空气的折射率为1 - o 0 0 3 。普通单模光纤的有效折射 率可以由光纤的群折射率和色散因子计算得到。得出折射率在波长九= 1 5 5 0 n m 时刀，：1 4 4 9 6 1 【3 4 1 。 2 3 准分布式菲涅尔光纤折射率传感器 2 3 1 传感系统装置及工作原理 双通道菲涅尔光纤折射率传感器，属于单点式光纤传感器。由于实际传感器 应用中经常需要实现多点的分布式测量，因此在双通道菲涅尔光纤折射率传感器 的基础上，继续发展出准分布式菲涅尔光纤折射率传感器。图2 2 ( a ) 为准分布 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 式菲涅尔光纤折射率传感器的装置图。来自于宽带光源( b b s ) 的一束宽带光进 过介质薄膜滤波器阵列后被选择为不同中心波长的窄带光，随后它们被反射入n 个光纤传感探头，传感探头及传感器溶液界面如图2 2 ( b ) 所示。来自光纤传 感探头的不同波长的实时菲涅尔发射光信号携带着探测的折射率场信息，再次经 过介质薄膜滤波器阵列和耦合器，然后被阵列波导光栅( a w g ) 解调后同时被 光电探测器阵y u p d i ，i _ 1 ，2 ，3 ，) 所接收。鉴于菲涅尔反射值是由光纤传感探头与 溶液折射率差决定，因此通过该方法可以探测得到溶液折射率的变化。 s 删她却謦ls 咖魄啦慰s t , m i n t t i p 槲 蛐t i p 筹i 岫洳铭呐渤蝌彻 i i s o l u t e e o n c 蛐l i d 纛 图2 2 ( a ) 准分布式菲涅尔光纤折射率传感器系统装置原理图 ( b ) 传感探头及传感器溶液界面 2 3 2 折射率测量的理论推导和基本原理 假设k 和k ，为耦合器两个输出臂的透过率，r j ( 九一九) 和r , ( z - z , ) ( i = 1 ， 2 ，n ) 分别为第i 个t f f q b 心波长为扎的透射系数和反射系数，中心波长为k ； 1 2 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 2 ， ( 2 1 6 ) 其中i s 是宽带光强b b s 的总光强。因此第i 个光电探测器p d i 探测的光强p i 表达式 如下： 只= e 卿骱喇m ，( 嚣卜 邓叫嚣j ，7 ， 其中7 7 = e s 4 r ；。r ；r f ( z ) d z 。a i ( 九) 是阵列波导光栅( a w g ) 第i 个通道 的透射系数，墨( 户1 ，2 ，n ) 是光电探测器p d i 的探测灵敏度，( 九) 是光源的 归一化光谱频率，乃和惕分别为第i 个探测点处光纤探头折射率和溶液折射率， 我们定义其相对光强为： 纠肾切隐丁 8 ， 假如在进行任何浓度测量之前，首先将光纤传感头i 暴露于空气之中，那么这种 状态下的相对光强为： 酽呼= k r 【嚣j ，倍聊 n o 是空气的折射率，所以有： 一- ( 焉) 2 陪- - r 0 丁。， l 刀，+ 刀，l 胛，jr ，) n 、 因此，使用相对光强技术以及在测量前对k 尸7 校准就可以修正或避免由于光 源的波动以及其他因素引起的一些不受欢迎的影响，比如传感器损耗、测量误差 等。转化等式( 3 1 4 ) 可得 驴即黯，。， k ，+ t _ k i f ，、 光纤折射率传感技术及双参数同时测量技术的研究 其中f = ( 力，一n o ) l ( n i + ) 。当给出在波长九= 1 5 5 0 n m 时，2 1 0 0 0 3 和吩2 1 4 4 9 6 1 ，可计算得到t = 0 1 8 3 4 。 2 3 3 相邻通道串扰的模拟计算 在实际的光纤系统中，需要将相邻通道串扰列入考虑之列，第i 个光电探测 器p d i 探测的光强为1 0 4 c = s 4 殷厂( a ) ( r ，2 + r 2 f 2 + 。+ 足一2 2 r h 2 ，；一1 ) d z 二 ， ( 2 - 2 2 ) r i ，r i + l ，和r i 一1 分别是在探测点i ，( i + 1 ) ，和( i 一1 ) 处的菲涅尔反射系数，来自探 测点( i + 1 ) 和( i 1 ) 的反射信号都已经同时串入至u v d i 和p d i 1 。 峨。p 叭删n 加九，( 2 - 2 3 ) 卸一。= ，s 4 触厂( a ) ( 足一：2 r 1 _ 1 2 一。) d z 一 ( 2 2 4 ) c 正= 1 0 l o g ( 必+ l + 纰一1 ) 】 为了计算串扰值，在图2 3 中示意了阵列波导( a w g ) 和歹 ( t f f ) 的透射光谱函数图形。对于0 8a m 的通道间隔， c t i 模j 于一5 2d b ，由图3 2 也可以看出该分布式传感器的相邻通道串扰催 一m ? 口 一一、 l ，? 一二；一4 - 竹 已 zt ?j z ：0 笺雾囊鬈：k 日毒 ! ：渊；嚣簇 ：i ：； s 口5 ： ；j e - a 誊 l 反0 3