（光学专业论文）基于界面反射的强度型光纤传感系统研究.pdf

三= 一鳓烟 基于界面反射的强度型光纤传，卧! ，。1 9 1 8 1 2 ：j l i 1 摘要 专业：光学 姓 名： 苏辉 导师姓名及职称：黄旭光教授 光纤传感技术是近年来国际上发展最快的高科技应用技术，美日德等发达国家均 把光纤传感技术列为国家关键技术之一加以重点支持，我国在8 6 3 、9 7 3 科技攻关等也 将传感器研究放在重要位置。作为一种重要的光纤传感器，光纤浓度与折射率传感器 不仅可直接用于物质浓度与折射率的监测，而且在化工与食品分析、质量监测、易爆 有毒危险气体报警、油井监测和城市供水及排污管道系统等生化、石化、能源、环境 监测保护、安全生产、公共安全与反恐和国防等多个重要领域均有广泛的应用。然而， 目前已有的多种浓度与折射率测量技术由于受到测量方法固有局限性的限制，难以实 现多点、实时动态监测和远程遥感，难以在恶劣条件下使用。开展有关光纤传感系统 的研究，对于解决我国重大工程安全预警、减灾防灾以及环境保护中存在的关键问题， 对于提高我国相关高新技术与器件的研制水平，具有重要的战略意义和很高的经济效 益。 本文从理论和实验上系统地开展了基于界面反射强度调制型可应用于折射率和 浓度测量的光纤传感器研究工作，取得了如下主要结果： ( 1 ) 首次提出和采用了双通道光纤端面反射式相对回波传感探测技术，这是和以往大 多数浓度与折射率传感技术不同的探测原理及机制，并解决了以往强度型探测方 法普遍存在的光源功率起伏所导致误差较大的难题。具有以往方法无法比拟的实 时多通道并行在线远程监测、分布式组网能力和高测量精度，可用于液体、气体 等多种材料和强吸收不透明样品折射率、浓度或含量的监测，用于探测浓度与折 射率的空间分布。 ( 2 ) 基于界面反射光强对材料的折射率大小变化敏感的原理，推导出相对光波强度与 折射率的理论关系； 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 ( 3 ) 通过对测量原理的进一步拓展和分析，首次提出了一套系统同时用于折射率和溶 液浓度两种测试的方案，并对方案的可行性进行了分析； ( 4 ) 建立了一套双通道光纤传感系统( r i i - f o s ) 。利用该系统对多种溶液进行了实时测 量和分析，从实验上论证了r i i - f o s 系统应用于测试的可行性，并证实了系统精 度高、实时性好和抗干扰能力强等优点。 理论与实验表明：r i i f o s 传感系统除了解决了已有测试方案的一些不足以及具 有了光纤传感系统的一般优点之外，还具有以下独特的特征：1 ) 测量灵敏度高，操 作简单；2 ) 造价便宜，有利于市场推广；3 ) 能够实现远距离实时监控；4 ) 能同时 实现两种物理量( 折射率和浓度) 的测试。 关键词：折射率，浓度，菲涅尔反射，相对强度，光纤传感器 i i 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 r e s e a r c h0 na fib e r o p tics e n s o rb a s e do nr e f l e c t e d a b s t r a c t in t e n sit y0 nln t e r f a c e m a j o r ：o p t i c s n a m e ：h u is u s u p e r v i s o r ：x ug u a n gh u a n g r e c e n t l y , t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r ( f o s ) i so n eo fl l i 幽s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o r a p p l i c a t i o nw h i c hd e v e l o p e dm o s tq u i c k l y m a n yd e v e l o p e dc o u n t r y , s u c ha sa m e r i c a n ， j a p a na n dg e r m a n ，h a v el i s t e df o st e c h n o l o g ya sn a t i o n a lk e yt e c h n o l o g ya n dg a v ev a s t s u p p o r t t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt a c k l ek e yp r o b l e mf o r8 6 3a n d9 7 3h a v ea l s oa t t a c h e d i m p o r t a n c et ot h es t u d yf o rs e n s o r o p t i c a lf i b e rs e n s o rf o rt e s tc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v e i n d e xn o to n l yc a nb eu s e dt ot c s tc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xd i r e c t l y , a n da l s oh a v e b r o a da p p l i c a t i o ni nt h ef o l l o w i n gf i e l d ，s u c ha sc h e m i c a lp r o c e s sa n a l y s i sa n df o o d s a n a l y s i s ，q u a l i t ym o n i t o r , a l a r mf o rp o i s o n o u sa n dh a z a r da i r , o i lw e l la n dt h ep i p e l i n eo f w a t e rs u p p l ya n ds e w a g ei nc i t ym o n i t o r i n g a n ds oo n b u tm o s to ft h ee x i t e d c o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya r er e s t r i c t e db yt h et e s t m e t h o d ，a n da r eh a r dt or e a l i z em u l t i p o i n t , r e a lt i m ea n dr e m o t em o n i t o ra n da t r o c i o u s c o n d i t i o nm o n i t o r t h ed e v e l o p i n gf o rf i b e ro p t i c a ls e n s o rs y s t e mh a si m p o r t a n ts t r a t a g e m s i g n i f i c a n c ea n dh i g l le c o n o m i cb e n e 丘tf o rs o l v et h ek e yp r o b l e me x i s t e di ns a f e t ya l a r ma t i m p o r t a n tp r o j e c t s ，d i s a s t e rd e c r e a s i n ga n dd e f e n d i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，a n d i m p r o v i n gn a t i o n a lr e l a t i v eh i 曲n o v e lt e c h n o l o g ya n dt h el e v e l i n gf o rp a r td e v e l o p i n g n l ea r t i c l ed e v e l o p sa n ds t u d yan o v e lf i b e rs e n s o rs y s t e mb a s e do nt h em o d u l a t i o no f i n t e r f a c er e f l e c t e dl i g h tf o rc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t t h ea c q u i r e d t a s k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i tf i r s u yb r o u g h tf o r w a r da n da d o p t st h et e c h n o l o g yd o u b l e c h a n n e lr e l a t i v ee c h o d e t e c t i o n w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mm o s to ft h et h e o r ya n dm e c h a n i s mo fs e n s o r t e c h n o l o g yf o rc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xb e f o r e a n di ts o l v e st h ed i f f i c u l t yo n t h ee l t o rc a u s e db yt h ep o w e rf l u c t u a t i o no fl i g h ts o u r c ew h i c hc o m m o n l ye x i s t si n i n t e n s i t yd e t e c t i o nm e t h o db e f o r e i ta l s oh a st h ef o l l o w i n gu n e x a m p l e dm e r i t st h a nt h e m e t h o d sb e f o r e ：r e a lt i m em u l t i c h a n n e ls i d e b y s i d eo n l i n el o n g d i s t a n c ed e t e c t i o n ， d i s t r i b u t e dn e t - o r g a n i z e da b i l i t ya n dh i g l ld e t e c tp r e c i s i o n ，c a na p p l yf o rt e s ta n dm o n i t o r r e f r a c t i v ei n d e xa n dc o n c e n t r a t i o nf o rv a r i o u sm a t e r i a ls u c ha sl i q u i d ，g a s ，a n dm a n y m a t e r i a ls a m p l e sw h i c hh a v es t r o n gp o w e ra b s o r p t i o na n da r eo p a q u es a m p l e ，a n da p p l y t od e t e c tt h ec o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xi nt h es p a c ed i s t r i b u t i o n 2 b a s e do nt h ep r i n c i p l et h a tr e f l e c t e dl i g h tp o w e ri ss e n s i t i v et or e f r a c t i v ei n d e xo f m a t e r i a l ，t h et h e o r yr e l a t i o nb e t w e e nr e l a t i v el i g h tp o w e ra n dr e f r a c t i v ei n d e x 3 b a s e do nt h ea n a l y s i sa n de x t e n s i o nf o rm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e t h ep r o j e c tt h a to n e i i i 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 s y s t e mc a nb eu s e df o rb o t hr e f r a c t i v ei n d e xa n dc o n c e n t r a t i o nw a sr a i s e df o rt h ef i r s t t i m e a n dt h ef e a s i b i l i t yf o rp r o j e c th a sb e e na n a l y z e d 4 an o v e lf i b e rs e n s o r ( p d i f o s ) w i t hd o u b l e - c h a n n e ls t r u c t u r ew a sd e s i g n e d t h es y s t e m i su s e dt ot e s ta n da n a l y z em a n yk i n d so fs o l u t i o ns a m p l e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e t h ef e a s i b i l i t yo fr h - f o s a n dt h ec h a r a c t e r so fh i g h p r e c i s i o n r e a l t i m ea n d a n t i - j a m m i n ga l ev a l i d a t e d n l et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a t 砒i f o ss e n s o rs y s t e mn o t o n l yh a ss o l v e ds o m es h o r t a g eo fe x i s t i n gm e t h o d ，b u ta l s oh a st h e i rp a r t i c u l a rm e r i t s ： 1 ) h i 曲s e n s i t i v i t ya n de a s yo p e r a t i o n 2 ) l o wp r i c ea n de a s yt om a r k e ts p r e a d 3 ) e a s yt o r e a l i z er e a lt i m er e m o t em o n i t o r 4 ) s t r o n ga n t i - ja m m i n g 5 ) e x t e n s i v eu s e o n es y s t e mc a n t e s tt w ok i n do fp a r a m e t e r k e yw o r d s ：r e f l e c t i v ei n d e x ，c o n c e n t r a t i o n ，f r e s n e l r e f l e c t i o n ，r e l a t i v ei n t e n s i t y , f i b e r s e n s 0 r i v 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 第一章绪论 目录 l 1 1 弓i 言1 1 2 光纤传感的基本结构和原理1 1 3 光纤传感器的分类2 1 4 光纤传感器的优点3 1 5 光纤传感器研究现状及发展趋势4 1 6 课题的研究意义和背景5 1 7 本文的主要研究内容和创新点 4 3 _ 4 7 6 2 1 光源特性7 2 2 电转换器一光探测器8 2 3 光纤耦合器l o 2 4 光纤。ll 2 5 本章小结1 3 第三章基于界面反射的强度型光纤传感器皿i i f o s ) 的基本原理1 4 3 1 光学结构和基本原理1 4 3 2 电路结构和原理图2 0 3 3 软件设计流程2 3 3 4 本章小结2 5 第四章 r i i - f o s 的实验论证和应用。 4 1 理论曲线分析2 6 4 2r i i - f o s 在折射率样品方面的测试和论证3 0 4 3r i i - f o s 在浓度测量方面的实验及其应用3 l 4 4 本章小结3 4 第五章结论和展望 3 6 参考文献3 8 致谢。 硕士期间所完成的论文和专利 4 2 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 第一章绪论 1 1 引言 随着信息社会的发展，传感器技术作为高新信息技术，其重要作用日益显著。早 在8 0 年代，美国就认为世界已进入传感器时代，日本将传感器技术列为十大技术之 首，我国也将传感器技术列为国家“七五、“八五”重点科技攻关项目。光纤传感器 是世界上兴起的一种新型传感技术，是科技工作者应用光纤通讯和集成光学技术成 就，并加以发展的结晶。光纤传感器被列入现代传感器技术发展方向之一，并在理论 和应用上投入大量的研究工作，尤其是近几年，它的发展异常迅速，显现出巨大的开 发潜力，受到一些工业先进国家政府和研究单位的高度重视。光子技术是光子学与电 子学结合而成的技术，作为信息载体的光子在速度容量、空间容量、响应速度、并行 处理能力等方面具有电子所不具备的优越性。近三十年来，以光子传输与处理技术为 基础的光纤传感器应用技术逐渐成为各国研究的热点，该技术属于光子技术的研究与 应用范围，是光纤、半导体器件和光通信等技术结合发展的产物【1 6 】。 光纤传感技术是伴随着光纤及光纤通信技术发展而另辟新径的一种光学传感技 术。光纤传感检测的基本原理就是利用光纤中的光波参数( 如光强、频率、波长、相 位以及偏振态等) 随外界被测参数的改变而变化的规律，通过测量这些光波参数来实 现对外界物理量的检测，它是光纤在非通信领域中的重要应用 t - l o 。 1 2 光纤传感的基本结构和原理 一般的光纤传感系统包括发射部分、传输部分、接收部分 1 1 ，1 2 。发射部分的 光源把待传输的电信号转换成光信号，它( 光信号) 是信息的载波。接收部分的光探 测器检测光信号，并将它变换为电信号形式。传输部分的光纤传输线等效于一对铜导 线，其作用是传输载有信息的光信号。随着光纤技术的研究与开发的不断深入，光纤 己从作为通信系统的传输线，发展成为测量系统中的各种传感器。 被测物理量通过光纤传感器调制光载波的参数( 光强、相位、偏振、频率、波长 等) ，然后由光探测器检测出被调制光波中的有用信号此外，在光纤特性及其参数的 测量系统中，光源和光探测器也起着重要作用。例如，在光纤色散的测量中，光源的 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 谱宽决定材料的色散大小 1 3 。在光纤衰减测量中，光源的中心波长决定光纤衰减量。 因此，在光纤特性及其参数测量中，要根据测量的目的，来选择不同的光源和光探测 器。 从广义上讲，凡是采用了光导纤维的传感器均可称为光纤传感器。其一般形式是 利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将外界待测信号的变化调制成光参数变化，并 由光纤传输该信息到光电探测器，通过检测被调制的光参数的变化来检测出待测信 号。 1 3 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 = e os i n ( c o t + 伊) ( 卜1 ) 因此，光可以被调制的参数有光强度je o i2 、相位q 、偏振态( e 矢量的方向等) 和频率 0 3 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、频率调制型光纤传感 器。目前大部分光纤传感器属于前三类。光纤传感器根据光纤在传感器中起的作用不 同又可分为非功能型光纤和功能型光纤传感器 6 ，1 1 。 在功能型光纤传感器中，光纤不仅传输光波，而且感知被测参数的变化，即信息 的获取和传输都在光纤之中，具有传、感合一的特点。当待测信号如温度、压力、振 动等作用于光纤时，会引起光纤的长度、形状、折射率等参数发生变化，从而使光纤 中传输的光强度、相位、偏振态等发生变化。为了使传感光纤对待测信号敏感而对环 境参数的变化不敏感，功能型光纤传感器中对所用的光纤要求高，一般均为特殊光纤。 功能型光纤传感器的光调制约束在光纤内部，一般具有高的灵敏度和分辨率。大部分 相位调制型光纤传感器都属于功能型光纤传感器。 非功能型光纤传感器是利用外加的敏感元件对光进行调制，光纤只作为传光介 质，起信息传递作用，它对外界信息的感知是通过其它的敏感元件来实现的，故又称 之为传光型光纤传感器。但由于非功能型光纤传感器中，光调制在光纤外进行，故容 易产生附加损耗。因此非功能型光纤传感器中的其性能在很大程度上依赖于从光纤进 入传感器的光功率，因而主要采用纤芯直径较大、传递光通量大且受环境影响小的多 模光纤。 光纤传感器按照调制原理，即根据外界信号可能引起光的强度、波长( 颜色) 、频 2 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 率、相位、偏振态等性质发生变化，可以分为强度调制、波长调制、频率调制、相位 调制和偏振态调制等。而在这些原理不同、特点各异的光纤传感器中，强度调制型光 纤传感器的突出特点是技术简单、性能可靠、价格低廉，因此强度调制型光纤传感器 的实际应用范围非常广泛。实现强度调制的方法有很多种，例如利用小的线性位移或 角位移来实现强度调制、利用光闸实现强度调制、反射式强度调制、利用光纤微弯产 生的损耗实现强度调制、利用折射率的变化进行强度调制、利用光纤的吸收特性进行 强度调制、利用电压或表面声波衍射进行强调调制以及利用数字编码技术进行强调调 制等。 1 4 光纤传感器的优点 由于光纤有良好的传光特性( 对光波的损耗目前可低达0 2 d b k m ) ，有比微波高 5 个数量级的宽频带，再加上光纤本身就可作为一个敏感元件，即光波在光纤中传输 时，振幅、相位、偏振态等将随着检测对象变化而相应地发生变化，正是这些特性使 得它在该领域具有不可替代的用途，因此与其它传感器相比，光纤传感器具有一系列 独特的优点，主要有【6 ，1 1 】： ( 1 ) 光纤传感器不受电磁场的干扰、电绝缘、本质安全。当光信息在光纤中传输时，它 不会与电磁场产生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。这一特点使这 类传感器特别适合于电力系统，因为电力系统本身就是一个很强的电磁场干扰源。 ( 2 ) 光纤导光性能好，损耗低。光纤传输频带宽，可以无失真的传输信号。此外，通常 要检测和传输的信号都比较微弱，利用光纤的这一特性，可以基本实现信号无损耗的 传输和接收。 ( 3 ) 绝缘性能好。光纤是非金属材料，不导电，其外层涂敷材料硅胶亦不导电，因而光 纤的绝缘性能好。因此光纤传感器用来测量高电压设备( 如高电开关、变压器等) 的各 项参数就很方便，并且传感器的结构简单。 ( 4 ) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠的优点， 因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于航空航天以及狭 窄空间的应用。 ( 5 ) 便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。 ( 6 ) 防爆、耐腐蚀。由于光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、 漏电等不安全因素，所以光纤传感器的安全性能好，另外光纤为非金属材料，耐腐蚀， 3 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 因此也特别适用于易燃、易爆、有强烈腐蚀性的环境中。 1 5 光纤传感器研究现状及发展趋势 1 9 6 6 年英国的k c k a o ，g a h o c k p a m 等人首先提出了用玻璃纤维传输光信息， 奠定了光纤通讯和光纤传感技术的理论基础，引起了学术界和实业界的极大兴趣，也 推动了光纤制造工艺的研究发展；1 9 7 0 年美国康宁公司的d b k e c k ，a r n e s 等人率先 制造了低损耗( 2 0 d b k m ) 石英光纤，随后光纤在光通讯等领域逐渐得到了广泛应用， 同时人们逐渐意识到利用光纤的许多特性可以进行物理量的测量，7 0 年代中期光纤传 感器一经出现，就受到各国有关研究部门和产业界的高度重视 2 6 】。 1 5 1 国外光纤传感器的研究现状 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起 了高度的重视，各发达国家更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。 美国是研究光纤传感器起步最早，水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方 面，其进展都十分迅速。在军事应用方面，他们研究和开发主要包括：水下探测的光 纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。 美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的 电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品 的细菌和病毒等。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点已向民用领 域转移，民用光纤传感器的产量已大大超过军用传感器。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费来开展光纤传感器的研究与开发。日 本在8 0 年代便制定了“光控系统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂， 以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。9 0 年代，由东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机构，研究开发出1 2 种具有一流水平的 民用光纤传感器，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。西欧各国的大型企业和公 司也积极参与了光纤传感器的研究、开发和市场竞争。 1 5 2 国内光纤传感器的研究现状 我国在7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目 前己有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中科技大学、武汉理工大学、 重庆大学、哈尔滨工业大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等。他们在光 纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究， 4 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世 界先进水平。每年发表的论文、中请的专利也不少。但与发达国家相比，我国的研究 水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研 制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。 1 6 课题的研究意义和背景 物质的折射率是一个十分重要的基本物理参量，它反映了物质内部的许多信息。 同时，折射率与其它的一些参量如温度、浓度密切相关。因此对物质折射率的测量， 在许多研究领域都有广泛的应用 1 4 ，1 5 。通常测量液体折射率的方法是使用技术成 熟的椭偏仪【1 6 】和运用全反射原理【1 7 ，1 8 的阿贝折射仪等现有仪器，其测量精度虽 高，但操作复杂，使用时还要一定的技术要求。为此，不断有人提出各种各样的测量 原理和实验，其中比较具有代表性的方法有干涉法、最小偏向角法h 9 、一次、二次 彩虹法【2 0 】、布儒斯特角法【2 1 】、转角法【2 2 】等。干涉法又包括迈克尔逊干涉仪法【1 0 】、 法布里- 珀罗干涉仪法【2 3 】、马赫一曾德干涉仪法【2 4 】等。然而前面这些方法中，有的折跏， 射率测量范围受限制，有的要求对被测样品进行复杂) j n - r ，有的仪器调整复杂，测量 工作繁重，并且这些方法中大多都是采样测量，因而无法实现远距离和实时测量。因 。 f ： 此，寻求和研究可用于光纤的折射率测量机制和技术，成为研制实用可靠的光纤折射 率传感器的关键所在。 浓度是表征介质溶液特性的主要参量之一，对溶液浓度的测量与控制在造纸、化 ，乒 工、制糖、食品、制药等行业中有着广泛的应用，它是保证产品质量和提高产品质量 的重要技术手段。目前在溶液浓度的检测方面，尤其是在线溶液浓度的检测与控制方 面还处于较落后的状态。虽然古今中外，人们研究了很多种浓度检测技术( 比如密度 计，渗透法等) 。在这些方法中，传统的滴定法【2 5 1 ，比色计法，旋光计等方法都需取 样测量。商业的阿贝或者一些基于全内反射法的变型的阿贝测试方法【2 6 】都不适合远 程监控。近年来，一些文献报道运用折射的方法【2 7 】被应用来做远程测试。但是这些 方法以及还有一些运用吸收谱的方法都只限于测试透明物质 2 8 - 3 8 ，并且很大程度上 受限于测试波长，对于一些具有强吸收或强散色的材料就很难检测。最近又有一些文 献报道使用基于波长偏移的光声法【2 8 】，拉曼光谱等方法【3 8 】，s p r 光纤传感【3 9 】，以 及光纤光栅【4 1 】来检测浓度，这些方法测试精度高，但是这些方法或是需要比较贵重 的检测仪器，或是操作复杂，或是需要去光纤包层等原因而很难推广使用 3 0 - 4 1 】。因 5 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 而研究一种价格便宜，易于操作并且能够实时进行远程监控的方法变得非常有意义。 1 7 本文的主要研究内容和创新点 4 3 4 7 本文基于光纤端面菲涅耳反射原理设计了一种能够用于折射率和溶液浓度测试 的r i i f o s 传感系统。该系统相对以前的一些测试方案，除了具有光纤传感系统所具 有的一般优点之外，还具有一些独特的特征： ( 1 ) 测量灵敏度高，操作简单： ( 2 ) 造价便宜，有利于市场推广； ( 3 ) 能够实现远距离检测和实时监控； ( 4 ) 抗干扰能力强( 除了抗电磁干扰外，还能消除环境对传输部分的影响) ； ( 5 ) 用途广泛，一套系统能实现两种物理量( 折射率和浓度) 的测试。 本文的主要研究内容以及所做的工作如下： ( 1 ) 首次设计了一种由l d 、p i n 和光纤耦合器构成的、普通的p c 接头作为传感探测 头，采用双通道光纤端面反射式结构的智能强度调制型光纤传感系统( r i i f o s ) ； ( 2 ) 基于界面反射光强对材料的折射率大小变化非常敏感的原理，推导出相对光波强 度与折射率的理论关系； ( 3 ) 通过对测量原理的分析和拓展，首次提出了一套系统用于折射率和溶液浓度两种 测试方案，并对方案的可行性进行了分析； ( 4 ) 设计实验对系统各参数进行验证。分析和处理的实验数据，论证了r i i f o s 系统 应用于测试的可行性。并更进一步证实了系统精度高，实时性好和抗干扰能力强 等优点。 本论文分为五章来描述和介绍r i i f o s 的结构和设计过程。第一张主要介绍了光 纤传感的背景，特别是光纤浓度，折射率传感系统的背景以及课题开展的意义；第二 章重点介绍和分析了光纤传感系统的常规元件的性能，以及对于本课题系统的选型： 第三章详细介绍和分析了r i i f o s 系统的原理和各参量之间的公式推导；第四章报道 了系统的实验设计和论证；最后第五章总结了论文的工作和展望。 6 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 第二章光纤传感系统元件性能分析和选型 2 1 光源特性 光源的特性决定于光纤传感器能否达到预计的指标 4 8 5 2 。因此只有了解光源 的特性，在系统的设计中才能选择合适有效的光源。 ( 1 ) 输出功率 对于一个带有光纤输出的光源，要求是从光纤终端射出的光通量应最大。这个量 的大小取决于光源的波长和射入光纤的光通量。射入光纤的光通量与光源和光纤的耦 合效果以及光源的亮度有关。发射效率直接与纤芯面积和光纤的输入数值孔径有关。 在射线光极限内，一个线性无像差透镜系统能保持其收光面积与收光立体角之积不变 4 8 - 5 4 。因此，由光源射入光纤内的光功率取决于该光纤的面积与立体角的乘积以 及光源的亮度，即光源单位面积辐射立体角内所辐射的功率。对任何光纤系统，高亮 度的光源都是很重要的。光源的面积和数值孔径应精确地匹配，因为任何透镜都会产 生像差，这使其受光面积和立体角之积减小。在实际中，人们常用透镜结构来实现最 佳的功率耦合。 ( 2 ) 辐射频谱 光源辐射的频谱特性应与塑料光纤波导的传输频率响应特性匹配。在波长 0 3 8 - 0 7 8 u r n 的区域内，传输损耗较低，能满足不同的系统的要求。对各种传感系统 来说，短波长段( 0 7 8 u m ) 的损耗较低。由于在吸收峰之外，光纤损耗随波长变化缓慢， 故对具有频谱宽度较大的光源来说，损耗可以看成是一个常数；然而，如果光源的频 谱宽度较宽，光纤的微分衰减将产生滤波作用。结果输出端的光谱比输入端的光谱窄。 由于材料的折射率随波长变化，故光源的频谱宽度会影响光纤的材料色散。在渐变折 射率光纤中，修正光纤的剖面折射率，可改变其宽度特性，这成为剖面色散。在谱宽 为几千纳米时其影响与材料色散影响数量级一样。 ( 3 ) 电光转换 施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常输出功率随电激励的增加而增 加。但是，器件的温度也随电激励的增加而升高。因此，对于大多数电光转换器件来 说，非恒温的输出光功率比恒温的稍低，且光频将发生变化。对于发光二极管，这可 7 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 能是由于能带间隙随温度产生微小变化引起的。对于激光器，这种效应是腔体长度、 激光媒质折射率、耀光媒质的非线性效应以及影响折射率的电子浓度受热扰动的结 果。因此输出强度和频率通常都是电偏置的函数。其它效应也会发生变化。如过剩噪 声的影响与偏置密切有关，尤其是在激光器中，表现的尤其明显。 半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源。其主要优点是体积小、重 量轻、可靠性高、使用寿命长、亮度足够、供电电源简单等。它与光纤的特点相容， 因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。半导体光源又分为发光二极管( l e d ) 和半导体激光器( l d ) 。这两种器件结构明显不同，但却包含相同的物理机理。增益带 宽高于任何其它媒介，主要由于光子发射是因两个能带间的电子运动所致。半导体激 光器的典型增益曲线延宽到1 0 1 2 h z 。l e d 和l d 的共同特点是：体积小、重量轻、功耗 低。它们的区别主要表现：l d 是相干光，发光谱线窄，入纤功率大：而l e d 输出非相 干光，谱线宽，入纤功率小，光束发散角大，但l e d 有输出特性线性好，使用寿命长， 使用简单，价格低廉，因而获得广泛的应用。 2 2 电转换器一光探测器 光电转换器也称光探测器是光接收系统的前端，其灵敏度、带宽度等特性参数直 接影响光纤传感系统的总体性能。在光纤传感系统设计中，为了正确选择光探测器， 应了解反映光电探测器特性的参量。 ( 1 ) 量子效率 光探测器吸收光子产生电子，光电子形成光电流，光电流与光功率成正比。设旺 为光电转换因子，口= 罟，e 为电子电荷，h 为普朗克常数，九为入射光频率，1 1 为量 子效率，p b x 为单位时间入射到探测器表面的光子数，i t 。为单位时间内被光子激励的 光电子数，由于光子统计理论可知，光电流i 与入射光功率p 的关系如2 - 5 式： j = a p ：署p ( 2 一1 ) 量子效率t 1 定义为： 刁= 警( 2 - 2 ) 刁= ： 对于理想的探测器，l l = l ，即一个光子产生一个光电子。实际探测器v l n 2 。 图2 1 光纤的物理构成 这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率，保证了光主要限制在纤芯里进行 传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐，以保护光纤不受外来的损害， 增加光纤的机械强度。光纤的最外层是外套，是一种塑料管，起保护的作用。不同颜 色的塑料管还可以用来区分各种标准的光纤。 2 4 2 芯径 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 对于单包层光线，芯径为d ，设纤芯轴心处的折射率为n l ，包层折射率为n 2 ，则 纤芯包层间的折射率差可定义为： = 孚孚2 了a n ( 2 1 3 ) 2 n , ，z 甩 式中a n = r 6 一，疗= 互导他。对于多包层光纤，在分析时，需给出各内包层 的厚度和折射率，外包层仅提供一个界面，其厚度可视为无限大。 2 4 3 折射率分布 普通光纤折射率分布一般有两种：一种是光纤材料的折射率为均匀阶跃的，称为 阶跃光纤，如图2 - 2 ( a ) 所示。途中n l 为纤芯折射率，n 2 为包层折射率，n l n 2 ；另一种 是纤芯材料折射率沿光纤径向递减，称为渐变折射率光纤或梯度光纤，如图2 - 2 ( b ) 所 示。图中n ( r ) 为折射率分布函数，当r = o 时，n ( o ) _ n l ，当同或r = a 时，n ( a ) = n ( a ) = n 2 ， 即轴心处折射率为n l ，交界处折射率与包层折射率相等，都为n 2 。 - v ， m jl 卫 f 呷， 厂 。、j - - - - 4 ，_ - - l l t o ) 鑫 f 图2 2 纤芯折射率分布 纤芯折射率分布形式的不同，决定了纤端光场分布的不同。也就是说不同类型的 光纤，其纤端光场分布函数会有所不同，因而其有效折射率也会有所差别。 2 4 4 光纤的损耗特性 当光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光强将减弱，这意味着光在光纤中传 播产生了损耗光纤损耗的来源大致分为吸收损耗和散射损耗两类，此外损耗还可能来 自材料和波导结构。尽管光纤的损耗原因多种多样，但基本上可以用实验公式表示为： 绵：1 0 x l o gp。(2-14) 绵2 了一 式中，郎为每公里的光纤衰减系数，p o 为输入端光功率，p 1 只为输出端光功率，l 1 2 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 为光纤长度。因此光纤的输出端光功率可表示为： 丑却冲( 一等) p 均 一般说来传感器的光纤长度不会有太大的变化，因此指数部分可以看作是一个常数。 2 5 本章小结 对光纤传感系统的基本组成器件的理论和特性进行分析。对本课题所采用的光 源、光探测器、光纤耦合器和光纤等光学系统部分，将其工作原理加以详尽的阐述和 分析。 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 第三章基于界面反射的强度型光纤传感器( r i i f o s ) 的 基本原理 r i i f o s 是一种基于光纤端面反射强度调制原理，实现高精度、高重复性、快速 响应和高性价比的强度调制型光纤传感系统。该传感系统运用相对测试的方法，大大 提高了测量的精度和稳定性；将光纤探头和电子处理单元隔离开，使信号处理单元不 受环境高温影响，并提高了抗电磁干扰能力。整个仪器主要分为以下几个部分：光路 结构，单片机智能处理单元、液晶显示与按钮接口等几个部分组成。整个原理框图见 图3 1 。 l j 光滋舷凌 叫 弋7 。璐l 1 嘏 宠纤蒋感受及 卜 毙瞧辚挠 ， 毙路结梅 叫 辫辩， 少 7 j a t m e g a i i s 零片执 j 虢凝虢舔 函目 叫 图3 1r i i f o s 系统结构图 仪器的工作过程为：激光器发出的光经光纤传输至光纤与待测物的接触面，发生 菲涅耳反射后用光纤传导至光电二极管，光电二极管输出电信号完成光电转换，利用 信号调理单元将电信号进行放大和对数变换送入单片机，用单片机进行数值处理，在 单片机中用软件完成被测溶液浓度的线性校正以及系统校正等功能。处理后的数据利 用数字模拟转换器将浓度信号转换成电压信号输出，最后由显示出计算出的折射率或 溶液浓度值。 3 1 光学结构和基本原理 1 4 基于界面反射的强度型光纤传感系统研究 光学结构的设计是光纤传感系统最为重要和关键印謦分，夺节将详细介绍如何用 光纤传感来在线测量溶液的折射率的基本原理和光学结构。 3 1 1 界面反射的基本原理r