（光学工程专业论文）白光非本征fabryperot干涉型光纤微位移传感器的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 白光非本征f a b r y p e r o t 干涉型光纤微位移传感器的研究 专业：光学工程 硕士生：曾斌 指导老师：江绍基副教授 摘要 随着社会的发展，大型建筑和设施的安全监测显得越来越重要。白光非本征 f a b r y - p e r o t 干涉型( e x t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t r i c 简称e r r ) 光纤微位移传 感器作为一种新型应变传感器在监测中有着很好的应用前景。 本论文首先在同时考虑光纤的耦合与多光束干涉的基础上，建立了自光e f p i 微位移传感器的理论模型。对模型进行了详细的推导，得到了实际应用下白光干 涉理论公式。同时得出了微位移的测量原理。 其次对传感器头的光学微加工进行了研究和总结，包括光学抛光、光学封装、 光学镀膜等。探讨了制作过程中的工艺问题。设计了实验系统验证提出的理论模 型的正确性。 针对实际工程应用中的实时测量和远程控制的特点，将虚拟仪器技术与e f p i 传感器结合起来，通过g p i b 转u s b 数据线，用v i s u a lb a s i c 语言编写微位移的 实时监测程序，实现了微位移的动态测量。 本论文最后对光纤端面镀膜的测试进行了初步的研究，得到了较好的结果。 对传感器的温度特性进行了分析。分析了传感器的测量精度和范围，得到它的测 量精度可达到z m 量级，测量范围在2 4 3 0 0 t m 之间。 关键词：光纤传感器；非本征型f a b r y - - p e r o t 十涉；光谱；微位移；虚拟仪器 中山大学硕士学位论文 t h e s t u d yo fw h i t e - l i g h te x t r i n s i cf a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t r i co p t i c a l f i b e rs e n s o ri nm e a s u r i n gm i c r o - d i s p l a c e m e n t m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：b i nz e n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h a o - j ij i a n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y , t h es e c u r i t ym o n i t o r i n go fl a r g e s c a l e e s t a b l i s h m e n t sa n d b u i l d i n g sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h eo p t i c a l m i c r o d i s p l a c e m e n t f i b e rs e n s o rb a s e do n w h i t e 1 i g h t e x t r i n s i c f a b r y - p e r o t i n t e r f e r o m e t r i c ( e f p l ) ，a san o v e ls t r a i ns e n s o ru s e di nt h es t r u c t u r a lm o n i t o r i n gf i e l d ， h a sc h a r m i n gp r o s p e c t a tt h eb e g i n n i n go ft h i s p a p e r , t h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ew h i t e l i g h t e f p i m i c r o - d i s p l a c e m e n ts e n s o ri sp r e s e n t e db a s e do nt h et h e o r yo fo p t i c a lf i b e rc o u p l i n g a n df a h r y - p e r o ti n t e r f e r e n c e t h em o d e li sd e m o n s t r a t e di nd e t a i l ，w h i c hl e a d st oa f o r m u l au s e dt om e a s u r ea b s o l u t ed i s p l a c e m e n tt h r o u g hs i c l e c t r u m m e a n w h i l c ，t h e t h e o r yo fm e a s u r i n gt h em i c r o d i s p l a c e m e n ti sa t t a i n t e d t h e ns o m eo p t i c a lm i c r o m a n u f a c t u r em e t h o d sf o rt h es e n s o ra r es t u d i e da n d s u m m a r i z e di nt h ew o r k ，i n c l u d i n go p t i c a lp o l i s h i n g ，o p t i c a lp a c k a g i n ga n dc o a t i n g e t c s o m et e c h n i c a lp r o b l e m sa b o u tp r o d u c i n gt h es e n s o ra r ed i s c u s s e d as y s t e mi s a l s oc o n s t r u c t e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a lm o d e l i no r d e rt om a k et h es e n s o ra p p l i c a b l et or e m o t ec o n t r o la n dr e a l - t i m em o n i t o r i n g o fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，c o m b i n i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n de f p io p t i c a lf i b e r m i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o r ，t h ew o r kc o n n e c t st h ec o m p u t e rt ot h eo p t i c a ls p e c t r u m a n a l y z e rt h r o u 曲g p i b ( g e n e r a l - p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) b yv i s u a lb a s i cl a n g u a g e a l l o ft h o s em a k et h ea p p l i c a t i o no fe f p io p t i c a lf i b e rm i c r od i s p l a c e m e n ts e n s o r r e a l i z a b l e f i n a l l y , t h ef i b e re n df a c ec o a t i n ga n di t st e s t i n gi sp r i m a r i l ys t u d i e d ，w h o s er e s u l t i sa c c e p t a b l e t h et e m p e r a t u r ef a c t o ro ft h es e n s o ri sa l s oc o n s i d e r e d a n dt h ee r r o ro f t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h er a n g eo fm e a s u r e m e n ta r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r ；e x t r i n s i cf a b r y - - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ；s p e c t r u m ； m i c r o - d i s p l a c e m e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n t i i 第1 章绪论 第一章绪论 传感器技术是现代信息技术的重要内容，是2 1 世纪人们在高新技术发展方 面争夺的制高点之一。在国外，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发 展的关键，从2 0 世纪8 0 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技 术之首，美国等各西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内 容。我国在2 0 世纪8 0 年代以来也己将传感器技术列入国家高新技术发展的重 点。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成 可用信号的装置：从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置1 1 j 。 而光纤传感器是传感器家族中的一支新秀，它是以光波为载体、以光纤为媒介的 新型传感器。光纤的许多物理特性，如双折射、偏振特性、传播常数、衰减等会 随着外界因素的变化而变化。结合新型光学材料的物理特性，如透光性、声光效 应、应力应变效应、电致伸缩效应、法拉第磁光效应及其它材料的物理特性，可 用光纤制成种类繁多、功能各异的传感器。可用于测量温度、压力、流量、位移、 振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等上 百种物理量【2 j ，这些物理量分布在工业、农业、科研、国防、建筑、环境、航天 航海等不同的领域。如桥梁或大型建筑结构安全监测系统中动态应变、温度、加 速度等物理量；电力系统的发电、输电、变电、配电等各个阶段必须进行的计量、 控制、保护、监测和维护等。 1 1 光纤传感器 光纤传感器是自7 0 年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技术发展而飞速 发展的新型传感器吼经过2 0 多年时问的发展已经有了长足的进步，已成功研 制了种类繁多的光纤传感器【4 ；i 。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于： 山大学硕士学位论文 传统的传感器是以应变一电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传 输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是 在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故等；而光纤传感器是以光信号为变换和 传输的载体，利用光纤传输信号。它具有许多独特的优点【5 】： ( 1 ) 不受电磁场的干扰。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，使其特别适合于电力系统； ( 2 ) 绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导 电，很方便测量带高压电设备的各种参数； ( 3 ) 防爆性能好，耐腐蚀。由于在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，因此，光纤传感器的安全性能好，适合于 有强腐蚀性对象的参数测量； ( 4 ) 导光性能好。对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计， 利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视其火焰的状态； f 5 ) 光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器用于测量特殊对象及场合的 参数： ( 6 ) 光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1 0 “h z ，从而使传感器频带范 围很宽，动态范围很大： ( 7 ) 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： 光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、 工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。随着 科学技术的飞速发展，电子与通信产品向高精度、小型化发展，对传感器提出了 更高的要求。2 1 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三 大支柱之一的传感器技术必将有更大的发展【6 j 。 第1 章绪论 1 2 光纤传感器的发展趋势 近年来，光纤传感器虽然每年都有大量的文章报导，但多数还处于实验室研 究中1 7 。随着科学技术的飞速发展，电子与通讯产品向高精度、小型化发展， 对传感器提出了更高的要求。因此光纤传感器的发展趋势为【”】： ( 1 ) 全光纤小型化。近年来传感头全由光纤构成且只用一根光纤已成为发展 趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠。目前光纤之间的熔接损耗为0 1d b 左右，这样的损耗不影响传感头的正常工作。但目前光纤之间的粘接技术及光纤 端面抛光、镀膜等相关技术还有待进一步研究。 ( 2 ) 多参量智能化。它是指一个传感器可以同时测量多个参量，这样既可减 少测量装置的元件，又提高了测量精度，为此近年来多参量传感器的研究备受关 注，很有发展前途。 ( 3 ) 高精度实用化。高精度传感器是科学技术发展的需要，实用是研究的目 的。光纤传感器在研究过程中各组成元件都线性理想化，与实际有一定的差距。 为此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实用阶段的基础。 1 3 光纤传感器技术及其在结构安全监测中的应用n 】 大型建筑设施( 如高楼大厦、桥梁、水坝等) 在人们的日常社会生活及经济 活动中起着日益重要的作用，可以说我们就生活在由它们构成的环境当中，它们 本身的安全与否就直接关系到人们生命财产的安全与否。不难想象，如果在一条 繁忙的高速公路上，有一座桥梁由于其本身的原因突然发生了垮塌，将会产生怎 样的后果：然而，如果我们通过一些检测措施对它们的安全状况进行监测，这样 就可以主动掌握和了解它们的情况；当它们万存在安伞隐患时，能及时的采取 相应预防措施，避免不必要灾难的发生，从而确保国家和人民生命财产的安全， 维护社会的安定。因此，对大型建筑设施进行状态监测、掌握其安全状况、实现 事故预先报警具有十分巨大的社会效益及科学价值。对大型建筑设施安全状况的 。 j 山大学硕十学位沦文 监测实际上是一个多参数的监测，但由于应力是反映结构受力与破坏状况的关键 指标，而应力与应变又具有对应关系，因此对大型建筑设施的结构进行应变测量， 是结构状态监测的主要方法之一。目前，对应变的测量大多数是采用电测法， 典型的是用应变片做传感器将机械变量转变为电信号。采用这种方法可以实现对 结构应变的监测的多点巡回检测，而且可以做到数据的收集、记录和处理的自动 化，节省了人力，提高了测量效率；同时，避免了人工测量时，因为测量时间长 所带来的误差，提高了测量精度。但是电阻应变片因其原理限制，容易受到引线 连接质量及长度、环境温度和电磁场变化等诸多因素的干扰而产生温漂、时漂， 因此它比较适合在较短时间内进行测量，因而常用在土建结构的一次性竣工验收 测试中。而大型建筑设施建设周期与使用寿命都比较长，这时常规的电阻应变仪 便难以满足其施工监测和服役期间的状态监测的需要，因此研发出能满足大型建 筑设施安全监测要求的长期在线应变测量新方法及设备便成为土建工程界的重 大科学与技术问题，也是一个重大社会问题。 经过近几十年的努力，人们研制出现了钢弦( 振弦) 应变计、石英压力传感 器、压磁式应力传感器、应力膜盒等传感器，并提出了钻孔取样分析法、超声波 探测法等新的测量方法。但是这些电类的测量方法并没有能彻底解决电阻应变片 现场标定、信号漂移、远距传输、长期稳定等几个方面存在的问题，而且这些测 量手段的价格却远高于应变片，因而，土木工程界仍然迫切需要一种能满足大型 建筑设施安全监测要求的长期在线应变测量新方法及设备。鉴于以上原因，光纤 传感技术走进了人们的视线。 1 - 3 1 用于结构安全监测的光纤传感技术研究现状 鉴于光纤传感技术的诸多优点，它一出现就受到世界各国有关学术界和研究 机构的高度重视。一些工业发达田家投入了相当多的人力、物力先后制定发展规 划。许多高校、科研机构和企事业单位也在这方面展丌了深入细致的研究一作。 其中有相当部分工作集巾在将光纤传感器技术如何应用在结构安全监测方而 的研究。椐调查，美国、加拿大以及西欧的德国、瑞士等圉从上世纪9 0 年代初 丌始进行将光纤传感技术用于大型关键建筑的安全检测方面的研究和应用工作 4 第1 章绪论 12 - 1 3 1 。到f 1 前为l ：，已经在很多重要的商层建筑、大坝和桥梁中实现了存线实 时自动监控，取得了比较好的效果，如美国的v e r m o n t 大学从9 0 年代初开始 将光纤传感器应用于上水建筑的安全监测，1 9 9 3 年即完成了实验室研究，并开 展了实用化方面的研究工作，于1 9 9 3 年在w i n o o s k i 一处水坝利v e r m o n t 一个 兴建的建筑上安装r 光纤传感器探测裂纹，并利用互联网进行准文时通信，实现 了对结构的远程安全监测。1 9 9 6 年，d a v i s m a 在美国新墨诬哥掩斯克鲁塞斯市 的t - 1 0 桥安装r6 0 个f b g 光纤传感器，成功的实现了对桥梁的动态响应的测 量，从而可以监视动态载荷引起的结构退化和损伤，了解桥梁的交通状况的长期 变化。1 9 9 7 年佛蒙特大学的研究小组在w a t e r b u r y 的一座6 7 米的钢结构架大桥 上安装了结构健康监测系统，测量数据传输到中心计算机分析并可从互联嗍状取 分析结果。2 0 0 2 年k u n z l e rm a r l e y 等人为美困波特市t 一8 4 高速公路研制了光纤 光栅交通监测系统，2 0 0 3 年又推出了第二代交通监测系统。 案例：在o r e g o n ，将2 8 个光纤光栅应变传感器布设在c o l u m b i ar i v e rg o r g e 具有历史性意义桥梁h o r s et a i lf a l l s ：，对其外部复合加筋结构进行健康监测 “。如陶1 1 所示。 图1 1( a ) c o l u m b i ar i v e rg o r g e 上h o r s et a i lf a l l s 桥 f b l 工作人员安装布拉格光栅传感器 存加拿大，1 9 9 3 年r a y m o n d m m e a s u r e s 等人首先丌始了光纤光栅传感器在 桥梁的实际监测应用。力拿大卡尔加里r h 建造的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥采用了三 种预应力筋：传统钢筋，碳纤复合拉索，碳纤拉杆。为了完成三种预应力筋的性 能对比，r a y m o n dm m e a s u r e s 等人存这些预应力筋上布簧了光纤光栅传感器， 实现结构应力状态的长期监测。 在欧洲，1 9 9 7 年n e l l e n e m 等人在瑞i 温特图尔的s t o r c k 夫桥的碳纤拉索上 中山大学硕士学位论文 同时粘贴了光纤传感器和电阻应变计，该系统连续运作了几年。2 0 0 1 年 g e v r e m i c h a e ly m 等在挪威的长度为3 4 6 m 的钢架公路桥通过空分复用和波分复 用f b g 传感器，构建了一个实时静态和动态监测系统。周年m a g n es y l v a i n 等人 在法国波尔多地区的s a i m j e a n 大桥贴装了1 4 个波分复用光纤光栅张力计和光 纤光栅温度计，监测系统经受住了寒暑季节变化的考验。 图1 2 法国波尔多( b o r d e a u x ) s a i n t j e a n 大桥 国内自上世纪八卜年代以来，即开展了光纤传感技术的研究，先后有北京 1 5 - 1 6 1 ，黑龙江【1 7 】，江苏，河北，重庆 2 0 - 2 1 1 等地的数十所高校和研究机构从 事了这方面的基础及应用研究，但是对光纤传感器在结构安全监测方面的应用研 究开展得很少，而且远没有达到实用化的程度。 1 3 2 几种在结构安全监测中常用的光纤应变传感器 迄今为止，已发明的可以用于结构安全监测中的光纤应变传感器达数十种之 多，而在实际结构安全监测当中，光纤光栅应交传感器2 2 吒引、迈克尔逊干涉型 光纤应变传感器 2 4 - 2 5 1 、光纤法珀( f a b r y p e r o t ) 应变传感器【2 6 - 2 7 1 等应用最为普遍。 一1 光纤光栅( f i b e rg r a t i n g ) 应变传感器1 2 2 - 2 3 1 光纤光栅传感器是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，将呈空间周期性的强紫外 激光照射掺杂光纤、从而使掺杂光纤的纤芯形成折射率沿轴向周期性分布，得到 一种芯内位相光栅，即光纤光栅，亦称为光纤布喇格光栅( o p t i c a lf i b e rb r a g g g r a t i n g ，缩写为f b g ) 。根据布喇格衍射原理，当多种波长的光束由光纤内入射 到光纤光栅上时，只有某一个波长的光被反射并沿原路返回，其余所有波长的光 都无损失地穿过光纤光栅继续往前传输如图1 3 所示 第1 章绪沧 九b九l ，九2 ，九m 图1 - - 3f b g 传感器( a ) f b g 原理图( b ) f a 6 测量系统 被反射的那一个波长称为布喇格波长h ，它由光纤光栅的栅距a 及有效折 射率h - 决定： 九= 2 - 厅- a ( 1 - 1 ) 将光纤光栅粘在所测对象的表面或者埋在其内部，当结构应变使f b g 的栅距a 或有效折射率万产生变化时，被光纤光栅反射的布喇格波长h 亦产生相应变化， 如图1 4 所示； 1 归 化0 5 强 度 0 - ( ，- j j 知 九l抽妇 抽缸 一抽一 让1 ，一一1 图1 - - 4f b g 反射光波长随外界的变化 因此通过求出被光纤光栅反射回的光波长发生的变化九就可以求出光 纤光栅发生的应变，进而求出所测对象的应变。例如：美崮的s p a 公司用光纤 光栅传感器对复合船用桩结构的安装过程及长期监测。光纤光栅传感器在复合船 用桩的安装过程中以及平台下降过程中丝毫未损。结构加载监测数据通过商用通 信系统远程传送。如图1 5 所示。光纤光栅传感器监测加载以及平台下降过程中 应力结构数据与电阻应变片的结果基本吻合。 中山大学硕士学位论文 图1 5 桥桩应变监测系统示意图 但是光纤布喇格光栅制作成本较高，而目前制作的光栅稳定性不太好，会 随着时间漂移而变化，因而长期监测能力有待进一步考验。 二) 迈克尔逊( m i c h l s o n ) 干涉型光纤应变传感器口4 岱1 图1 6 迈克尔逊干涉型光纤应变传感器原理图 迈克尔逊干涉型光纤应变传感系统示意图如图1 6 所示。将一根光纤埋在 被测对象当中，该光纤称为测量光纤。另一根光纤装在一个管中埋在测量光纤的 附近，光纤在管巾处于自由状态，称该光纤为参考光纤。将两光纤的端面加工为 镜面，把它们连到光纤耦合器；在开始安装时，确保参考光纤和测量光纤从它们 的反射端面到耦合器的长度相等。这样测量光纤和参考光纤就形成了一个迈克尔 逊干涉仪。当被测对象的结构发生变化时，测量光纤的长度将发生变化，而参考 光纤由于处于自由状态，因此它的长度并不发生变化。这样从宽带光源发出的准 相干光从耦合器入射到两光纤，经光纤的端面又反射到耦合器之后，两柬光之问 第1 章绪论 就会存在光程差，而光程差的大小由结构应变的大小决定。从两光纤反射回来的 光，经耦合器后，又传输给另一个迈克尔逊干涉仪，在这旱将它称为解调用迈克 尔逊干涉仪。该干涉仪的特点是它其中个反射镜是可以移动的，而且能精确地 读出它移动的距离。因为从光源发出的光为准相干的宽带光源，所以我们不难得 出，让可移动的反射镜面在其移动范围内扫描次，解调用干涉仪输出光将会产 生三个干涉亮条纹，如图1 7 所示。 归 化 强0 - 5 度 x t融 挣动反射镜位置 图1 7 迈克尔逊干涉型光纤应变传感器输出光强 其中中间的亮条纹对应于当解调用迈克尔逊干涉仪的两光路光程相等时可移动 镜面的位置；两边的亮条纹对应于当解调用迈克尔逊干涉仪的两光路光程差和测 量用迈克尔逊干涉仪的两光路光程差相等时可移动镜面的位置，这样由移动镜面 的位置就可以求出所测对象发生的应变。当所测结构的应变发生变化时。则边上 两条亮条纹的位置也将发生变化。迈克尔逊干涉型光纤法珀应变传感器目前在欧 洲各国使用得较多，但是由于它要将两根有一定长度的光纤全部埋在所测对象的 结构当中，因此其在实际工程中的安装工艺要相对复杂些。 三) 光纤法布里珀罗( f a b r y p e r o t ) 应变传感器陆2 7 1 光纤法布里珀罗应变传感器是目前用得最为普遍的一种光纤应变传感器，它 的核心部分是一个法布里珀罗腔，图1 8 为光纤法布里珀罗应变传感器的结 构示意图。 9 巾山大学硕士学位论文 图1 8 光纤法布里珀罗应变传感器的结构 将两根单模光纤的端面加工为镜面作为反射面，使两光纤端面严格平行、同轴， 形成一个腔长为s 的密封光纤法布里珀罗腔，这样就形成了光纤法布里珀罗传 感器。假设法布里珀罗腔两反射面的反射率相同，则当一束光通过光纤入射到 该法布里一珀罗腔内时，在腔的两端面发生多次反射和透射，形成多光束干涉， 在这里也可以称之为法布里珀罗干涉。反射光沿原路返回，透射光从腔的另一 端射出。 对光纤法布里珀罗应变传感器，一般都是采用反射光作为被传感器调制的输 出信号来进行处理。因为如果采用反射光，传感器只有一个输入输出端口，因此 可以使法布里珀罗传感器安装到所测结构上的工艺要简单得多。 从以上的分析中我们可以看出，和其它几种光纤传感器相比，光纤法布里 珀罗应变传感器体积小，结构简单，而且安装工艺也不复杂。因而它在大型建筑 设施的安全监测市场中更具有广阔的应用前景和推广价值。 在光纤法布里。珀罗应变传感器的具体应用当中，根据对入射光调制t * 调方 法的不同，可以将光纤法布里珀罗应变传感器分为强度型光纤法布旱珀罗应变 传感器和相位型光纤法布里珀罗应变传感器。 1 4 强度型和相位型光纤法布里珀罗应变传感器系统 一) 强度型光纤法布里瑚罗应变传感器系统 在光纤法句单珀罗应变传感系统中如果所用的光源是单色光源，则入射波 氏 为一固定值，入射光强i o ( a ) 为常数1 0 。传感器的输出光强l o u t ( r ) 是传感器 腔长s 的单值函数，对于个确定的传感器系统，测量出传感器的输出光强 第1 章绪论 i 。( r ) ，就可以求出传感器的腔长和应变。因此，在设计系统时只要确保传感器 输出光强和腔长之间的单值性，就可以使得传感器的输出光强与腔长之划实现 一一对应的关系，在实际测量时通过测量出传感器输出光强来求出传感器的腔 长变化和应变，实现对被测量的测量。从上面的分析可以看出，这一系统是基于 传感器输出光强与法布里珀罗腔长之间的对应关系而实现对物理量的测量的， 所以它称之为强度型光纤法布里珀罗应变传感器i 矧。图1 9 为强度型光纤法 布里珀罗应变传感系统的结构示意图。 罂 图1 9 强度型光纤法珀应变传感系统 它主要由光源、传感器、光电探测器和数据处理等几个部分组成。由上面的 分析可知强度型光纤法珀应变传感器结构比较简单，实现起来也比较容易。但是， 由于它是通过传感器输出光强与传感器腔长之间的对应关系来实现对应变的测 量的，因此它对光源的依赖性很强，它要求光源的稳定性非常好，而在实际当中， 光源输出光强会受到温度等外界环境的影响而发生变化，这就大大降低了系统的 测量精度。如果采用高稳定性能的光源又会大幅提高系统的成本。光强法上述的 诸多缺点限制了它在实际工程中的应用。 - - ) 相位型光纤法布里珀罗应变传感器系统 在光纤法布里珀罗应变传感系统中，如果光源采用宽带光源( 如 s l d ，l e d ) ，这时候传感器输出光强i 。f ) 不单单与法布里珀罗腔腔长s 有关， 而是法布里珀罗腔腔长s 和波长a 的双参数函数。由此可见，当光源采用宽带 光源时，传感器已不仅仅只是引起输出光强这样单个的物理量变化，而且还使得 其输出光的光谱的分布发生了变化。腔长的信息包含在传感器输出光的光谱当 中，要求出腔长，最简单的思路就是首先求出光谱的分布，再通过光谱的分稚求 出传感器的腔k 。因此，在相位型光纤法布单一珀罗成变传感器系统中，其核心 关键是光谱分析【2 9 】。因而光源波动对应变测量结果无影响。这就解决了强度型光 中山大学硕士学位论文 纤法布单一珀罗应变传感器存在的问题，有利于提高光纤法布里珀罗应变传感系 统的测量精度和稳定性。 1 5 本课题研究的主要内容和结构安排 本课题的研究内容是建立白光干涉相位型e f p i 光纤应变传感器的理论模型； 搭建实验系统对建立的理论模型进行了验证，并用于实际微位移的测量；对实验 数据进行计算机处理，编程序来实现实时测量；同时对实验过程中出现的现象进 行了分析。因此本论文的结构作了如下的安排： 第1 章简要介绍了本研究课题的背景，光纤传感器的分类及发展趋势，着 重叙述了各类相位调制型光纤传感器。最后介绍本课题来源及论文的结构安排。 第2 章叙述了光纤f a b r y p e r o t 应变传感器的光调制与解调原理。从光纤 耦合与多光束干涉出发，首次建立了白光干涉e f p i 的理论模型；对模型进行了 详细的数学推导。 第3 章从工艺上研究了传感器头的制作。详细总结了两种传感器探头的制 作方法，搭建了实验系统，详细介绍了各种仪器的功能。用实验系统验证了理论 模型的正确性，同时用于微位移测量。 第4 章利用虚拟仪器的形式将光谱分析仪与计算机相连，达到对e f p i 传 感器数据的实时处理与微位移动态测量。详细分析g p i b 转u s b 数据线的硬件 功能，用v i s u a lb a s i c 语言编写程序，进行微位移的实时监测。将传感器向实用 化方向迈出一大步。 第5 章总结了对光纤端面镀膜的测试工作。分析了温度对传感器测量的 影响。对传感器的测量误差与精度，以及测量的范围进行了分析与总结。 第2 章白光非本征f a b r y - p e r o t 下涉光纤传感器的原理 第二章白光非本征f a b r y p e r o t 干涉光纤传感器的 原理 2 1 光纤f a b r y - p e r o t 传感器光调制与解调原理 本课题所采用的光纤传感系统是基于f a b r y - p e r o t 干涉结构，其主要特征 是：光路中有近距离相对的两个平行反射端面，当入射光进入f a b r y - p e r o t 腔后 发生多次反射，透过腔体同一外侧面的多束光由于满足相干条件便产生干涉。 由于目前的光探测器只能探测光的强度信号，而不能直接探测光的相位信 号，因此总要采取一定的方式将光相位信号转换成相应的光强信号，这种转换方 式就是干涉法，按照干涉法构成的光学系统成为干涉仪，其输出为干涉条纹。由 于光的干涉条纹记录了光的相位，当相位变化时干涉条纹即随之变化，因此根据 探测系统探测的干涉条纹的变化情况即可解调出光相位的变化。 目前用于光相位解调的干涉方法很多，主要有双光束干涉法、三光束干涉 法、多光束干涉法、环形干涉法等【3 。本课题主要讨论的是多光束干涉法。多 光束干涉法的核心是光纤f a b r y - p e r o t 干涉腔。f a b r y - p e r o t 干涉腔体为空气隙的， 称为非本征型光纤f a b r y p e r o t 干涉腔( e x t r i n s i cf a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，简称 e f p i ) ；腔体为传感光纤的，称为本征型光纤f a b r y - p e r o t 干涉腔( i n t r i n s i c f a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r ，简称i 砰i ) 。在本课题中讨论的是非本征型光纤 f a b r y p e r o t 干涉腔，即e f p i 。非本征型f a b r y p e r o t 干涉法的最大特点是极为 灵敏，在所有干涉方法中是最灵敏的一种。 由于相位型光纤f a b r y p e r o t 应变传感器的上述优点，目前的光纤f a b r y p e r o t 应变传感器系统基本上都是基于这样的原理来实现对应变的测量的，并实现了在 线远程实时监测。然而，这种基于光谱分布对应变的测量，首先要实现对光谱的 分析。 但是对于干涉型e f p i 光纤应变传感器的理论分析却鲜有文献报导。k e n t 中山大学硕士学位论文 a m u r p h y 仅提出了相位干涉的初步模型【3 1 】；v i v e k a r y a 等用k i r c h h o f f 衍射理论 分析了此类传感器的模型【3 2 】，可实验结果和模型不太吻合：w e iz h a o 等用几何关 系分析输出光强与压力、温度的双重关系【3 3 】，但缺少理论上详细的探讨。且上 述文献1 3 1 3 3 l 最终仅局限于输出强度与f a b r y p e r o t 腔长的关系，不是真正意义上 的相位型的理论模型。因此，对相位型e f p i 光纤应变传感器的理论模型上作一 些探讨是非常有意义的工作。 本章从光纤耦合与多光束干涉的原理出发，从实际应用光源出发建立了相位 干涉型e f p i 光纤传感器的理论模型，对理论模型进行了详细的推导。得到了实 际光纤法布里一珀罗应变传感器的理论公式。最后搭建了实验系统对建立的理论 模型进行了验证。 2 2e f p i 传感器结构 传感器的结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1e f p i 传感器的结构 传感器由石英毛细管和单模光纤构成。光纤端面镀上多层介质的高反膜后， 插入内外直径分别为1 2 6 u m 、1 8 m m ，长为2 0 m m 的石英毛细管中，两光纤端面 相距约为几十微米，与中间的空气隙在石英管中形成非本征的f a b r y p e r o t 干涉 腔。两光纤在石英管中处于自由状态，不受外力或应变的作用。在石英管两端， 光纤和石英管用胶粘合在一起。s 为f a b r y p e r o t 腔的腔距，两粘结点之问的距离 k 为传感器的标距。e f p i 腔距s 在外力作用下将发生相应的微位移，通过测量 腔距的改变量丛，将该传感器用丁应变测量时，所受的应变可用公式f 2 1 ) 计算 3 4 1 ： 1 4 第2 章白光非本征f a b r y - p c r o t 干涉光纤传感器的原理 。 。垒兰 ( 2 _ 1 ) l f 其中，a s 为腔距的变化量，l 。为传感器的标距。 对于应变的测量，其根本是进行微位移的测量。两者的测量基本可以等同起 来，所以本论文着眼于微位移测量的研究。 2 3e f p i 光纤微位移传感器理论分析 2 3 1e f p i 传感器光纤间的耦合 光纤之间耦合损耗的原因有多种，其中最为主要的有：两光纤之间的横向偏 移、光纤之间的轴向偏移和光纤端面成一定的夹角等几种情况脚1 。在此传感器 的制作中，我们采用光纤切割刀对端面进行了与轴线垂直的加工处理后，在光纤 端面镀上多层介质的光学高反膜。再用内径为1 2 6 u r n 的石英毛细管套住外径为 1 2 5 u m 裸光纤。因此我们忽略了光纤轴向偏移和端面角度引起的耦合损耗，而主 要考虑横向偏移引起的耦合损耗。 对于反射型e f p i 应变传感器，我们只要关心两根光纤反射光的干涉，而不 要关心透射光的情况。因此可以把反射光纤简化成一个镜面来处理，如图2 - 2 所 示。图2 - 2 中( a ) 为实际光线的传播示意图，把它作一个镜面成像处理后如( b ) 所 示，光从入射光纤传播到反射镜上，经过反射以后又耦合到入射光纤中，可以等 效成距离为2 s 光纤间的耦合。深色部分表示能耦合进的能量，浅色部分表示损 耗的能量。 ( a ) 口山大学硕士学位沦文 图2 2 光纤耦合损耗示意图 在石英阶跃型单模光纤中，传播的基模可以用高斯光束的公式( 2 2 ) 来表示为 砷一“。南e x p ( - 南) ( 2 - 2 ) 一口( 0 6 5 + 矿1 6 1 9 + 丁2 8 7 9 j ( 各3 ) ( 5 ) = o4 1 + ( s s ) 2 ( 2 。4 ) s 月一石o2 a(2-5) 其中r 为高斯光场传播时柱坐标的半径，s 为腔的距离，a 为纤芯的半径，v 为光纤 的归一化频率，c o o 为光场在光纤中传播的模场半径，( s ) 为光场在空气介质中传 播的模场半径，s r 为瑞利距离，分别可以用公式( 2 - 3 ，4 ，5 ) 来表示。 将再次耦合进入射光纤的能量与整个发出的能量的比值就可以得到损耗系数 以小糍鬻一e x p 一焉 p 6 ) 从式( 2 6 ) 可咀看出损耗系数与腔的距离s 相关。 将得到的公式( 2 6 ) 进行数值模拟得到如图2 - 3 所示的曲线， 第2 章白光非本征f a b r y - p e r o t 干涉光纤传感器的原理 1 - 3 0 02 0 0 - t0 0010 02 0 03 0 0 c a v i t yk e n g t h l u mj 图2 3 耦合损耗系数与距离变化关系数值模拟图 从图我们可以看出，当距离s 大于5 叽m 后，它的值几乎不变。为了下面推导公 式的简单计，我们假设它是一个恒定量l 。 2 3 2实际e f p i 光纤微位移传感器的理论分析 没有能量损耗的f a b r v p e r o t 多光束干涉在文献【3 7 】中已经被详细讨论了。许 多文献都直接引用此经典文献的结果。然而，实际情况下的光纤f a b r y _ 冲e r o t 应变传感器和理想情况下讨论得到的光纤f a b r y _ e r o t 应变传感器会有一些差 异，这种差异会对传感器最终的测量结果带来影响。因此，e f p i 型结构的传感 器必须考虑到耦合能量的损耗，所以它实际上是一个有能量损耗的多光束干涉。 如图2 4 所示。设光束从光纤进入腔时的反射系数和透射系数分别为r 和t ， 从腔中进入光纤的反射系数和透射系数分别为r 和t 。 中山大学顶士学位论文 圈2 - 4 光在f a b r ) 乙午e r o t 腔中反射示意图 进入f - - p 腔的光场可以表示为e o e “，则经过多次反射后的光场可依次表示为： e ，1 = eo r e 。 ( 2 7 ) 互2 = 印酣“蕊 ( 2 8 ) 如= 印3 t 彩( 2 - 9 ) 其中k 为波数，且七一，s 为f p 腔的腔长，为光波的频率，l 为损耗系 数，t - 为传播时间。 各光波叠加得到反射光波的电场矢量为： e - e , l + 耳2 + + 一e o e i w r ( r + ，菇工e 删+ ，。t t ，2 r p 一协+ ，j( 2 一l o ) 其中f r = r ，t t = t ；r 和t 分别为反射率和透射率，且t = ( 1 - - r ) 。于是反 射光场可以表示为： e r 钉“叫卜掣薹c 叫e m “5 】 p 它的共轭光场为： 1 8 第2 章白光非本征f a b r y - p e r o ti ：涉光纤传感器的原理 e l = e - i ”r o 5 一半砉“ ( 2 1 2 ) 利用入射光强与入射光场的关系： ，f = e o e “e o e 一“= t ：0 2( 2 1 3 ) 我们可以得到反射光强： h 呵叫t 一警薹 ，一竿薹俐一”】 叫，一竿耋c 删e - i 2 n l b 4 e i 2 n k s ，+ 与笋砉俐e - i 2 b 砉c 酬2 “】 ( 2 1 4 ) 利用共轭复数公式：e - 2 “+ e 2 b 一2 c o s ( 2 n k s ) ，式( 1 4 ) 可简化为： 2 牡 一半耋卜2 c o s c z 施，+ 华砉卜1 ”嵩卜“】 r 2 1 5 ) 下面进行式( 2 1 5 ) 中第三项化简： 三节“薹“e 一 水疆矿毖舻蛔猡陆+ 铲+ h 】 ( 皿旷+ 铲+ 铲蛔矿严+ 置( 皿) 2 + ( 皿) 3 p 坨b + ( 慰) 4 e b + ( 慰) 川e 弛+ + ( r l ) 3 e 一2 h + c 魁) 4 + ( r l ) s d 2 h + ( 魁) 6 e4 b + + ( 魁) 4 e 叫4 b + ( 碰) 5 e 。2 b + ( 甩) 6 + ( 慰) 7 e 汜b + + ( 碰) 5 e 一+ ( 皿) 6 e 一4 b + ( 碰) 7 e 一强+ ( 皿) 8 + ( 2 1 6 ) 将上面无穷多的项进行归类，并利用e 。2 “+ p 2 “= 2 c o s ( 2 n k s ) 和等比数歹i j ( r l i ) 的求和公式有： ( r l ) 2 + ( 皿) 4 + ( 皿) 6 + ( r l ) 8 + = f ( r 面l ) 矛2 巾山大学硕士学位论文 ( 皿) 3 + ) 5 + ( 皿) 7 + ) 9 + 】2 c 。s ( 抛) = r ! 茜2 c 。s ( 如) 似) 4 + ) 6 + ( 皿) 8 + ) ”+ ” + 2 c o s