（通信与信息系统专业论文）基于多模干涉和fp干涉的光纤传感器实验研究.pdf

摘要 在高度信息化的当代社会，用于获取信息的传感器，得n - r 人们极大地关注。光纤 传感技术是一种新型传感器技术，以其稳定性好、免电磁干扰、便于远程测量等优势， 自诞生之日起，就受到了各国研究者的重视，广泛应用于国防军事、能源环保、生物医 学、航空航天等领域。 作为其中的一种，光纤干涉型传感器由于采用干涉测量技术对相位调制进行解调而 具有极高的分辨率和检测灵敏度，被广泛应用于各种参量的传感测量，具有广阔的发展 前景。本文着重对多模干涉型和f p 干涉型这两类光纤干涉型传感器进行了理论与实验 研究。主要内容如下： 1 简单介绍了光纤传感器的基本原理和分类，对四类干涉型传感器作了详细论述，总 结了多模干涉型光纤传感器和f p 干涉型光纤传感器的研究现状，最后分析了干涉 型传感器在实际应用中存在的问题。 2 详细论述了光纤相位调制机理。描述了基于多模干涉效应的单模多模单模( s m s ) 结构的干涉模式和光纤f p 干涉型传感器的多光束干涉原理，并分别利用b p m 软 件和m a t l a b 软件对其进行了仿真研究，为后续研究提供了理论基础。 3 利用芯径分别为5 0 9 m 和6 0 9 m 的同长度多模光纤研制出s m s 与f b g 级联传感器， 并对该结构中的多模光纤进行腐蚀，从实验上对两种传感器的温度和折射率传感特 性进行了对比研究。实验结果表明，对于同一多模光纤，腐蚀后s m s 结构的温度灵 敏度基本不变，折射率灵敏度大大提高。腐蚀后，芯径5 0 9 m 和6 0 1 a m 的s m s 结构 温度灵敏度分别为0 0 9 5 n m 和o 1 2 7 n r n 。c ；折射率灵敏度分别为6 1 9 6 n m r i u 和 1 2 8 1 l n m r i u ，说明腐蚀后，大芯径多模光纤s m s 结构的折射率和温度灵敏度都有 所提高。特别值得一提的，腐蚀后6 0 1 a m 的s m s 结构的折射率灵敏度提高到5 0 p m 的s m s 结构的两倍。s m s 与f b g 的级联可实现温度和折射率的同时测量。 4 采用腐蚀法制作新型光纤f p 传感探头，详细讨论了制作工艺( 包括多模光纤端面的 腐蚀工艺、单模光纤与腐蚀过的多模光纤的熔接工艺) ，在大量实验总结的优化工艺 指导下，制作了一个新型光纤f p 传感探头，结构为单模空气谐振腔- 多模，分析 了其传感原理，并对其传感特性进行了实验研究。实验结果显示，该传感器对温度 变化不敏感，对应变的灵敏度为0 0 0 5 8 n m l x e 。因此，该传感器可以用来测量应变， 并且能解决温度的交叉敏感问题。 关键词：光纤干涉型传感器光纤f - p 干涉仪多模干涉温度应变折射率同时测量 a b s t r a c t i nt h es o c i e t yw i t hh i g hc a p a c i t yo fi n f o r m a t i o n ，p e o p l ep a ym u c ha t t e n t i o nt os e n s o r s w h i c ha r eu s e dt oo b t a i ni n f o r m a t i o n o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , an e wt y p eo fs e n s o r t e c h n o l o g y , h a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o ni n t e m a t i o n a l l yf r o mt h ed a t eo fb i r t hd u et ot h e i r a d v a n t a g e ss u c ha sg o o ds t a b i l i t y , i m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，c a p a b i l i t yf o r r e m o t ec o n t r o l ，e t c i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fd e f e n s ea n dm i l i t a r y , e n e r g ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，b i o m e d i c a l ，a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，e t c a so n ek i n d so ff i b e ro p t i c a ls e n s o r s ，f i b e r - o p t i ci n t e r f e r o m e t r i cs e n s o rh a sah i g h r e s o l u t i o na n d s e n s i t i v i t y d u et oi n t e r f e r o m e t f i c t e c h n i q u e s t od e m o d u l a t et h e p h a s e m o d u l a t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em e a s u r e m e n to ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r sa n dh a sa b r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c eb a s e df i b e r - o p t i cs e n s o ra n df - pi n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r t h em a i n c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 g e n e r a l l yd e s c r i b et h ep r i n c i p l ea n dc l a s s i f i c a t i o no ff i b e ro p t i cs e n s o r , d i s c u s sf o u rt y p e s o ff i b e r - o p t i ci n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r si n d e t a i l ，s u m m a r i z er e s e a r c hs t a t u s o ft h e m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c eb a s e df i b e r - o p t i cs e n s o ra n df - pi n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r ，f i n a l l y , a n a l y z et h ep r o b l e m so ff i b e r - o p t i ci n t e r f e r o m e t r i cs e n s o ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s 2 d i s c u s sf i b e r - o p t i cp h a s em o d u l a t i o nm e c h a n i s mi nd e t a i l a n a l y z et h ei n t e r f e r e n c e p a t t e r n o f s i n g l e - m o d e - m u l t i - m o d e - - s i n g l e m o d e ( s m s ) b a s e d o nm u l t i m o d e i n t e r f e r e n c ea n dm u l t i - b e a mi n t e r f e r e n c ep r i n c i p l eo ff i b e rf - pi n t e r f e r o m e t r i cs e n s o ld o t h es i m u l a t i o nb yu s i n gb p ms o f t w a r ea n dm a t l a bs o f t w a r ew h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ef o l l o w - u ps t u d y 3 m a k eas e n s o rw i t ht h es t r u c t u r eo fs m sa n df b gc a s c a d e db yu s i n gt h es a l t l el e n g t h m u l t i m o d ef i b e r sw i t ht h ec o r ed i a m e t e ro f5 0 1 - l ma n d6 0 1 x m w ee t c ht h em u l t i m o d ef i b e r a n dc o n d u c tac o m p a r a t i v er e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ea n dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i n g c h a r a c t e r i s t i c si nt h ee x p e r i m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tf o rt h es a m em m f , t h e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo ft h es m ss t r u c t u r ei se s s e n t i a l l yt h es a m e ，t h er e f r a c t i v ei n d e x s e n s i t i v i t yi sg r e a t l yi n c r e a s e da f t e re t c h e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o w , a f t e re t c h ，t h e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t i e so f5 0 “ma n d6 0 “ma r e 0 0 9 5n m * ca n do 12 7n m * c ，t h e r e f r a c t i v ei n d e xs e n s i t i v i t i e so f5 0 r t ma n d6 0 岬a r e6 1 9 6 n m r i ua n d1 2 8 1l n m r i ui n s m ss t r u c t u r e t h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n dr e f r a c t i v ei n d e xs e n s i t i v i t ya r ei m p r o v e d b yu s i n gl a r g ec o r ed i a m e t e rm u l t i m o d ef i b e ri ns m s s t r u c t u r ea f t e re t c h i np a r t i c u l a r , t h er e f r a c t i v ei n d e xs e n s i t i v i t yo f5 0 9 mi st w ot i m e sa sm u c ha s6 0 岬t h es e n s o rc a nb e u s e df o r t h es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ea n dr e f r a c t i v ei n d e x 4 m a k ean o v e lf i b e rf - ps e n s o rp r o b eb yu s i n gc h e m i c a le t c h i n gm e t h o d d i s c u s st h e p r o d u c t i o np r o c e s s ( i n c l u d i n gt h e e t c hp r o c e s so ft h em m fe n d f a c ea n dt h ef u s i o n s p l i c i n gp r o c e s so fs m f a n dm m f e t c h e d ) i nd e t m l w em a k ean o v e lf i b e rf ps e n s o r p r o b ew i t ht h es t r u c t u r eo fs i n g l e m o d e - a i rc a v i t y - m u l t i m o d eu n d e rt h eg u i d a n c eo ft h e o p t i m u mp r o c e s sw h i c hi ss u m m a r i z e db yal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，a n a l y z ei t s s e n s i n gp r i n c i p l ea n dc o n d u c tt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ni t ss e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e rf - ps e n s o rp r o b ei sn o ts e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e t h es t r a i ns e n s i t i v i t yi sa b o u t0 0 0 5 8 n m p e t h e r e f o r e ，t h es e n s o rc a nb eu s e dt om e a s u r e t h es t r a i na n ds o l v et h et e m p e r a t u r ec r o s s s e n s i t i v i t yp r o b l e m k e y w o r d s ：i n t e r f e r e n c e - b a s e do p t i c a lf i b e rs e n s o r , f i b e r - o p t i cf pi n t e r f e r o m e t e r s ， m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e , t e m p e r a t u r e , s t r a i n ，r e f r a c t i v ei n d e x ，s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t 第一章绪论 1 1 光纤传感技术概述 第一章绪论 作为信息获取的关键一环，传感器技术近年来受到广泛关注，并且向着智能化，微 型化，数字化，网络化的方向发展。随着光纤器件价格的下降，光纤通信技术的成熟， 上世纪7 0 年代术，发展起来- - i - j 新颖的传感器技术光纤传感技术。光纤传感器的 性能优异，能够精确测量温度，应变，压力，振动，折射率，气体等物理量，适用于极 端恶劣的工作环境。此外，由于光纤传输损耗低、频带宽，使得其在组网和传输距离方 面，具有无可比拟的优判1 2 j 。 1 1 1 光纤传感器的基本原理 众所周知，当外界参量( 温度、折射率、应变、压力、弯曲等) 作用于光路时，光波 的特征参量( 光强、相位、偏振、频率、波长等) 就会相应地发生变化，分析这些特征参 量的改变，找出外界因素与特征参量之间的变化关系，从而就能够得出作用于传感系统 的物理量的大小，这就是光纤传感器的基本原理。 光纤传感器的工作原理如图1 1 所示。在光纤传感系统中，光源提供必需的载波， 光源发出的光经过一段传输光纤传输到传感探头，在传感探头内，待测量与光波作用， 调制其特征参量，使其发生变化，成为被调制的光信号，然后由光探测器或者光谱分析 仪从被调制光波中检测出有用信号，从而达到传感测量的目洲引。 光纤光波传播的介质 图1 1 光纤传感器的原理图 团 光一 射一骂萋t 冈h 第一章绪论 1 1 2 光纤传感器的分类 光纤传感器的种类繁多，分类方法多种多样。目前，最常见的有以下三种分类方法： 根据传感原理可以分成功能型和非功能型两类。功能型光纤传感器把光纤本身作为 敏感元件，光纤不但起到传光的作用，而且在被测对象作用下使相位、光强等描述光波 特征的参量得到了调制，也被称为传感型光纤传感器；非功能型光纤传感器利用其他元 件作为敏感元件，光纤仅起到传光的作用，也被称为传光型光纤传感器。 根据信号调制方式的不同，可以分为波长调制型、强度调制型、相位调制型、偏振 调制型和频率调制型。波长调制型光纤传感器是利用传感探头的光频谱特性随外界物理 量变化的性质来实现的，通过检测光频谱特性实现被测参数测量，主要应用于医药、化 学领域，多为非功能型传感器；强度调制型光纤传感器是通过检测光纤中传输光强的改 变来实现对传感测量的，具有结构简单、测量范围大、成本低等特点，但是易受熔接损 耗和光源波动的影响，适用于不要求高测量精度的场合；相位调制型光纤传感器也可以 称为干涉型光纤传感器，它的基本传感原理是通过被测能量场的作用，使光纤内传播的 光波相位发生变化，利用干涉测量技术将相位变化转换成光强变化，从而检测出待测物 理量。它具有极高的分辨率和检测灵敏度，但是其对光源和检测系统的精密度要求极高， 这使得成本相对提高；偏振调制型光纤传感器是利用光的偏振态受到被测物理量的调制 而发生变化的特性，通过检测光的偏振态变化来获得被测物理量的信息。它的最大特点 是能够避免光源强度变化引起的干扰，还具有灵敏度高、结构简单、便于调整等优势， 主要用于监测强电流；频率调制型光纤传感器的工作原理是通过检测光信号的频率变化 来测量外界参数，主要利用运动的物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测物体的运 动速度，可用于测量流体的流动、气体浓度和污染指数等。 根据待测对象的不同，可以分为光纤温度传感器、光纤折射率传感器、光纤压力传 感器、光纤应变传感器、光纤加速度传感器、光纤浓度传感器、光纤位移传感器等。 1 2 干涉型光纤传感器 干涉型光纤传感器就是采用干涉测量技术对相位调制进行解调的一种传感器。光纤 总物理长度、折射率分布以及横向几何尺寸这三个纤维波导的特性决定了光纤中传输的 信号光的相位。光纤总物理长度可由热膨胀、纵向应变、流体静力学压力这些因素调制； 折射率可由温度、压力、光弹性效应引起的纵向应变这些因素调制；波导横向几何尺寸 可由热膨胀、压力引起的径向应变、泊松比引起的纵向应变这些因素调制。相位调制型 光纤传感器因为采用干涉技术而具有极高的分辨率和检测灵敏度。 干涉型光纤传感器中光的干涉是通过各种干涉结构来实现的。目前常见的干涉型传 感器主要包括：多模干涉型光纤传感器、f p 干涉型光纤传感器、萨格纳克( s a g n a c ) 干涉 型光纤传感器和马赫一曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 干涉型光纤传感器。基于这四种干涉结构的 干涉型传感器可以用于实现各种传感，包括温度【4 8 1 、应变【9 14 1 、折射率1 5 之0 1 、压力【2 l 】、 浓度【2 2 】、振动、湿度2 4 1 、加速度盼2 6 1 、位移【2 7 】、弯曲【2 8 】、电 j f c 【2 9 3 0 1 、超声波【3 1 3 2 】等。 第一章绪论 1 2 1 多模干涉型光纤传感器及其研究现状 多模干涉型光纤传感器是基于多模光纤中的高阶模干涉效应进行传感测量的。近年 来，多模干涉型光波导器件得到了飞速发展，被广泛用于光耦合器、光波分复用器、智 能光网络的光开关中，并受到了各国学者的密切关注，预计在不久的将来会出现更多、 更新的多模干涉型光波导器件。 人们对于多模干涉型光纤传感器的研究起步较晚，但是由于其优异的传感性能和广 阔的应用前景，近年来，受到了研究者们的广泛关注，取得了一定的研究成果，成功应 用于温度、应变、位移、弯曲、折射率和生物传感等参量的测量。 2 0 0 3 年，m e h t a 等人提出了单模光纤和木端带有反射镜的多模光纤级联的结构，制 成了位移传感器，并且运用f d b p m 软件进行了模拟仿真。实验中采用阶跃型多模光纤， 得到位移与光功率值的对应关系，通过对光功率的检测实现传感测量，该装置能够实现 2 0 0 1 a m 之内的位移测量【2 。7 1 。同年，k u m a r 等人分析了s m s 结构的传输特点，得出了当 s m f 和m m f 基模光斑尺寸不同时s m s 结构的传播特性，计算了m m f 中非零阶模式 耦合到高阶模式的模式干涉特征，理论分析了m m f 长度为2 m 、4 m 时波长与输出功率 的关系。实验得出前五个模式携带的能量与波长的关系，重点分析了输出光强与m m f 长度、波长的关系，得出该结构能够用作感应器件或波长滤波器的结谢3 3 】。 2 0 0 4 年，m e h t a 等人提出了一种新颖的波长可调的光纤透镜【3 4 1 。将s m 结构与一个 可调谐激光光源连接，入射光场关于光纤轴中心对称，在光纤轴向上光束发散，光场分 布呈现周期性变化。但在自映像现象位置，光束汇聚。不同入射波长导致聚焦点位置的 不同。他们也进行了理论分析，结果与实验相吻合。此结论能够广泛应用在近场扫描和 传感系统中。 2 0 0 6 年，g e r a l df a r r e l l 等人对s m s 结构的折射率传感特性进行了仿真计算，仿真 计算是在假设m m f 只有包层没有纤芯的情况下进行的，仿真结果显示此种m m f 的使 用极大地限制了s m s 结构的动态范卧”】。2 0 0 8 年，他们通过理论计算得出了，在s m s 结构中，s m f 和m m f 的焊接点由于折射率的不同所造成损耗很小，可以忽略不计。实 验得出s m s 结构滤波器的滤波特性主要取决于m m f 的长度【3 6 | 。 2 0 0 6 年，j u n g 等人提出了结构为m m f c s f m m f ( c s f 为c o r e l e s ss i l i c af i b e r 的缩 写1 的折射率传感器【37 】；同年，b r a v o 等人提出了结构为m m f h c f m m f ( h c f 为h o l l o w c o r ef i b e r 的缩写) 的测量湿度变化的传感器p 引。 2 0 0 7 年，o f r a z a o 等人提出s m s 结构与长周期光栅( l p g ) 级联的结构，构成了一种 m z 干涉型弯曲传感器，l p g 用于将包层模式的光耦合回纤芯【3 圳。 2 0 0 9 年，t r i p a t h 等人对s m s 结构的温度和应变传感特性进行了研究，其中m m f 的纤芯掺杂了不同浓度的g e 0 2 和p 2 0 5 。实验结果表明，掺杂浓度对s m s 结构的光谱、 温度传感特性和应变传感特性影响很大。当温度或应变变化时，多模光纤掺杂p 2 0 5 的 结构随着温度或应变的升高，其光谱发生红移；掺杂g e 0 2 结构的临界波长两侧的光谱 均发生反向移动】。 2 0 1 0 年，t r i p a t h 等人在s m s 结构中计算并解释了特征波长的存在，并在多模光纤 中掺杂g e 0 2 ，随着温度的增高，频谱显示了相反方向的移动。在理论上证明了对于一 第一章绪论 个给定长度的m m f ，应该有两个临界波长，且具有相反的性质1 4 1 | 。 国内方面，天津大学的李恩邦教授及其课题组对s m s 结构的传感器进行了较为细 致的研究。将该结构运用于应变传感中，测得其应变灵敏度是f b g 的2 倍【4 2 1 。用于温 度传感，获得了1 2 1 3p m * c 的灵敏度【4 3 】。用于生物传感，得到当折射率小于1 4 时，折 射率每增大1 ，干涉波长向长波方向漂1 3 7 5 9 4n m ：当折射率高于1 4 时，折射率每增 大1 ，干涉波长红移13 4 9 2 0 6 r i m 的结谢删；同时设计了一种基于空心光纤多模干涉原 理的折射率传感器，在1 3 3 3 1 4 5 0 的有效折射率传感范围内，获得了8 8 0 7n m r i u 的 灵敏度【4 列。 哈尔滨工程大学的王凯军等人提出借助氢氟酸溶液将s m s 结构中的m m f 包层腐 蚀掉，以提高折射率灵敏度的想法。通过实验发现，透射谱的特征波长随着折射率的增 加而红移，并且在多模光纤不被腐蚀断的情况下，折射率灵敏度随包层腐蚀时间的增长 而提高【1 8 l 。张滟等人给出了基于具有波长标定功能的宽谱光源的s m s 结构的理论分析， 并设计了光谱中只含一个特征波长的多模干涉型温度传感器，实验用毛细玻璃管将传感 探头进行封装，得出温度灵敏度为1 3 p m * c 4 6 1 。 1 2 2 光纤f - p 干涉型传感器及其研究现状 光纤f - p 干涉型传感器是技术成熟、应用广泛的一种光纤传感器，利用了多光束干 涉原理来探测被测量的变化。其结构如图1 2 所示： 反射端面 光纤腔长l光纤 图1 2 光纤f p 干涉型传感器结构示意图 当相干光沿光纤入射到谐振腔时，光在腔体的两端面反射后返回，相遇产生干涉。 当待测量( 温度、应变、位移、折射率、电压、电流、磁场等) 对谐振腔发生作用时，腔 长变化，干涉输出信号相应的发生变化。因此，就能够由干涉条纹的变化，导出谐振 腔长度的变化、乃至待测量的变化，实现传感测量。光纤f p 传感器对任何导致其腔长 发生变化的物理量灵敏度极高，加之结构简单、传感区域小、复用能力强，长期以来受 到各国研究者的青睐。 传感探头作为光纤f p 传感器的核心部分，制作方法多种多样，结构也不尽相同。 根据传感探头不同结构，光纤f p 传感器分为本征型光纤f p 传感器( i f p i ) 和非本征型 光纤f p 传感器( e f p i ) 。光纤f p 传感探头的制作方法及传感特性一直受到研究者的重 视，并成为研究热点。经过二十几年的努力，各种新颖的光纤f - p 传感探头和制作方法 层出不穷。下面，就光纤f p 传感探头的制作方法，结构特点及其传感特性做一个总结。 第一章绪论 a 镀膜法 镀膜法始于上世纪8 0 年代，是制作光纤f p 传感器最原始的方法。镀膜法就是利 用真空镀膜技术、磁控溅射法技术或者是电子束蒸发技术【4 7 4 9 】在一段两端高度平整的光 纤端面上镀上一层或者多层反射膜，然后将此光纤的两端分别和端面平整的单模光纤熔 接在一起，形成本征型光纤f p 传感元。 镀膜法对制作工艺的要求极高，难于精确控制薄膜的厚度和平坦度，在熔接的过程 中薄膜易受到破坏，而且成本非常高，很难进行大规模生产。 b 紫外曝光法 紫外曝光法利用了光纤的光敏性，就是在掺杂的光敏光纤中选定两个不同位置，利 用紫外光对其进行曝光，曝光处和之间的光纤形成f p 腔。1 9 9 4 年，j a g r e e n e 等人首 先提出利用该方法法制作i f p i 传感元【5 0 1 。2 0 0 4 年，e s h e n 等人利用相同方法制作了i f p i 传感元。实验结果表明，此传感器能在高达6 0 0 。c 的环境下工作，具有o 1 的温度测量 分辨率和0 5 i t e 的应变测量分辨率【5 1j 。 由于成栅光源大都是紫外光，所以将光纤光栅级联制作i f p i 光纤传感探头的方法归 于紫外曝光法。2 0 0 2 年，x w a n 等人将两根带宽为- - 一3 n m 的光纤布拉格光栅( f b g ) 熔接 在一起，制成i f p i 光纤传感探头。实验结果表明，该传感器温度测量范围为2 5 1 7 0 ， 分辨率达到0 0 0 5 。c ( 5 2 】。此外还有两根相同的啁啾布拉格光栅级联的结构【5 3 1 。 紫外曝光法克服了镀膜法在熔接过程中薄膜易受到破坏的问题，但是，这种方法同 样对制作工艺的要求极高，紫外写入过程中需要精密控制。此外，基于光纤光栅的i f p i 光纤传感器需要写入两个完全一样的光纤光栅，增加了制作的难度和成本。 c 利用准直毛细管 利用准直毛细管是制作e f p i 光纤传感探头最典型的方法。它是将两根端面经过切 割的光纤利用环氧树脂胶【5 4 彤】或激光热熔技术【5 6 】固定在与其外径匹配的准直毛细管内， 要求两根光纤的端面严格平行且同轴，两根光纤的垂直端面和空气形成f - p 腔。 环氧树脂胶存在热膨胀系数大，不耐高温，长期受力易产生蠕变等问题，影响了传 感器的温度特性和工作稳定性。后来，研究人员主要采用激光热熔技术固定。 2 0 0 5 年，j c x u 等人利用激光热熔技术，将末端熔有小段多模光纤的单模光纤固定 在厚壁毛细管上，另一反射端面采用1 2 5 t m 厚的硅膜，制成e f p i 光纤传感元。该传感 器可以用于高温环境下的压力测量，测量精度为2 9 3 n m p s i ，分辨率达到0 0 1 p s i 【5 。 2 0 0 8 年d a j a c k s o n 对传统e f p i 进行改进，制作出测量温度最高可达7 0 0 的高温 测传感器，测量分辨率为o 7 。c t 弱1 。 d 熔接法 熔接法是在两段光纤的中间熔接上不同种类的光纤，纤芯的折射率不同造成了熔接 处折射率的突变，形成反射。 2 0 0 1 年，w h t s a i 和c j l i n 将- - d , 段3 m 单模光纤( f s s n 3 2 2 4 ) 熔接在两根普通的 单模光纤( s m f 2 8 ) 0 0 间，制成了i f p i 光纤传感元。实验结果表明，在3 0 2 5 0 的温度 范围内，该传感器具有良好的线性度【5 州。 2 0 0 5 年，z h u a n g 等人提出了s m s 结构的i f p i 光纤传感元。实验结果表明，在室 第一章绪论 温到6 0 0 的范围内，具有0 1 5 的测量重复性和0 0 3 7 的分辨率；在o 4 0 0 “的应 变测量范围内，具有o 2 0 测量重复性和0 2 0 的分辨率，该传感器可以用于多个传 感器的串联复用j 。 2 0 0 7 年和2 0 0 9 年，y j r a o 等人分别将空芯光子晶体光纤【6 1 】和空芯光子带隙光纠6 2 】 作为谐振腔，制成了复用能力强，应变特性良好的传感器。 2 0 1 0 年，徐敏等人在一段空芯光子晶体光纤的两端分别熔接上普通单模光纤和 m m h n a 5 型多模光子晶体光纤，制成光纤f p 传感探头。实验结果表明其折射率测 量灵敏度可达18 7 1 , t r n r i 1 6 j 。 由于熔接法只需要切割和熔接光纤，其制作工艺相对比较简单，因此大大降低了成 本，具有广阔的发展前景。 e 腐蚀法 腐蚀法是利用氢氟酸在光纤端面腐蚀出一个凹槽，将凹槽所在的空气腔作为谐振腔 体，制作出光纤f p 传感探头。 2 0 0 2 年，e c i b u l a 等人制出一种用于人体血压测量的微小型光纤压力传感器。他们 将一小段多模光纤和单模光纤熔接在一起，利用氢氟酸在切好的多模光纤另一端腐蚀出 凹槽，在其中滴入一滴有机溶液，干化凝固成一个厚度为4 9 m 的反射膜片。实验结果 显示，在o - 3 0 0 m m h g 的压力测量范围内，分辨率达到l m m h g t ”j 。 2 0 0 5 年，y z z h u 等人在一根普通的单模光纤上先后熔接芯径为1 0 5 9 m 和6 2 5 9 m 的多模光纤，将多模光纤的一端放入氢氟酸中腐蚀，最后在腐蚀后洗净的一端熔接上芯 径为1 0 5 a m 的多模光纤，制成光纤f p 传感元。实验结果表明，该传感器压力灵敏度为 2 5 6 5 i t m p s i t 6 4 1 ，测量范围为2 0 - - 1 9 0 p s i ，能够应用在医疗压力测量领域。 2 0 0 9 年，李坤等人将经过腐蚀的多模光纤和普通单模光纤熔接在一起，制作出光纤 f p 传感探头。实验结果表明，干涉条纹波长应变灵敏度达o 0 0 0 9 5 n m p z 【6 引。 2 0 11 年，饶云江等人将经过腐蚀的渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接形成空气 腔，再对多模光纤另一端面切割，形成光纤f - p 复合结构传感器，折射率灵敏度高达 4 5 d b r i u 以上【6 6 1 。 f 激光加工法 激光技术的发展丰富了光纤f p 传感探头的制作方法。激光加工法就是利用激光的 高能热效应在光纤上烧蚀出空气谐振腔。 2 0 0 7 年，v r m a c h a v a r a m 等人采用准分子激光器，在单模光纤上烧蚀出空气谐振 腔，制成了微型f p 传感探头。该传感器可以用于压力，应变，温度的监测【67 | 。 2 0 0 7 年，王维等人提出利用飞秒激光器制作微型f p 光纤传感探头。这种方法打破 了准分子激光器加工在真空中进行且需要昂贵掩模版的限制，降低了成本，简化了系统。 实验结果表明，该传感器在0 3 5 0 1 , t e 的应变范围内，干涉条纹波长相对于应变的灵敏 度为0 0 0 6n m p z ，线性度高达9 9 6 9 ；在2 0 10 0 ( 2 的温度范围内，该光纤f p 传感器 具有较小的负温度特性【6 引。 在2 0 0 9 年，饶云江等人利用飞秒激光器相继制作出了微型f p 光子晶体光纤传感 裂6 9 1 和高对比度微型f - p 光纤传感器【7 0 】，使飞秒激光a n - r 技术得到了迅猛发展。 第一章绪论 1 2 3m a c h - z e h n d e r ( m - z ) 干涉型光纤传感器 m a c h z e h n d e r 干涉型光纤传感器的传感机理是基于双光束干涉，图1 3 是其结构示 意图。由激光器发出的相干光，分别送入两根长度相同的单模光纤( e pm z 光纤干涉仪 的两臂) ，其一为探测臂，另一位参考臂。从两光纤输出的两激光束叠加后将产生干涉 效应。实用的m z 光纤传感器的分光和合光是由两个光纤定向耦合器构成，以提高其 抗干扰的能力。 s ( t ) 山 参考臂 图1 - 3m - z 干涉型光纤传感器结构示意图 由双光束干涉原理可知，m z 干涉型光纤传感器所产生干涉场的干涉光强为： io c ( 1 + c o s 8 ) ( 1 - 1 ) 当5 = 2 m u 时，为干涉场的极大值。式中m 为干涉级次，且有： m = f i l i a = v z ，t ( 1 - 2 ) 因此，当外界因素引起相对光程差4 三或相对光程时延彳f ，传播的光频率v 或光波 长a 发生变化时，都会使m 发生变化，即引起干涉条纹的移动，由此而感测相应的物理 量。 尽管m z 干涉型光纤传感器已取得一定进展，但在实际应用中还存在着一些问题： ( 1 ) 外界环境的微小变化会导致两干涉臂的光程差相差很大，干涉不稳定；( 2 ) 为了提高 灵敏度，会选取较长的传感光纤，当光纤受到机械应力时，所引起的双折射效应导致两 偏振态之间发生偏振衰落，干涉条纹对比度降低：( 3 ) 实际应用中，光源的相干长度有限， 所以两干涉臂不能太长，测量灵敏度受到限制；( 4 ) 参考光纤不能埋入待测结构中，实际 铺设较困难。 1 2 4s a g n a c 干涉型光纤传感器 s a g n a c 干涉型光纤传感器典型的应用就是光纤陀螺【7 l 】，还可以用于光纤水听器【7 2 1 。 图1 4 是s a g n a c 光纤干涉仪的原理图。将一根长为三的光纤绕成半径为r 的光纤环。 从光源发出的相干光由分束镜分成两束，从两端进入光纤环中，沿着相反方向传播。由 于受到待测量的影响，两束光的相位变化量不同，将相位差信息转化成光功率信息，通 过检测光功率变化就可以实现传感测量。 第一章绪论 囡韩 i 区圃 图1 4s a g n a c 光纤干涉仪原理图 当光纤坏相对于惯性空间转动q 时( 设q 垂直于光纤环平面) ，则对于传播的两束光， 将产生光程差： 址：丝q ( 1 3 ) c 式( 1 3 ) 中，a 表示光纤环的面积；0 为真空中光速。当光纤环路由m 圈单模光纤绕成时， 对应于两束光的相位差为： a ( p - _ 8 z r m aq(1-4) c 式( 1 - 4 ) e e ，五表示真空中的波长。 1 3 干涉型传感器在实际应用中存在的问题 虽然光纤干涉型传感器具有许多无法比拟的优势和广阔的应用前景，但将其应用于 实际还需要解决一些问题。 ( 1 ) 对光纤的选择和处理 为了满足不同的灵敏度和不同的被测参量的需求，需要对传感臂光纤进行敏化处 理，同时对参考臂光纤进行钝化处理。对光纤要保证小芯径缠绕，严格防止光功率泄露。 ( 2 ) 高质量的激光光源 为了避免大的相位噪声，激光器要求具有高频率稳定度；光源具有极小的振幅起伏， 否则振幅噪声会引起一个干扰传感测量的信号；要求使用窄线宽的激光光源，以满足必 需的相干长度；光源要具备优良的调频特性和稳定的输出功率；为防止光频不稳，光功 率输入不允许返回光源。 ( 3 ) 消偏振衰落 由于普通s m f 不能保偏，信号会由于偏振态的随机变化而不稳定甚至衰落，必须 通过消偏振衰落方法保证干涉光谱的稳定输出。 ( 4 ) 信号检测 由于外界环境的影响导致的一些随机相移较待测参量引起的大三个数量级，因此需 要解决抗衰落小相位信号的提取技术。 ( 5 ) 多路复用 在很多情况下，必须采用时分复用、频分复用等复用技术来获得足够多的信息，因 第一章绪论 此需要解决用较少的组件构成低成本的分布式传感器阵列的问题。 1 4 本论文的主要研究内容 本文在以往研究的基础上，对具有高灵敏度和分辨率的干涉型传感器的研究现状进 行了总结。对多模干涉型传感器和光纤f p 干涉型传感器作了理论研究，并利用b p m 软件和m a t b l e 软件对其干涉光场分布和干涉光谱进行了模拟仿真，很好地验证了两类 干涉型传感器的干涉原理。在理论研究的基础上，设计了基于多模干涉的双参量同时测 量传感器结构和新型光纤f p 传感探头，并进行了实验研究。 全文共分为五章，内容如下： 第一章简单概述了光纤传感器的基本原理和分类，对四类干涉型传感器作了详细论 述，总结了多模干涉型光纤传感器和f p 干涉型光纤传感器的研究现状，最后讨论了干 涉型传感器应用于实际中需解决的问题。 第二章研究了光纤相位调制机理，对单模多模单膜( s m s ) 结构的干涉模式和光纤 f p 传感器的传感原理进行了详细地理论分析，并利用m a t l a b 软件进行了仿真研究，为 后面提供了理论基础。 第三章对s m s 结构的传感原理和f b g 的传感原理进行了介绍，利用b p m 软件对 s m s 结构的干涉模场分布进行了模拟仿真。采用了s m s 与f b g 级联的传感结构，实验 选择了同长度不同芯径的多模光纤，并对实验结果进行了比较和分析。 第四章详细讨论了腐蚀法制作新型光纤f p 传感探头的制作工艺，在大量实验总结 出最优工艺的指导下，制作出了一个新型光纤f p 传感探头，阐述了其传感原理，并对 其传感特性进行了实验研究。 第五章对总结所作工作，并对未来的发展趋势作了展望。 1 5 本论文的主要创新点 ( 1 ) 采用s m s 与f b g 级联的传感结构，实验选择同长度芯径分别为5 0 p , m 和6 0 9 m 的多模光纤，进行传感特性研究。实验结果表明，对于同一多模光纤，腐蚀后s m s 结 构的温度灵敏度基本不变，折射率灵敏度大大提高；腐蚀后，芯径5 0 岬和6 0 “m 的s m s 结构温度灵敏度分别为0 0 9 5 n m c 和0 1 2 7 n m 。c ；折射率灵敏度分别为6 1 9 6 n m r i u 和 1 2 8 1 l n m r i u ，说明大芯径多模光纤s m s 结构的折射率和温度灵敏度都有所提高，6 0 1 a r n 的s m s 结构的折射率灵敏度提高到5 0 1 m a 的s m s 结构的两倍。 ( 2 ) 采用腐蚀法制作新型光纤f p 传感探头，该传感器的结构为单模空气谐振腔一 多模，并对其特性进行研究。实验结果显示，该传感器对温度变化不敏感，