（通信与信息系统专业论文）耦合式高灵敏度光纤渐逝波传感器.pdf

海人学顾l 学位论文 摘要 近年束，光纤传感器以其抗电磁干扰、体小质轻、高灵敏度、以及宽带传 输等优点正在得到迅速发展。国外发达国家的研究比较成熟。在我国，目前已 有很多高校及研究机构都在光纤传感器领域做了积极的探索，研究成果多数处 在实验室阶段。 本文介绍的是一种新型的耦合式光纤渐逝波传感器，它具有结构简单，灵 敏度高，响应时间短等特点。在了解单模光纤渐逝波及其特性之后引出光纤耦 合器渐逝波原理，根据两光纤中能量分布结构，导出了对称光纤耦合器耦合系 数参数表达；对光纤耦合分光比参数做了较为详细的分析，得出了耦合锥区包 层等效折射率的微小变化可以改变耦合器中两正交基模的干涉效果，从而使得 输出耦合分光比信号产生显著的变化，以此原理实现该光纤传感器的测量。关 于实验用传感元件的制作文中也有说明，采用将平行放置的两根同质单模光纤 加热拉丝，形成一定锥区结构完成基本制作： 在理论分析和实际测量中我们发现，在相同的锥区包层折射率变化区间内， 光纤耦合分光可见度较之分光比信号对锥区包层等效折射率的变化更加敏感， 同时它兼顾传统光纤渐逝波传感效果表达的优点，故以此作为输出信号感知待 测物理量的微小变化，进一步的提高了该光纤传感器的灵敏度和信噪比。 采用光纤耦合器作为温度传感元件，并在其锥区涂敷折射率温敏材料，当 温度发生微小变化时，锥区包层等效折射率发生变化，从而引起渐逝场分布变 化导致能量在耦合器两臂中的重新分配，使输出耦合分光比相应发生变化，文 中给出了温度区间为2 0 - 4 8 具体的实验测量结果，温度测量灵敏度小于o 5 ； 采用光纤耦合器传感探头对溶有极少量铬盐及亚硝酸盐的蒸馏水溶液进行 检测，液体浓度变化时传感锥区包层等效折射率变化，从而引起输出耦合分光 可见度信号的改变，数据结果表明该光纤传感器可以实现饮用水有毒元素p p b 数量级浓度探测。两种传感器的测量效果均与理论分析有较好的一致性。 v 上簿大学硕上学位论文 文中最后对本课题的工作做了总结，指出了有待提高和发展的方向，并埘 耦合式光纤渐逝波传感器的前景作了积极的预测。 关键词：光纤传感器渐逝波光纤耦合器折射率耦合分光可见度 v 上海人学硕j 学位论义 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，f i b e ro p t i cs e n s o rt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e dq u i c k l y i th a s a d v a n t a g e ss u c ha si 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 ( e m i ) ，l i g h t w e i g h t ， s m a l lf i i z e ，h i g hs e n s i t i v i t y , a n dl a r g eb a n d w i d t h t h es t u d y0 - ff o r e i g ni sd e v e l o p e d w e l l ，a n di no u rc o u n t r y , m a n yc o l l e g e sa n di n s t i t u t e sh a v ed o n es o m ep o s i t i v es t u d y o nt h i s ，l o t so f t h es t u d i e sa r es t i l li nl a bs t a g e w ei n t r o d u c eam i n i a t u r e ，h i g hs e n s i t i v i t ya n ds h o r tr e s p o n s et i m eo p t i c a lf i b e r c o u p l i n ge v a n e s c e n tw a v es e n s o r f i r s tag e n e r a la n a l y s i sf o re v a n e s c e n tw a v e t r a n s m i s s i o nu s i n gas i n g l e m o d eo p t i c a lf i b e rw a sp r e s e n t e do nt h eb a s i so fo p t i c a l w a v e g u i d et h e o r y l a t e rw ei n t r o d u c e dt h ef i b e ro p t i cc o u p l i n ge v a n e s c e n tw a v e t h e o r y a c c o r d i n g t ot h ep o w e rf i e l dc o n s t r u c t i o n ，t h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t p a r a m e t e r so fs y m m e t r i cf i b e ro p t i cc o u p l e rw e r ef o r m u l a t e d t h e nw em a i n l y i n t r o d u c et h ef i b e ro p t i cc o u p l i n gr a t i o d u r i n gc e r t a i nr e g i o n ，t h ec o u p l i n gr a t i o b e c o m e sas t r o n gf u n c t i o no ft h ec l a d d i n gr e f r a c t i o ni n d e xi nw a i s t w h e nt h i s c l a d d i n gr e f r a c t i o ni n d e xh a sas l i g h tc h a n g e ，t h ea b s o r p t i o no ft h ee v a n e s c e n tw a v e c h a n g e s ，t h e nt h et w ol o w e ro r d e ro r t h o g o n a lm o d e si n t e r f e r e d ，a tl a s tc o u p l i n gr a t i o w o u l dh a v ean o t a b l ec h a n g e w eu s et h i sa so u rf i b e ro p t i cs e n s o rt h e o r y t h ew a yh o ww em a d et h ef u s e df i b e ro p t i cc o u p l e rw a si n t r o d u c e d ，t h ef i b e r o p t i c a lc o u p l e ru s e da st h es e n s o rp r o b ei sf a b r i c a t e db ys i m u l t a n e o u s l yh e a t i n ga n d p u l l i n gt w os t a n d a r dc o m m u n i c a t i o ns mo p t i cf i b e rt oc r e a t ea w a i s t ”r e g i o nw h e r e t h et w of i b e ra r et h e r m a l l yf u s e d t h r o u g ht h et h e o r ya n de x p e r i e n c e ，w ef o u n di nt h es a m ec h a n g eo ft h ec l a d d i n g r e f r a c t i v ei n d e x ，t h ec o u p l i n gv i s i b i l i t yw a sm o r es e n s i t i v et h a nt h ec o u p l i n gr a t i o ， a n di ta l s or e t a i n st h em e r i t so ft h ec o u p l i n gr a t i o s ow eu s et h i sp a r a m e t e ra st h e o u t p u ts i g n a lo fo u rf i b e ro p t i cs e n s o rt of u r t h e ri m p r o v es e n s i t i v i t yo f t h es e n s o ra n d t h es i g n a l n o i s e a no p t i c a lf i b e rs e n s o rw h i c ha c h i e v e sa c c u r a t et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti s 上海大学坝十学位论文 p r e s e n t e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d ，ac e r t a i nm a t e r i a lw a sp l a c e do nt h e c o u p l e rw a i s tr e g i o n at e m p e r a t u r ev a r i a t i o no ft h et h e r m a lb a t hw h e r et h es e n s o r w a sp u tc a u s e dac h a n g eo ft h ec o u p l e re q u i v a l e n tc l a d d i n g sr e f r a c t i v ei n d e xa n d h e n c et h ee v a n e s c e n tw a v eo ft h ec o u p l e rc h a n g e d ，p o w e rd i s t r i b u t i o ni nc o u p l e r v a r i e d ，t h e r e b yi n d u c i n gas h i f ti nt h ec o u p l e rv i s i b i l i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f t e m p e r a t u r em e a s u r i n gr a n g e df r o m2 0 ct o4 8 c ，a n dt h es e n s i t i v i t yi sl o w e rt h a n 0 5 w el a t e rd e s i g n e dl i q u i dc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gf i b e ro p t i cs e n s o rb a s e do nt h e e v a n e s c e n tw a v et h e o r y u s i n gt h ef i b e ro p t i cc o u p l e ra st h es e n s o rp r o b e ，w e p u tt h e d e v i c ei nt h e s a m p l ew a t e rp o l l u t e db yc h r o m i u ma n dn i t r i t e w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no ft h el i q u i dc h a n g e d ，t h ec o u p l e re q u i v a l e n tc l a d d i n g sr e f r a c t i v e i n d e xw a sa l s om o d i f i e d ，t h et r a c ea m o u n t so ft o x i ce l e m e n t si nw a t e rc a nb e d e t e c t e df r o mt h e o u t p u ts i g n a lc o u p l i n gv i s i b i l i t y t h ep e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i co ft h i ss y s t e mc l e a r l ye s t a b l i s ht h eu s e f u l n e s so ft h et e c h n i q u ef o r d e t e c t i n gv e r yl o wc o n c e n t r a t i o n s ( p p b ) o ft h ed i s s o l v e dc o n t a m i n a n t s a n dt h et w o s e n s o r ss h o w o dp r e f e r a b l es e n s i t i v i t ya n dt i m er e s p o n s e a tl a s t ，w em a d et h ec o n c l u s i o n sa n dd i ds o m ef o r e c a s ta b o u tt h ef i b e r o p t i c c o u p l i n ge v a n e s c e n tw a v es e n s o n k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cs e n s o r e v a n e s c e n tw a v ef i b e ro p t i cc o u p l e r r e f r a c t i v ei n d e x c o u p l i n gv i s i b i l i t y v 1 1 i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：啦日期：型掣 本论文使用授权说明 龇丝聊虢虹嗍蝴 【：海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤传感技术的发展和应用 光导纤维的发明和发展是2 0 世纪最伟大的技术革命之一。自1 9 7 0 年美国康宁 公司制成第一根衰减常数减小至2 0 d b k m 的光纤以来，以光纤作为信息传输介质 的光纤通信技术得到了迅猛发展。在7 0 年代后期，人们已经开始意识到：光纤本 身就可以构成种新的直接交换信息的平台，无需任何中间环节就能将待测物理 量与光纤内的传导光联系起来。当光在光纤中传输时，光的特性( 如振幅，相位， 偏振态等) 将随检测对象的变化而变化。因此，光从光纤中射出时，光的特性已 得到了调制。通过对调制光的检测，便能感知外界的信息。这就是光纤传感器 ( o p t i cf i b e rs e n s o r ，o f s ) 的基本原理。1 9 7 7 年，美国海军研究所0 幔l ) 开始执行由 查尔斯m 戴维斯( c h a r l e sm d a v i s ) 博士主持的f o s s ( f i b e ro p t i cs e n s o rs y s t e m ) 计 划，这被认为是光纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在世界的许多实 验室里出现。由于其具有常规传感器所无法比拟的优点和广阔的发展前景，很多 国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度。 1 1 。1 光纤传感器的优势 与传统的传感器相比，光纤传感器自身的特点决定了其独有的优势1 1 - 6 ： 1 ) 抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光 波获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀、本质安全的传输媒质， 不受外界的电磁场干扰，这使它在电力、石油、化工、冶金等强电磁干扰、 易燃、易爆、强腐蚀环境中能有效的感应信号。 2 ) 灵敏度高。由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位变化得到其光 学长度，以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机 械外力的作用或温度变化时其光学长度就要发生变化，从而引起较大的相 位变化。所以利用光波于涉技术使大多光纤传感器灵敏度要优于传统的传 感器。 卜海大学倾学位论文 3 ) 重量轻、体积小、外形可变。利用光纤这些特点可构成外形各异、尺寸不 同的各种光纤传感器，这有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。 4 ) 5 ) 6 、 7 1 对象广泛。目前已有性能不同的多种光纤传感器用于测量各种物理量、化 学量、生物量如温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、 水声、电流、电压、磁场、电场、浓度、核辐射等。 对被测介质影响小。 便于复用、便于成网、有利于用现有光通信技术组成传感网络。 成本低。有些光纤传感器的成本大大低于现有的同类传感器；而有些光纤 传感器由于其特殊性能，和现有仪器组合，将使其大大增值。 1 1 2 光纤传感器的分类 光纤传感器可分为传感型( 功能型或本征型e x t r i n s i cs e n s o r ) 和传光型( 非 功能型或非本征型i n t r i n s i cs e n s o r 两大类【7 , 8 1 。传光型光纤传感器是利用非光 纤敏感元件测得物理量，光纤仅作为光的传输媒质，对被测信号的感知是靠其它 敏感元件来完成的，因为这种传感器出射光纤和入射光纤是不连续的，两者之间 的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件；而传感型光纤传感器是 利用外界物理因素改变光纤中光波的特征参量，从而对外界因素进行探测，也就 是光纤兼具对被测信号的敏感及光信号的传输作用，它具有“传”、“感”合一的 特点。由于这两种光纤传感器中光纤所起的作用不同，对光纤的要求也不同。在 传光型传感器中光纤只起传光的作用，采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满 足要求。而敏感元件可以很灵活的选用优质的材料来实现，因此这类传感器的灵 敏度可以做得很高，但需要较多的光耦合器件，结构较复杂；传感型光纤传感器 的结构相对来说比较简单，可以少用一些耦合器，但对光纤的要求较高，往往采 用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止，实际中大多数光纤 传感器属于传光型，但随着光纤制造工艺的改进，传感型光纤传感器正在得以广 泛的应用。按光在光纤中被调制的原理不同，这两种光纤传感器均有强度调制型、 相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄今为止，光纤传感 器能够测定的物理量已达七十种。 l 海人学硕上学位论文 1 1 3 光纤传感器发展的现状 以光纤通信和光传感技术为龙头的光电子产业是2 1 世纪支柱产业之一。伴 随着光纤通信技术的迅猛发展，光纤及光器件成本降低，各种技术条件的成熟， 市场应用及市场需求的增加以及对光纤传感技术优点的进一步认识，越来越多 的人把目光投向了光纤传感领域，这就为光纤传感技术提供了新的机遇和挑战 9 1 。作为光纤通信的孪生兄弟及传感器家族中年轻的一员，光纤传感器以其独 特的优势，己迅速成长为年成交额超过1 0 亿美金，并预计将于2 0 1 0 年拥有超 过5 0 亿美金市场的产业。每年由美国光学学会( o s a ) 主办的光纤传感国际会议 ( o f s ) 及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进 行有益的研讨。如图1 1 是o f s 1 5 国际光纤传感会议上分析出的各种光纤传感 技术所占的比例【呻】。 散射和反射1 0 荧光、发光、黑体6 6 干涉仪1 1 光纤光栅 图1 1 各种光纤传感技术比例 3 5 光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于 国民经济的各个领域和国防军事领域。其中军用光纤传感器包括光纤陀螺、光纤 水听器、光纤加速度传感器、光纤压力传感器等：民用光纤传感器包括光纤液位 l 海大学硕士学位论文 传感器、光纤温度传感器、光纤流量传感器、光纤浓度传感器、光纤湿度传感器 等。图1 2 是2 0 0 4 年统计的各种用途的光纤传感器产品的发展比例【5 1 ： 陀螺仪1 4 温度测量2 2 应用1 4 压力测量9 流体测量7 位测量1 位置，移动3 3 图1 2 实现各种物理量测量的光纤传感器的市场份额 光纤传感器性能优越，应用领域广泛，随之而来广阔的市场前景也被各国看 好，所以对其的研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各发达国家更是竟 相研究开发并引起激烈的竞争【l ”。 美国是研究光纤传感器起步最早的国家，很多大学、研究单位和公司都开展 了光纤传感器的研究和开发，如斯坦福大学、弗吉尼亚大学、b a b o c k & w i i c o x 公司、a c c u f l b e r 公司、f i d b e r d y - e l a m i e s 公司、e o t c c 公司等。在军事和民用领 域的应用方面，光纤传感器发展十分迅速，这使得美国成为光纤传感技术水平最 高的国家。1 9 9 3 年以后，美国光纤传感器的销售总额每年以3 0 4 0 的增长速度 递增。近期的调查结果表明，美国光纤传感器的研究开发重点己转向民用领域； 而日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。其 中同本将传感器列为8 0 年代大力发展的五项重要技术之首，又将传感器研发确定 为9 0 年代发展的重点，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、日本电气究机构研究开发出1 2 种具有一流水平的民用光纤传感 卜海大学硕士学位论文 器，其中最有代表性的是温度传感器；而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与开发，例如法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。图 1 3 【5 1 是前各国光纤传感器发展在世界上所占份额。 2 5 皙叁， 筐三三蚕巨三i 2 = ；毫仨三三三号 2 = ；目 美国4 3 图1 3 世界上各个国家光纤传感器发展所占份额 其它7 在我国，由于光纤传感技术并未如发达国家那样获得规模性产业化，许多关 键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术 的原理性研究仍处于相当重要的位置。但近些年随着生产生活的提高及人们对其 的认识程度的加深，光纤传感器受关注程度日益升温，并得到了较快的发展。目 前已有很多单位在这一领域开展工作，如清华大学、浙江大学、南开大学、上海 交通大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、重庆大学、核工院、电子工业部1 4 2 6 所等。国家计委1 9 9 7 年批准在武汉理工大学建设的“光纤传感技术国家重点工业 性试验基地”。这些研究机构在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电 流测量领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成 果具有很高的水平，有的甚至达到世界先进水平。每年发表的论文、申请的专利 也不少。 上海大学顾十学位论文 1 2 课题来源及主要研究内容 课题来源：上海市科学技术委员会批准的上海市重点基础基金项目，项目 编号：0 3 j c l 4 0 3 1 。 本课题利用耦合式光纤渐逝波原理来实现光纤温度的高灵敏度传感以及饮 用水质精密检测功能，主要的研究内容： ( 1 ) 理论分析光纤渐逝波原理，通过特征参数了解其变化特性和影响因素； ( 2 ) 建立耦合式光纤渐逝波数学模型进行计算机仿真； ( 3 ) 分析双锥熔融耦合器能量输出特性，根据实验要求制作光纤耦合器传感头； ( 4 ) 基于耦合式光纤渐逝波传感机理，设计实验内容；并搭建测试系统，完成具 体实验操作并与理论预计比较做性能分析； 1 3 课题研究背景 虽然光纤传感器优势明显，但由于已有的传统传感技术已经相当成熟，所 以光纤传感器的市场渗透仍然面临困难和挑战，而那些具有前所未有全新功能 的光纤传感器还是在竞争中占有明显优势。出于这种考虑，我们研究了一种新 型的耦合式光纤渐逝波传感系统，它直接利用光纤耦合器作为传感元件。这种 光纤传感器具有很高的灵敏度，有望被应用于诸如环境、生物、化学等领域的 物质含量、折射率变化的测量。 1 3 1 高灵敏度光纤渐逝波温度传感器的研究背景 1 3 1 1 研究内容的提出 高灵敏度光纤渐逝波温度传感思想的提出主要依据以下几点【1 2 _ 1 6 】： ( 1 ) 温度测量的重要性：温度是国际单位中规定的基本物理量之一，它是工业生 产中既普遍又重要的一个操作参数，许多工业产品的质量和产量都直接与温 度这一参数有关，如果温度测量不准或控制不好，将会使成批产品质量差、 甚至报废，而给生产带来极大的损失。离丌合适的温度，许多化学反应就无法 上海人学硕上学位论文 正常进行甚至不能进行。没有合适的温度炉窑就不能炼制出合格的产品，没 有合适的温度环境，农作物就不能正常生长，许多电子仪器就不能正常工作， 粮仓的储粮就会变质霉烂，家禽的孵化也不能进行，同样，温度的测量在航空 工业的科研和生产过程中也是必不可少的。可见，温度的测量与控制十分重 要。 ( 2 ) 传统基于电学原理的温度传感器的弊端：以电信号为工作基础的温度传感器 已广泛应用于生产及科研中，然而，在有电磁场干扰、高电压、大电流及有毒 有害、易燃易爆气体等存在的环境下，温度的测试与控制则是上述电温度传感 器所无法解决的难题。例如当前在实验室研究与工业生产中广泛运用的温度 传感器贵金属热电偶温度仪，这种热电偶温度仪虽然较精确，但仍然存在一 些缺点和问题需要解决。其一，热电偶两金属接点处的抗高温氧化能力差， 长期使用易产生较大的误差，甚至失效。特别在有腐蚀性气体的环境中，使 用寿命将大大缩短。其二，许多现代工业生产和科学实验中常常要用到一些 特殊的加热设备，如高频加热炉、微波热疗仪等，由于热电偶的抗干扰能力 很差，使得温度检测精度得不到保证，甚至无法进行测量。 ( 3 ) 光纤传感器的优势：正如前述光纤传感器的具有很多优越性能，这使得它不 仅可用于j 下常的温度测量，更重要的是它可应用于一些特殊或恶劣环境温度 测量，如高压、强电磁、核辐射等。同时它也满足了传感器的灵敏度高、精 确度高、适应性强、小巧和智能化的设计趋势。 所以，本课题提出了一种耦合式光纤渐逝波高灵敏度温度点测量的光纤传感 器。下面先简单介绍一下点式光纤温度传感器的发展背景。 1 3 1 2 点式光纤温度传感器的国内外研究概况 到目前为止，光纤温度传感技术主要可以分为以下几类： ( 1 ) 利用半导体对透过光的吸收随温度升高而明显增大，如c d t e 、g a a s 等具有 陡峭的闽波长特性( 又称吸收端) ，凡波长大于吸收端的光都能通过，而小 于吸收端的光都被吸收，实际中多采用双波长的半导体光吸收光纤温度传 感器，国外及国内清华大学等单位正在做相关研究 1 8 j 。 海大学顺士学位论文 ( 2 ) 利用布拉格光纤光栅技术，通过温度改变光栅周期，得到不同的传光特性， 从而判断温度。图1 4 是加拿大o el a n d 公司基于该原理制成的光纤温度 传感器实用产品，其型号为o e t m s 一1 0 0 t ”】。这种点式温度传感器测温范围 为一5 0 2 5 0 。c ，精度为0 1 ，尺寸( n u n ) 为：1 0 x 2 5 x 6 。国内，浙江清华长三 角研究院研制开发的点式光纤温度传感器已产业化，其产品测温范围： 一4 0 。c 3 0 0 。c ，测量时间： 0 5 s ，测量精度：士1 f 2 0 1 。西安交通大学也有 课题组作相关研究【2 “。 图1 4o el a n d 公司销售的o e t m s 1 0 0 光纤温度传感器 ( 3 ) 利用法布里珀罗干涉原理来实现温度传感。美国的r o c t e s t 公司生产的基 于该原理的温度传感器，型号为f o t f 、f o t - n 如图1 5 所示，其q b f o t f 测 温范围是一4 0 3 5 0 ，精度为0 1 ，响应时间为3 s ，f o t n 测温范围是 一4 0 8 5 。c ，精度为0 1 ，响应时间为1 5 s 。另外，台湾也有学者作做方面的 研究吲。 图1 5r o c t e s t 公司生产的f o t f 、f o t n 光纤温度传感器 海大学硕士学位论文 ( 4 ) 利用荧光散射谱得到不同的温度值。荧光光纤温度传感器目前比较成熟并已 得到较为广泛的应用。利用稀土荧光物质如硫氧化物和磷光体等原子受激辐 射出大于照射线波长的荧光 2 3 , 2 4 ，有些谱线光强受温度调制非常强烈，荧光余 辉的强度与时间都是温度的函数。实际计量中，通常是测量荧光余辉强度面 积、+ 或者是荧光余辉的时间、或者两个荧光谱线光强的比值( 一个受温度调制 而另一个不受温度调制的荧光谱线) ，来计算出实际温度值。实验室采用掺稀 土元素铒，利用其荧光辐射效果随温度的变化，测试环境从室温升到2 0 0 ， 测量精度小于0 3 c t 2 4 1 。美国的r o m a c k 公司、e l l i s 光技术学院以及俄勒冈州立 大学联合研究基于荧光辐射原理的光纤温度传感器申请专利【2 ”，图1 6 为其实 验室样品图，这种光纤传感器主要用于对炉窑( f u e lc e l l ) 中的温度测量。其温 度测量范围：一2 7 0 1 7 0 0 c ，精度为：o 1 ，空间分辨率为：l m m 。 图1 6 r o m a c k 公司、e l l i s 光技术学院以及俄勒冈州立大学联合研究的光纤温度传感器 ( 5 ) 基于布里渊散射m2 7 1 及早期的瑞利、喇曼散射原理的光纤温度传感器，其 中布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波( 因此也是密度波) 相互作用的 结果。由于散射介质的声波频率与温度因素有关。因此，通过检测最强散射 光的频率就可以间接地知道散射介质的温度情况。这类原理目前多用于分布 式测量，这里不详细说明。 ( 6 ) 辐射测温法。由黑体辐射定律可知，物体在某温度下的单色辐射度是温度的 单值函数，而且单色辐射度的增长速度较温度升高快得多，可以通过对于单 辐射亮度的测量获得温度信息。l a n di n f r a r e d 公司推出一种能测量窑炉内待烧 制品温度的光纤温度测量仪，其原理亦是黑体辐射定律，双波长辐射式光纤 测温计的测温探头，由蓝宝石质自聚焦微透镜和蓝宝石光纤组成，输出被测 上海人学碗士学位论文 物体温度值，辐射式光纤温度传感器为非接触测量，可测运动物体的瞬时温 度，响应快，其测量范围为3 0 0 2 0 0 0 c t ”1 ；欧共体及美国联合课题组的h i e r n a u t 等人已研究出亚毫米级的6 波长高温计，用于2 0 0 0 5 0 0 0 k 真温的测量【1 5 1 。清 华大学的光纤高温传感器利用被测物体热辐射的变化测其表面温度，范围 6 0 0 1 8 0 0 。c ，精度达到1 o p o 。哈尔滨工业大学研制多波长高温计，在高温，特 别是瞬变高温对象的真温测量方面，多波长高温计量是很有前途的仪器。该类 仪器测温范围广，可用于6 0 0 5 0 0 0 c 温度区真温的测量。准确度可j 2 k 士1 t 1 5 】； ( 7 ) 通过包层损耗的不同实现【3 1 f3 2 l 。这类包层的折射率会随温度而变化，只是光 能在包层的损耗发生变化，根据光强信号的变化判断温度值。意大利的卡希 诺大学与沙莱诺大学的研究人员研制出采用一种折射率随温度改变的特殊液 体作为包层并制作成的温度传感探头，这套温度系统的测试范围：0 , - 1 3 0 ， 测量精度：0 5 。 ( 8 ) 利用绝缘料料制得多截面层的光纤光路遮断型光纤温度传感器，可用于常温 测量，其原理是利用温度引起敏感元件的机械、磁、光学性质的变化，在所定的 温度之上让光通过，在所定温度之下测遮断光或由温度改变遮蔽板位置从而 改变透射光强度来实现温度测量。温敏材料有铁氧体、石蜡、双金属片、水 银等，该方法测试范围在1 0 5 0 ，精度可达士0 5 。 以上光纤温度传感器性能仍然存在着这样或那样的不足，例如光纤黑体腔 温度传感器无法测量低温；法布里一伯罗及半导体温度传感器工艺相对复杂：双 波长光纤温度传感器虽然有良好的光路补偿效果，但其约束条件较多，实际中 不容易做到；荧光温度传感器对探测装置要求很高等。另外，这些光纤温度传 感器共同的特点是造价高昂。鉴于以上问题本研究从传感机理入手，基于光纤 干涉原理灵敏度高的特点，我们设计了一种新型的功能型耦合式高灵敏度光纤 渐逝波温度传感器。根据光波耦合和光纤渐逝波理论，采用通信中广泛应用的 熔融拉锥型光纤耦合器，经耦合锥区涂敷温度敏感性材料，将其作为温度传感 元件。当包围耦合器传感头锥区的温度变化时，耦合器锥区的渐逝波因包层等 效折射率的变化而改变，导致耦合器内部两正交基模产生不同的干涉效果，从 而使耦合器输出的分光可见度信号发生变化，检测此信号得到测试温度参数。 l ：海大学硕士学位论文 由于采用耦合分光可见度信号描述温度变化降低了测试系统对光源稳定性的要 求，提高了信噪比同时也简化了后续探测及信号处理电路的复杂性，这样将使 该温度光纤传感器成本降低。此外，该耦合式光纤渐逝波温度传感头为一个结 构小巧的探头使其能实现某温度变化点的精确测量。 基于该思想，我们已经进行了实验论证，熔锥光纤耦合渐逝波传感元件的温 度响应实验结果表明，当温度变化为2 0 - 4 8 c 时，耦合式光纤渐逝波温度传感器 的耦合分光可见度变化范围为8 0 0 1 0 0 0 。此外，通过选用不同的包层涂敷材料 还可以实现温度测量曲线的变化和移动，而当系统温度响应曲线确定后，这种温 度传感器就可用于某种特定的温度测量场合。因此，温敏熔锥单模光纤耦合器具 有较强的温度传感特性。利用熔锥单模光纤耦合器的渐逝场随锥区包层温敏材料 折射率变化的特性，有望开发出一种极具潜力的、可工程化的光纤温度传感器产 品。 1 3 2 高灵敏度光纤渐逝波饮用水质量检测传感器研究背景 1 3 2 1 研究内容的提出 随着我国工农业的快速发展，国民经济日益增长，人民生活也得到的大幅 度的提高，营养健康与生活质量随之越来越成为人们关注的问题。水作为地球 生物的生命之源，其质量的保证无论对自然还是人类社会的发展都是至关重要 的。目前的水体来源有二：1 ) 自然界本身会因为地域特色使得当地的水含有特 殊的不宜于生活生产的成分；2 ) 人为水体破坏。近年来，随着工农业的大步发 展，工业废物，农业化肥、防腐添加剂、染色剂、污水净化剂等在自然中的大 量排放对水资源都造成了极大的污染和恶化，并且这种污染已经威胁到了人类 的健康，江西有一地区因养猪致富，但这种猪饲料由于不科学配方导致地下水 污染使得该地区患白血病人数急剧上升，严重影响到人们的生产生活；所以为 了峰持国民经济可持续发展的绿色环保道路，就必须对地区水质鉴定严格把关。 目前一种常见的水污染是重铬盐和亚硝酸盐等有害物质引发的水质下降【3 4 。”， 关于其危害简单说明如下 3 8 - 4 1 】： t 海火学硕卜学位论文 自然界中的铬盐有两种组成形式，这两种形式对地球生物具有不同的化学 影响，三价铬是一种必需的微量元素，而六价铬是一种诱癌物质，直接接触到 六价铬可以致使人失明，严重感染呼吸道引发溃疡，并会引起皮肤发炎及腐烂， 导致肾功能受损等等。三价铬比较稳定，通常情况下不易溶于酸性溶剂，但其 在某种氧化环境中会被氧化成六价铬形式，这种形态较之三价铬更加的稳定且 易_ 形成水溶液。 生物体内的氮绝大多数以3 价形式被利用。作为生物能量主要来源的绿色 植物，从土壤中吸收利用的氮多数为+ 5 价高氧化态的氮，所以在植物体内，硝 酸盐能够被硝酸还原酶还原为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐还原成铵盐才能被利用。 在动物体中，这样的反应也在进行，但要微弱得多。动物生命活动所需的氮多 数从吸收的氨基酸中取得，所以，硝酸盐和亚硝酸盐对动物的毒性会更大一些， 尤其是亚硝酸盐对高等动物的侵害。亚硝酸盐可以与血液中的某些蛋白质发生 化学反应，使其失去应有的作用，一定量的亚硝酸盐还会阻碍维生素a 、维生 素b 9 、维生素e 的吸收。食用后会引起急性中毒，表现为：嘴唇、指甲、皮肤 等部位发紫、头昏、呕吐、腹泻，严重时危及生命。长期少量摄入亚硝酸盐会 造成体内富集，诱发癌症。 国际卫生组织制定的饮用水中重铬盐的最大浓度标准是其浓度不得超过 5 0 p p b 4 趴而对于饮用水中亚硝酸盐更是要求必须不含有这种有毒成份。所以这 两种有毒物质溶液的鉴定对生产生活都十分重要，此即为该课题中耦合光纤渐 逝波液体传感器研究设计的初衷。 1 3 2 2 光纤液体浓度传感器的国内外研究概况 光纤渐逝波很早就被人们所熟知，但其在光纤传感领域得到普遍重视还是 近些年的事情，作为一门新兴的传感技术从发展至今一直受到环境【4 ”、化学 和生物光纤传感测量的亲睐，这其中包括水质污染测量【4 叫9 1 ，生物化学测量 5 0 - 5 3 1 ，溶液酸碱度测量 5 4 - 5 7 】等等。 目前，德国、美国、西班牙、澳大利亚、印度、英国等对基于吸收和荧光 原理的不同形式和结构的渐逝波传感器进行了较深入的研究。基于吸收原理光 上海人学硕上学位论文 纤渐逝波传感器研究最为普遍，它是无标记测量，结构简单、测试方便，但灵 敏度较低，如，奥地利j a k u s c h 等 5 8 1 用银化卤光纤测试水中四氯乙烯的含量， 最低测限为3 0 0 # g l ；德国b u e r c k 等【5 9 】测量地下水的芳香烃含量，最低限为 2 0 0 肛g l 。基于荧光原理的光纤渐逝波传感器唧i 在提高测试灵敏度方面迈上了一 个新台阶，它的灵敏度要高出吸收式l 4 个数量级，如美国s h r i v e r - l a k e 等用 标记的荧光法测量水中的爆炸物t n t 污染含量，测试灵敏度已达到8 肛g r l 【6 ”。 用标记进行荧光测量是因为仅有2 0 3 0 的被测物质能自发荧光 5 ”，大多数荧 光式测试系统需要加入一些指示剂( 如啶橙黄荧光素等) 才能进行分析测定。 荧光法由于荧光信号弱，所以需要高灵敏度检测仪器，同时有标记指示剂加入 也会干扰被测物分子吸收能力及测量准确度，造成测试污染。相比之下，我国 的相关研究相对滞后。但近几年来，国内也有一些学者从事该方面的研究，如 天津大学利用双光束补偿吸收原理测试水中的s 0 3 2 。，最低测限达到1 6 0 叽g l 6 2 1 ；厦门大学利用猝灭法测量水中的溶解氧，晟低测限为3 0 # g l t 6 3 1 ，等等。 我们的设计采用光纤耦合器作为传感探头置于污染液体样品中，实验液体样 品浓度的微小变化等效于光纤耦合器传感锥区包层折射率发生变化，所以锥区外 渐逝场能量随之变化，这些瞬间变化改变光纤耦合锥区中传输的两低阶模式的干 涉效果，使得能量在两输出臂间的得以重新分配，从而导致输出分光可见度的一 个较大幅度的变化，与耦合式光纤渐逝波温度传感器一样我们仍然采用分光可见 度输出信号表达待测量( 有毒物质的水溶液浓度) 的变化。另外，根据重铬盐及 亚硝酸盐的吸收光谱选择入射光源以增强传感器的检测能力。 基于该思想，我们已经进行了实验论证，并实现了国际卫生组织对饮用水中 重铬盐及亚硝酸盐最低浓度标准以下的测定。当单模光纤耦合锥区包层被测液体 浓度发生微小变化时，输出信号耦合分光可见度信号会发生较大幅度的变化。我 们在实验室环境下，已经可以对溶有重铬盐及亚硝酸盐蒸馏水超低浓度( 几个p p b 数量级) 实现测量。这为我国光纤传感器在生物、医学、环境、化学、材料等领 域的液体、气体的高精度、高分辨率测量和提取打下了良好的基础。 上海大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担上海市重点基础基金项目的工作为背 景，基于耦合式光纤渐逝波原理本课题对温度测量及饮用水质鉴定做相关的研 究，在第一章，首先大体介绍了光纤传感器的相关知识后引出课题研究的来源 和主要内容，接着对我们从事的耦合式光纤渐逝波温度传感器测量及饮用水质 检测传感器分别介绍其提出的缘由，从国内外的研究现状的阐述中，进一步说