（精密仪器及机械专业论文）嵌入式光纤温度传感器的设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

嵌入光纤温度传感器的设计 摘要 为了长期，在线实时检测各种工程结构( 如飞机机翼) 的温度，针对复合 材料结构试件内部参数的测量，本文提出了一种新型光纤温度传感器一嵌入式 干涉型光纤温度传感器。本文首先介绍了两种典型的干涉型光纤温度传感器技 术的基本原理、结构及优缺点；在此基础上，对嵌入式干涉型光纤温度传感器， 用于复合材料的温度测量的原理进行了理论推导，推导出了条纹的移动量与温 度的关系为一线性关系。设计制作了传感器光路和相应的微弱信号检测、光源驱动 及接口显示电路；建立了嵌入式传感器的理论模型和实验装置，根据对于涉条纹的 判向计数来测量材料内部温度的变化量，完成了相应的实验并进行了误差分析。 实验结果表明：嵌入式光纤温度传感器能长期有效铡量材料内部的温度。并且 其灵敏度比在空气中直接测量时的灵敏度要高2 3 倍。该传感器具有很大的研 究开发和应用价值，有着很好的应用前景。 关键词：光纤光学；相位调制；温度测量；干涉 d e s i g no ff i b e ro p t i c st e m p e r a t u r es e n s o r s a b s t r a c t i no r d e rt op r o v i d el o n g - t e r ma n do n - l i n er e a l - t i m em e a s u r e m e n to fv a r i o u s e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ss u c ha st e m p e r a t u r eo ft h ea i r c r a f tw i n g s ，f o rt h ei n t e r n a l p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t so fc o m p o s i t em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e ss p e c i m e n ，an e w t e m p e r a t u r es e n s o r - e m b e d d e df i b e ro p t i ci n t e r f e r o m e t e rt e m p e r a t u r es e n s o ri sp u t f o r w a r di n t h i s p a p e r u s i n gas p e c i a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，t h es e n s o r i s e m b e d d e di nt h ef i b e rm a t e r i a l s ，s oi tc a np r o d u c ei n t e r f e r e n c es t r i p e sb yp h a s e m o d u l a t i o n t h r o u g ha p p r o p r i a t ep r o c e s s i n gc i r c u i tt oc a l c u l a t et h ev a l u eo fs t r i p e s m o v e m e n ta n dj u d g et h ed i r e c t i o no ft h em o v e m e n t ，t h ev a r i a t i o no fi n t e r n a l t e m p e r a t u r e o ft h em a t e r i a lw i l lb eo b t a i n e d t h i s p a p e r i sf o c u s e do nt h e t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n so ft h i sk i n do fe m b e d d e di n t e r f e r o m e t r i c f i b e r - o p t i c t e m p e r a t u r es e n s o rw h i c hi sa p p l i e dt ot e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to fc o m p o s i t e m a t e r i a l s ，t h er e l a t i o n s h i po ft h ev a l u eo fs t r i p e sm o v e m e n ta n dt e m p e r a t u r ei s e d u c e d t h et e m p e r a t u r eo fc o m p o s i t em a t e r i a l sw h i c ha r ee m b e d d e di ns u c h s e n s o r si sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h ed i s c u s s i o no ft h es o u r c e so f e r r o ra r eg i v e ni nt h i sp a p e r t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ee m b e d d e d f i b e rt e m p e r a t u r es e n s o r sc a nb ea ne f f e c t i v el o n g - t e r mm e a s u r e m e n tf o rt h e i n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n dt h e i rs e n s i t i v i t yi s2 - 3t i m e sh i g h e rt h a ni nt h ea i r s ow e c a ns a yt h a ti th a sg r e a tv a l u eo fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，a n dh a sg o o d p r o s p e c t s k e yw o r d s ：f i b e ro p t i c s ；p h a s em o d u l a t i o n ：t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ：i n t e r f e r e n c e 插图清单 图2 1 全光纤m a c h - z e h n d e r 双光束干涉仪6 图2 2 电流随相位差的变化7 图2 - 3m a t h - z e h n d e r 光纤温度传感器结构图。1 0 图2 - 4f a b r y p e r o t 光纤温度传感器结构图1 1 图2 5 嵌入式f a b r y 。p e r o t 光纤温度传感器结构图1 2 图2 - 6 光纤在光纤传感器中的结构。1 2 图2 7 嵌入式m a e h - z e n d e r 光纤温度传感器结构图1 2 图2 8l e d 光源输出光功率与驱动电流关系1 4 图2 - 9 光纤的物理构成 图2 1 0 各种光纤图 图2 1 l 光在阶跃光纤中的传播 图2 1 2 光纤图 图2 1 3 激光源驱动电路原理图 图2 1 4 激光源驱动电路原理图 图2 1 5 光电二极管伏安特性图 图2 1 6 光谱响应特性曲线 1 6 1 7 18 1 9 ：! ( 2 1 图2 1 7 暗电流密度与电压关系2 2 图2 1 8 光通量与电流关系 图2 1 9 光探测器驱动电路2 3 图3 1 总体硬件设计方案2 4 图3 2 前置放大电路2 6 图3 3e d a 仿真波形图2 7 图3 - 4e d a 仿真波特图。2 7 图3 5 压控双二阶低通滤波器。2 8 图3 - 6 波特图2 9 图3 7 电平比较器及其电压传输特性3 0 图3 8 电平比较电路3 0 图3 - 9e d a 仿真波形图。3 l 图3 1 0 辨向电路原理3 2 图3 1 1 波形图：3 3 图3 1 2a 相超前b 相情况下的波形图3 4 图3 1 3d 触发器构成的辨向电路3 4 图3 1 4 方波图3 5 图3 1 5 相位状态迁移图 图3 1 6 辨向电路图3 7 图3 - 1 7 软件辨向流程图3 8 图3 1 8 硬件图4 0 图3 - 1 9 总体流程图4 l 图4 - 1 实验图：4 3 图4 2 温度与移动条纹关系图。4 4 表格清单 表1 1 光纤传感器的应用及目前的技术指标4 表3 1 辨向计数程序转移地址表3 6 表4 1 实验设备、材料、仪器 表4 2 温度变化与条纹计数的定标实验数据 。4 2 。4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目工些盍堂 或其他教百机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的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 并表示谢意。 靴论文作者签名：名良拦 签字日期：知7 年，z 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 g 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名力炙盈 签字日期：加7 年2 月) 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本学位论文是在金施群副教授的悉心指导和关怀下完成的。导师最大限度 的提供了良好的学习和科研条件。从课程学习到按研究方向进行的论文选题， 课题立项、论证、研究、实验、总结、论文撰写和修订中，金老师始终给予我 悉心的指导，倾注了大量的心血，使褥课题的研究取得了很好的成果，论文也 得以顺利完成，我的专业技术和科研能力有了长足进步。金老师渊博的知识、 严谨的治学态度、和诲人不倦的敬业精神，使我受益匪浅。在此，向尊敬的金 表示衷心的感谢和最真挚的敬意。 感谢唐海勇、钱鑫、田定宝、王鹏、丁高袜、郝庆生、王俊明、陈伟、刘 斌等同学，在我的学习、科研和生活中，他们给予了很多启发和帮助，并使我 研究生期间的生活增添了很多快乐 还要特别感谢我的父母和亲人。他们是我无私的后盾，在我最困难的时候 他们总在我身后用他们独有的温暖帮助我、鼓励我。在此，我要向他们深深的 鞠躬，希望我能在未来用更多更好的成就来回报他们。 再一次感谢所有帮助我和关心我的人们，祝他们身体健康、心想事成! 作者：李家猛 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是在工业生产和科学实验中都必须加 以严格控制的最重要的参数之一，因为它直接影响到材料的性能及产品的质量， 因此对温度的自动检测已经成为工业自动化生产中的关键环节。另外，随着科 学技术的发展，各个工程领域对测温元件的性能和效率提出越来越高的要求， 同时也对测温方法及测温元件结构的优化提出了更大的挑战。特别在工业、交 通运输、石油、化工、医学、电力等领域( 如电磁干扰强烈或易燃易爆等场合) 进行温度测量时，传统电传感器的使用受到限制，从而影响了生产自动化的进 程。 光纤传感器是上世纪7 0 年代中期发展起来的一种新型的传感器，是光纤和 光纤通信技术发展的产物。光纤传感器与传统的传感器相比，具有抗电磁干扰 能力强、绝缘度高、灵敏度高、动态测量范围大、抗化学腐蚀能力强、多路无 串扰、资源丰富、容量大等优点，所以伴随着光纤技术的日趋完善和提高，尤 其是特种光纤技术的进步，使光纤技术在科学技术各个领域的应用越来越广泛。 同时，激光干涉仪器的分辨力高、动态测量范围大等优点在测量领域中也有着 非常广泛的应用前景。可见，在测量领域中将激光干涉仪与光纤结合起来构成 干涉仪，可以对许多机械量和物理量进行高精度、高灵敏度的测量妇1 。 1 2 光纤传感器的研究现状 自从1 9 7 0 年美国第一次成功地研制出传输损耗为2 0 d b k m 的石英质玻璃 光波导以来，光波导纤维技术在传感器等领域已经取得了成功的应用。1 9 7 4 年， r o z z e l 等利用液体的光发射能力与温度相关的特性，将其与光纤传光技术结合 起来，制成了早期的光纤温度传感器。1 9 7 7 年，美国海军实验室( n a l ) 开展了 光纤传感器的研究。这样，上世纪7 0 年代中期，兴起了光纤传感器的研究工作， 光纤温度传感器则是其中发展的一个重要分支。国外已走出实验室。国内许多 大学和研究单位也研制出各种光纤温度传感器”1 由于优点众多，光纤传感器技术的研究开发与应用成为传感器领域研究的 重点及热点。一些发达国家更是投入了大量的人力、物力资源进行研究。各种 光纤传感器已开始进入航空航天、生物医学、军事装备、工业、交通运输及日 常生活的各个领域。目前用作位移、速度、加速度、转动、流量、压力、温度、 电流、电压、磁场等物理量传感测量的各类光纤传感器已相继出现，并得到广 泛的应用光纤温度传感器因其具有防燃、防爆、不带电、抗电磁干扰、抗腐 蚀、能在恶劣环境中安全运行等一系列优点，因而得到日益广泛的应用。而干 涉型光纤温度传感器以全光纤、灵敏度高、能实现多路传感以及传感量大等优 点，在光纤温度传感器中占有十分重要的地位。该传感器将激光干涉与光纤技 术结合起来，可实现全光纤化，具有极好的防电磁干扰、防爆和绝缘特性；同 时传感头部分以其独特的结构克服了传统的干涉型光纤温度传感器易受环境扰 动影响的缺点，特别适合用于传统的温度传感器难以应用的特殊环境中同时 其又将光纤技术与微处理机结合起来，提高了测温的自动化程度。 把光纤技术用到测温上的最直接的方法是把它与传统的技术( 特别是辐射 测温技术) 结合起来，用光纤传输辐射信号代替原来的自由空间传输，这样光 纤及其头部的激光系统就构成一个辐射型的光纤温度传感器。1 9 7 7 年d a k i n 等 人提出的光纤高温计。正是基于这种思想而设计的。由于这种构思技术上难度 不大，而且光纤传输有不可比拟的优点，因此很快商业化晦1 。上世纪8 0 年代， 几乎各主要生产温度仪表的公司，如英国的l a n d ，美国的i r c o n ，日本的千 野等公司都生产这种温度传感器。 国内现在已有多种光纤辐射温度传感器。其中比较典型的是中国科学院西 安光学精密机械研究所于1 9 8 9 年1 2 月申请的专利“双波长光纤温度传感器”。 该传感器具有结构紧凑、体积小、成本低、性能高等特点，可用于高温测量， 相对误差小于l 。响应速度小于1 0 m s 。清华大学于1 9 8 9 年1 月申请的光纤黑 体腔温度传感器，由探头黑体腔、耐高温光纤、光电探测器等部分组成，其测 量范围可达4 0 0 1 3 0 0 ，重复性和稳定性可达0 1 ，灵敏度可达0 1 ，空间 分辨率达几百微米，响应时间为毫秒级，结构可靠、体积小、成本低。1 9 8 8 年 7 月哈尔滨工业大学研制的“光纤束双色温度传感器”，把光电转换硅元件与热 敏电阻器装配成一个整体。以自动补偿环境温度的方式实现对硅元件特性的影 响，采用特殊薄膜制成的0 0 4 1 0 5 p m 双色高性能滤光片，光能损失小，传输 效率高 1 3 光纤传感器的优点 随着光纤技术的发展，光纤传感作为一种新型的传感技术，在世界范围内 得到迅猛的发展。光纤传感器以其独特的技术优势，在与传统的电量，机械量 传感器的竞争中，日益显示出其强大的生命力光纤传感技术是采用光信号而 不是电信号作为测量信息的载体，用光纤作为测量信息的传输媒介因此它与 传统的传感器相比具有光学敏感测量和光纤传输等许多优点”1 。 1 灵敏度高、无辐射、无干扰、电绝缘、抗电磁干扰性强、易于实现远距 离多通道的遥测和控制。 2 光波不产生电磁干扰，同时也具有抗电磁干扰能力，易为各种光探测器 器件接收，可方便进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算 机相匹配。 2 3 可实现非接触测量，对被测对象不产生影响 4 光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输媒介。 5 光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，特别在许多传统传感器无法应用 的场合，能够得到理想的效果。 1 4 光纤温度传感器的发展 光在光纤中传输，即使在全反射情况下，纤芯中仍有少量的光进入光纤包 覆层而引起光能的损耗。如果把高折射率光纤( 纤芯折射率远大于包覆层折射率) 的某一段包覆层磨掉，让纤芯附近的光场暴露出来或者覆上一层很薄的包覆层 ( 这种情况下可看作纤芯近似暴露在外部环境中) ，通过对从纤芯传导出来的光 波进行测量即可获得温度信号。a l b e r t 与他的合作者将一段光纤的一侧刨光， 在刨光部分涂上电介质导波层做成渐逝场型传感器来测量温度把光源发射的 光导入系统后，波长呈现有规则的空间响应，其中心波长的移动量与温度成线 性关系。把包覆层磨掉让纤芯附近的光场暴露出来，这种方法的制造工艺复杂， 很难得到平滑的光学平面。有些学者将光纤拉伸变细，让光场从变薄了的包覆 层里穿透出来，但这种方法的实际操作不容易实现，也不容易掌握，常常会损 坏光纤。现在普遍采用的一种较为理想的技术是在离纤芯一定距离的地方沿纤 芯方向挖一个精密小孔，然后向小孔里注入液体或气体，这样就可以得到非常 平滑的光学平面。温度的变化引起光纤相位的变化即相位调制，通过干涉仪来 检测相位变化测得温度。它通常采用两根光纤一一敏感光纤和参考光纤，通过 比较两根光纤中光的相位，从而实现温度的检测，可检测出温度。 已报道的这类传感器一般具有m i c h e s o n ，m a c h z e h n d e r ，s a g n a c 或 f a b r y p e r o t 等干涉结构，有的也可采用单根光纤。当采用单根光纤作为传输媒 介时，这时在光的传输通道上设置两个或多个反射平面，通过比较反射光的相 位或透射光的相位，达到检测温度的目的。这类传感器大多采用光纤b r a g g 光 栅结构。光纤b r a g g 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g - - f b g ) 是一种沿光纤轴向折射率 的发生周期性扰动而形成的元件。自1 9 8 7 年，m e l t zg 等人实现了光纤b r a g g 光栅的激光侧面写入技术以后。世界各地的许多研究机构对光纤光栅产生了极 大的兴趣。b a i o u ，g a u n 等人设计了一个传感器，该传感器采用f b g 同时测 量温度和应力，其温度测量范围为2 0 1 2 0 ，精度达1 2 。如果将周期光纤 光栅的周期增大至上百或数百微米，则称为长周期光纤光栅( l o n gp e r i o d g r a t i n g l p g ) 。与光纤b r a g g 栅一样，l p g 也是在光纤轴向产生折射率的周期 性调制，但在光栅周期与耦合机理方面却不同于光纤b r a g g 栅，所以长周期光 纤光栅是一种新型光纤器件，为光纤传感器开辟了一个新的天地v b h a t i a 实 现了用l p g 代替f b g 来测量温度和应力，并得出长周期栅的损耗峰的波长及 强度的斜率与温度和应力成对数关系。而n j p a t r i c k 则将两者结合起来用于 温度、应力的鉴别 几十年来，光纤传感器的研究、开发和应用取得了巨大的进展，光纤传感 器技术已取得了显著的进步。当前虽然仍处于理论探索和实验室研制阶段，但 已有不少成果已达到实用的商品化水平，其技术及经济效益十分明显。表1 1 列出了光纤传感器的一些应用和所能达到( 或理论预测) 的技术水平”1 表1 - l 光纤传感器的应用及目前的技术指标 检测量工作原理技术水平 理论灵敏度( 1 0 。) 。h 转动 相位干涉 ( 光纤陀螺) 实用光纤的计算灵敏度( 3 x i 0 。) i 双金属片3 5 5 0 0 ，精度4 - o 1 传光型半导体5 0 2 5 0 ，精度o 5 l 温度 荧光5 0 2 5 0 ，精度o 1 光谱型蓝宝石5 0 0 2 0 0 0 0 ，精度土0 1 相位干涉型灵敏度10 0 3 0 0r a d c m 位移光强调制型最小可测位移o 8 a ，动态范围1 1 0 d b 传光型 2 5 x 1 0 。g ( 重力加速度) 加速度 相位干涉型 f 2 4 1 式中括号表示求时间平均值，星号表示共扼复数。把式( 2 1 ) ，( 2 - 3 ) 代入式( 2 4 ) 得： = 置：磋 + 瑶 + 2 足【砖c 矗咤e x p p ( 疙一九) 】 ( 2 5 ) 用耦合进入光纤的光强厶表示 ， ，上式可以简化光源 的相干强度定义为： r ( r o 一吃) e o ( l ) 晶瓴) i o ( 2 - 6 ) 于是光强为； 同理，可得： = 厶【毛j 2 如j 2 + 毛，2 屯2 2 毛j _ j 1 2 。南，匕r c o s ( o 一九) 】 ( 2 - 7 ) 7 ，2 = 厶【毛，j ? + 与。2 乞2 + 2 毛。毛j k 匕，c o s ( 屯一无) 】 干涉条纹的可见度定义为： j r ：k 二血 i + l 式中，k 分别表示光强随相位变化而产生的最大值和最小值， = i o 1 一r c o s ( 疙一九) 】 = 1 0 p + r c o s ( o 一九) 】 式中 f = 黔， ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 于是有： ( 2 - 1 0 ) ( 2 一l i ) ( 2 - 1 2 ) 该式表明了干涉条纹可见度的大小不仅取决于干涉仪两臂相对光强，而且 直接与光源的相干强度成正比。 由式( 2 - 6 ) 可得： 1j i r ( 0 1 2 l i m 二rfc x p ( f + f ) 一妒( 伽) 西 ( 2 - 1 3 ) ，值介于0 和1 之间，对于一个完全相干的光源y = l ；而对于一个完全不 相干的光源y = o 。如果用激光作光源，通常有较长的相干时间l ，在一般情况 下有： l 毛 ( 2 1 4 ) 故可以假设，* l 。 为了得到最大的可见度，则要求干涉仪信号臂和参考臂中的导波功率相等， 也就是使k l 。= 南。a 例如，对一个无损耗光纤耦合器而言，要求从毛。= 吒= 1 以， 由式( 2 - 1 2 ) 可知，若y = l 则r = l 。注意，这里我们并没有考虑到偏振态的影响， 实际上只有发生干涉的两束光的偏振态相同时，才能得到最佳可见度，如果两 束光的偏振态是正交的，则不会发生干涉现象。 2 1 1 干涉型光纤温度传感器的基本原理 从相干光源出射的相干光经耦合器分成两束光，分别进入信号臂和参考臂， 最后在接收面上形成干涉条纹。当信号臂受外界温度影响时，干涉条纹就会发 生移动，如果我们测出干涉条纹的移动量及移动方向，就可以得到温度对信号 臂的影响大小“”下面从理论上推导出被测温度和条纹移动数之间的关系。 在光纤中传播的光的相位由三个因素决定( 1 ) 光纤波导的物理长度( 2 ) 光纤 折射率及其分布( 3 ) 光纤波导的横向几何尺寸。温度能直接改变上述三个因素的 参数，产生相位变化。假定折射率分布随温度变化保持恒定。那么光纤中相位 随温度的变化可表示为n 3 ”： m = 中4 - 中。+ 中d( 2 - 1 5 ) ：= ( 2 万五) l 为光纤长度变化产生的相位变化。称应变效应： 舯= ( 2 万a ) 幽为光纤折射率变化产生的相位变化，称光弹效应； d = ( 2 疵兄2 ) ( a a a d ) d 为光纤波导横向几何尺寸变化产生的相位变 化，称泊松效应。因泊松效应引起的光纤直径变化所产生波导传播常数的变化 很小，可忽略不计若将光纤放在变化的温度场中，将影响光纤折射率n 和长 度l 的变化。因此相位变为“”“”： 曲= 半( 口+ 知r ( 2 - 1 6 ) 口= 啬一一光纤线膨胀系数：而o n 一一光纤折射率随温度变化的系数。 式( 2 1 6 ) 第一项表示光纤长度变化引起的相位调制，第二项表示折射率变化引 起的相位调制。 根据光弹效应： 8 n - - - 等- ( i 一) 毋2 一解1 a a t ( 2 1 7 ) 为泊松比，置。、只：为光纤芯的光弹系数。将( 2 - 1 5 ) 式代入( 2 - 1 6 ) 式中可以求 得： 国：等出r + 等翻：等以r + 孕f - 孚卅朋：一越。，础寸 i二 l = 等以r l 一孚 0 - a ) h 2 - 刚 = 舰酗z = 丛r ( 2 1 8 ) n ，吖为常数，工为埋入复合材料中的光纤长度，口为光纤线膨胀系数，a t 为温度的变化。如果耦合器使测量臂和参考臂输入光强相等，则信号臂和参考 臂出射光可分别表示为： 五= a e x p ( i 无) ( 2 - 1 9 ) e 2 = a e x p ( i 戎) ( 2 - 2 0 ) 在接受面上得到的是这两束光的叠加，所以： 9 e 。置十五= a e x p ( i0 1 ) + e x p ( i 晚) 】( 2 2 1 ) 因此干涉光强为n ”： i = e e = 2 1 0 【l + c o s ( 细) 】 ( 2 2 2 ) 因此，在接受面上形成明暗相间的干涉条纹，当勋发生条纹移动量为m 时，有： 2 t ? y t = 勋= n l u a t = m a t f 2 2 3 ) 这里，、l 、口皆为已知常数，即肘为己知。通过测量出m 的大小，即 可得到温度的变化量 2 2 典型的干涉型光纤温度传感器 2 2 1 马赫泽德尔光纤温度传黪嚣 马赫泽德尔光纤温度传感器的结构如图2 3 所示。它是由氦氖激光器、扩 束器、两个显微物镜、两根单模光纤( 其中一根作参考臂，另一根作测量臂) 、 光电探测器、信号处理系统组成。激光经分束器分别送入两根长度相同的单模 光纤。这两柬光将产生干涉，形成明暗相间的一组条纹。测量臂在温度作用下， 其长度和折射率将发生变化，结果使干涉条纹发生移动。相位每变化一个2 ，r 时 就移过一个条纹。显然干涉条纹移动的数量将反映出被测温度的变化。通过判 向、条纹计数就能获得被测温度。 图2 - 3m a t h z e h n d e r 光纤温度传感器结构图 马赫泽德尔光纤温度传感器具有灵敏度高、机械性能稳定、抗干扰能力强、 电绝缘性好、不会产生电火花、可在易燃易爆环境下工作等优点；但也有缺点： 一是所用的光纤较多，使用和安装较麻烦。二是因需要参考臂，难以使参考光 纤和测量光纤安装在同一位置，使输入输出臂不对称因此导致测量的不稳定， 环境对其影响也较大m m l 。 l o 2 2 2 法布里珀罗光纤温度传感器 法布里珀罗光纤温度传感器的结构如图2 4 所示乜们幢”： 图2 4f a b r y p e r o t 光纤温度传感器结构图 它是由氦氖激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器( p z t ) 、一根f p 单 模光纤、光电探测器以及信号处理系统组成眙”。氦氖激光经物镜进入单模光纤， f p 光纤的一部分绕在加有5 0 h z 正弦电压的p z t 上，因而光纤的长度受到调 制。温度变化时，相邻光束间的相位差也发生变化，这样就可以来测量温度的 变化。 法布里珀罗光纤温度传感器具有以下优点： 1 有极高的分辨率和测量精度； 2 结构简单灵巧，单端输入、单端输出； 3 灵敏度要比马赫泽德尔光纤温度传感器高； 4 因采用单根光纤、利用多光束干涉来测量温度，这样就可避免马赫泽 德尔传感器所需两根光纤配对的问题。此种传感器的缺点是制作工艺难度较大， 因此影响了它的广泛应用o ”。 2 2 3 嵌入式干涉型光纤温度传感器 为了长期和在线的实时检测各种工程结构的温度，可采用嵌入式光纤温度 传感器进行检测。将光纤埋入材料结构中，可以对在材料制作过程中的内部温 度的变化进行监测，还可以在结构制作完成后对材料结构内的温度进行终生测 量。 嵌入式干涉型光纤温度传感器就是将测量光纤通过特殊加工工艺埋入金属 或复合材料中来测量该材料内部的温度。为了不破坏材料的完整性，同时不使 光纤在材料中断裂，我们可采用光纤埋入技术来使光纤埋入材料中，有两种方 法：一是在材料制造过程中，将光纤放置在一个金属或塑料管中，待材料制作 完成后，将金属或塑料管撤去，这样就大大减少在空气与材料界面上的应力不 连续性，防止光纤在空气材料界面上断裂。另一种方法是将光纤放在层合材料 的叠层之间，在层压过程中使它与材料集成在一起幢”。嵌入式干涉型光纤温度 传感器可采用法布里珀罗( f p ) 型光纤传感器”，结构如图2 5 所示： 圈2 - 5 嵌入式f a b r y - p e r o t 光纤温度传感器结构图 将法布里珀罗腔埋入材料结构中，就构成了嵌入式f p 干涉传感器。f - p 光 纤传感器可以分为本征型( 内腔型) 传感器( i f p is e n s o r ) 和非本征型( 外腔 型) 传感器( e f p is e n s o r ) ，结构图如图2 6 所示： 反射膜反射膜 a i f p i 光纤b e f p i 光纤 图2 - 6 光纤在光纤传感器中的结构 嵌入式光纤温度传感器还可采用m a c h z e n d e r 干涉温度传感器。它将 m a c h z e n d c r 干涉的测量光纤埋入材料中，参考光纤放在材料的外面，如图2 7 所示： 图2 7 嵌入式m a c h z e n d e r 光纤温度传感器结构图 目前的光强调制传感器一般采用单光路进行测量。但要实现在线连续监测， 则必须获得入射光强，但实际上是很难获得入射光强的大小。因此本系统采用 双光路的测量方法，通过检测光纤通过测量复合材料的光强和参考的光强，分 析两路信号的相关性获得有效的信息。采用带参考光路的测量方式也消除了光 源波动和元件温漂、时漂的影响。从相干光源发出的相干光经耦合器分成强度 相等的两柬光，分别进入信号臂和参考臂，最后在接收面上形成干涉条纹。嵌 入式干涉光纤温度传感器具有以下优点： 1 重量轻； 2 不受电磁干扰； 3 小尺寸光纤对材料的性能影响很小，基本不受影响： 4 灵敏度很高 2 2 光路设计 低损耗光纤的出现使现代的光纤通信和光纤传感成为可能，光有源器件的 研制成功和后来的技术跃进更使光纤通信和传感走上新台阶。随着光纤通信和 光纤传感技术的迅猛发展，半导体发光二极管( l e d ) 、激光二极管( l d ) 等光源 器件和雪崩光电二极管( a p d ) ，p i n 二极管等光电检测器件的研究异常活跃，出 现了一批结构新颖，性能优良，实用可靠的器件。分立元件也将逐渐由光源组 件和p i n f e t 组件所代替前者包括使温度稳定和使输出线性化的微型电路； 后者是p i n 光电二极管和能把光信号进行放大的场效应晶体管( f e t ) 的混合组 件。光源器件包括钨丝白炽灯和卤钨灯、固体激光器、气体激光、l e d 和l d 等。光电检测器件包括一般p n 结光电二极管、p i n 光电二极管、a p d 雪崩光 电二极管以及p i n f e t 混合组件o ”o ”。 2 3 1 光源的输出光功率 光源的输出光功率与驱动电流的关系一般为线性。以常用的l e d 光源为 例，如图2 8 所示。p i 曲线( 输出光功率一驱动电流关系) 里良好的线性关系。 所以，我们在数值模拟过程中一般将输出光功率与驱动电流视为线性关系，即 p = k ( 2 - 2 4 ) 式中，k 为电光转换系数，即为图2 8 所示直线的斜率1 。 2 3 2 光源与光纤的耦合效率 由于光源的输出光强并不能完全被光纤利用， 行传输，所以光纤中实际传输的光强为旺”： p = 舻 式中的a 表示耦合系数。 只有一部分耦合入光纤并进 ( 2 2 5 ) 输 出 翥3 盥 m w 2 l 驱动电流( m a ) 图2 - 8l e d 光冀输出光功率与驱动电流关系 总的说来，光纤中实际传输的光强与驱动电流为线性关系，即： 尸2 砌 ( 2 2 6 ) 也就是说，我们可以认为光纤中实际传输的光强与驱动电流成正比。在模 拟过程中，对于光源，只需要输入一个比例系数和一个驱动电流就可以了。 2 3 3 检测器的响应度 光电检测器是一种光电信息转换器件，是把接收到的光信号功率转化为电 电流信号，再经放大和处理以提供实用信息的器件。它是光纤通信和光纤传感 系统的基本元件。目前利用光电效应的物理现象已制造了许多光电检测器，通 信系统应用的光电管、p i n 管、具有内增益的雪崩管和包括光纤传感系统应用 的胶光电管、光电池、光电三极管、光电倍增管、电荷复合阵列等。对于波长 为五，具有吸收系数口0 的半导体，由于吸收具有光功率异的入射光而产生的原 始光电流为”： ，= 岛里掣( 1 一e x p ( 一a o w ) ) ( 2 2 7 ) 月y 式中：g 电子电荷。 加光予能量( = 1 2 4 厶v ，凡是以z m 单位的波长) ： ，半导体空气界面处菲尼尔反射系数： w 吸收区的宽度。 式( 2 2 7 ) 中我们已假定吸收只是由于带与带之间的跃迁，由于杂质能级和 缺陷的吸收因此量子效率，为光生载流子对数与入射光子数的比值，即： t l = ( i p q ) ( p o h r ) ( 2 2 8 ) 响应度r ( 常用来鉴定二极管特性) 被定义为： m 伽号5 警 ( 2 - 2 9 ) 对于理想的光电二极管研= 1 ) ，r = 2 1 1 2 4 ( 4 w ) ，式中五以卢j ，l 为单位。 可以看到，接收光功率昂与产生光电流，。的关系也是线性的。而我们可以 将光电流，。转换成电压信号： 。 矿2 呜2 a r e , 2 蛾 ( 2 3 0 ) 所以对于检测器，在模拟过程中也只需输入一个光电转换系数k 即可。 从以上分析可以得出：光源只需要两个本征参数，即驱动电流和电光转换 系数；而检测器只需要一个光电转换系数即可，所以这两种器件处理起来比较 简单。但是它们必须跟光纤耦合起来才能发挥作用，因此在数值模拟过程中还 需设置一个参数来说明此器件与哪条光纤绑定在一起至于这两种器件与光纤 耦合时所造成的损耗，一并记入到与之绑定的入射光纤或接收光纤中去 2 3 4 光纤的结构 光纤的结构通常为同轴圆柱体，从内层到外层依次为纤芯、包层和涂覆层， 其中纤芯的折射率略大于包层的折射率，从而包层对在纤芯传播的光波起约束 作用；涂覆层除用来保护光纤外，还能使光纤的机械变形量对某种外来作用量 更敏感( 即增敏) ，而对其它作用量不敏感( 即退敏) 。以获得光纤对待测量拥有高 灵敏度。根据纤芯和包层制备的光学材料可以分为玻璃光纤、石英光纤、塑料 光纤。其中，石英光纤是目前研究的重点1 。 光纤的物理构成如图2 - 9 所示： 图2 - 9 光纤的物理构成 光纤的光学结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函 数称为光纤的折射率剖面。因为一般光纤沿z 轴方向具有轴对称性和平移对称 性，所以在柱坐标系中表示光纤的折射率分布比较简单，函数n ( r ) 只含有一个 自由度所以纤端光场分布一般说来也具有轴对称性，其分布公式i ( r ，z ) 只有两 个自由度。因此在计算纤端光场分布时，只要选取以入射光纤法向为z 轴的柱 坐标系，三维的闯题就退化成t - 维问题，使计算工作大为简化。 对于单包层光线，芯径为d ，设纤芯轴心处的折射率为啊，包层折射率为n 2 ， 则纤芯包层问的折射率差a 可定义为m 1 ： _ 等埋 t ( 2 - 3 1 ) z ， 他 舯螗n l 嘞舻半* 啊唧 对于多包层光纤，在理论分析时，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可见光主要限制在纤芯里进行传输， 所以决定光纤发射或接收的光强大小主要由芯径决定。因此不管是入射光纤还 是接收光纤，数值模拟过程中都需要确定其芯径来分析光强的大小。所以对于 每根光纤，在数值模拟前需要输入其芯径；在数值模拟过程中，每次变换中都 需要检测芯径是否变化了”。 光纤按照折射率情况可分为多模阶跃光纤、多模梯度光纤和单模光纤如图 2 - 1 0 所示。以单模光纤为例，其纤芯直径为l o t m ，包层直径为1 2 5 t m ，涂覆 层直径为2 5 0 a m 。 ( a ) 单模光纤 ( b ) 阶跃折射率多模光纤( c ) 梯度折射率光纤 图2 一l o 各种光纤图 2 3 5 孔径角和数值孔径 如图2 1 1 所示，光线1 ，2 的特点是光在光纤中的传播路径始终在同一平 面内，这种光线称为受导光线，在纤维光学中又称为子午光，子午光线是一条 平面二维曲线。 还有一种光线不在一个平面内，不经过光纤的轴心线。当进入光纤后，在 边界和虚焦散面之间的范围内作内部全反射，多次折射后光线不在同一平面内， 在端面上的投影为折线，这种光线称为旋进光线。旋进光线是一条空间三维曲 线。 以下将对阶跃光纤中的子午光线的一些基本特征进行分析： 根据几何光学，光在阶跃光纤中传播主要是依据全反射理论。当光线以某 一角度进入光纤端面时，入射光纤与光纤轴心线的夹角岛称为光纤端面入射角； 光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角o ，如 图2 1 l 所示光线l 垂直光纤端面射入，并与光纤轴心线重合时。光线l 始终 1 6 沿轴线向前传播：对于光2 ，由于n 。 n ：。在纤芯与包层的界面可能产生全反 射，但是必须满足入射角大于全反射的临界角，即a , o o 。 与其相对应的光纤端面有一个端面临界入射角见，如果端面入射角岛见， 图中的光线2 进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入射角 晓，满足全 反射条件，光线2 将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。 图2 - l l 光在阶跃光纤中的传播 根据折射定律和几何关系有： n os i n 0 = 码c o s 妒 而全反射临界角公式为： f 2 3 2 ) 矿= 只= 眦s i n 生( 2 3 3 ) 考虑在空气中，令* 1 ，再把式( 2 3 0 ) 带入式( 2 - 2 9 ) ，就可以得到端面临界 入射角的正弦值公式： 厂7 百 s h l 岛2 割2 厢丽 ( 2 3 4 ) 式中只= p o e x p ( 一等) ，a n = ，| l 却肛半* 啊* 他 光纤端面的临界入射角岛的2 倍就称为光纤的孔径角实际上，这是一个圆 锥角，它的大小表示了光纤能接受到光的范围的大小。孔径角2 只越大，光纤 接收端面上接收光的范围就越大，光纤端面接收光的能力就越强，光纤与光源 之间的辐合就越方便。 数值孔径彳用来计算光纤接收光的特性，描述光纤的集光能力。可定义 为： i 一= s i n a 2 2 n 细= h 2 ( 2 3 5 ) 可见。4 由光纤的折射率决定，而与光纤的几何尺寸无关。 2 3 6 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 1 7 损耗还可能来自材料和波导结构 1 光纤的吸收损耗 光纤的吸收损耗有三个原因：本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。 2 非线性效应引起散射 物质在强大的电场作用下呈现非线性，即出现新的频率或输入的频率发生 改变。也诱发出物质对入射波的散射。这种散射若在功率门限值以下，对传输 不产生影响。但是，因为光纤很细，电磁场集中，所以一般情况下