（物理电子学专业论文）光纤法布里—珀罗传感器解调技术的研究.pdf

摘要光纤法布里一珀罗( f - p ) 传感器作为一种高精度的干涉型光纤传感器有着广泛的应用前景。按照信号解调方法的不同，该种传感器可分为强度调制解调型和相位调制解调型光纤卜p 传感器。强度法是干涉型传感器采用的最古老、最简单的方法，它采用单色激光光源作为系统的光源。优点是原理简单，灵敏度高；缺点是受外界干扰大，工作点难控制。本文首先利用光的多光束干涉理论分析了强度调制解调型光纤f p 传感器的工作机理，由此得到了强度调制解调型光纤f p 传感器的三种解调方法：直接解调的强度调制解调法、间接解调的双波长调制解调法以及在双波长调制解调法的基础上针对m e m s 压力传感器的四波长调制解调法。通过理论分析建立了这三种传感器解调的理论模型。本文的重点是提出了光纤卜p 传感器的双通道双波长解调方法，并在此基础上建立了传感器的实验解调系统：理论分析与实验研究了双波长法解调光纤f p 传感器的基本原理，证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。设计并建立了f p 微位移传感器的实验解调系统，进一步提出用四波长法解调了m e m s 压力传感器，并与双波长法解调结果进行了比较。实验结果表明，该传感系统具有良好的线性特性，并且具有灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点，可实现产品化，有着广泛的应用前景。本文最后讨论了光纤传感器调制解调系统存在的问题和改进方法。关键词：光纤传感器，法布里一珀罗腔，双波长，系统优化l i la b s t i 己a c tf i b e r - o p t i cf a b r y - p e r o t ( f p ) s e n s o ri sak i n do fh i g hp r e c i s i o ni n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r ，a n dt h i sk i n do f s e n s o rh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t f - ps e n s o r sc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n d so fs e n s o r sb yt h e i rd e m o d u l a t i o nm e t h o d s o n ei si n t e n s i t ym o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n ，a n dt h eo t h e ri sp h a s em o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n t h ei n t e n s i t ym o d u l a t i o nm e t h o di st h eo l d e s ta n ds i m p l e s tm e t h o df o rf i b e r - o p t i cs e n s o r ，i nw h i c hah o m o c h r o m a t i cl a s e ri su s e da ss y s t e ml i g h ts o u r c e t h ea d v a n t a g e so fm e t h o da r es i m p l ep r i n c i p l ea n dh i g hs e n s i t i v i t y ；w h i l et h ed i s a d v a n t a g ei st h a ti ti se a s yt ob ed i s t u r b e da n di sh a r dt oc o n t r o lo p e r a t i o n a tf i r s t ，w es t u d i e dt h et h e o r yo fm u l t i - l i g h tb e a mi n t e r f e o r m e t r y a f t e ra n a l y z i n gt h em o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o np r i n c i p l eo fi n t e n s i t ya n dp h a s ef o rf i b e r - o p t i cf a b r y p e r o ts e n s o r ，w ep r e s e n tt h r e ed e m o d u l a t i o nm e t h o d s ：d i r e c t i v e ( i n t e n s i t y ) ，i n - d i m a t i v e ( d u a l w a v e l e n g t h ) a n df o u r - w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o na i m i n ga tm e m sp r e s s u r es e n s o r at e c h n i q u ef o rd e m o d u l a t i n gt h ef i b e rf a b r y - p e r o ts e n s o ri sp r e s e n t e db a s e do nt h ed u a l - p a t ha n dd u a l w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o np r i n c i p l e t h ed u a l p a t hs e n s o rs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l ta r ep r e s e n t e d i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o dc a r le l i m i n a t ee r r o r sr e s u l t i n gf r o mw a v e l e n g t h i n d e p e n d e n tv a r i a t i o n si nt h ef i b e ri n t e r c o n n e c tt ot h es e n s o r t h ef - pd i s p l a c e m e n ts e n s o rs y s t e mi sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h em e , m sp r e s s u r es e t l s o ri sd e m o d u l a t e dw i t hf o u r - w a v e l e n g hm e t h o da n dd u a l - w a v e l e n g hm e t h o d ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt w od e m o d u l a t i o nm e t h o di sg i v e n t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ns y s t e mi so f h i g h l yp r e c i s i o na n dh i g h l ys e n s i b i l i t y f i n a l l y ，s o m ep r o b l e m si nt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e ma n di t si m p r o v e m e n ta p p r o a c ha r ed i s c u s s e d k e y w o r d ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r s ，f a b r y - p e r o tc a v i t y ，d u a l w a v e l e n g t h ，s y s t e mo p f i m i z a t i o ni v学位论文独创性声明本人郑重声明：y8 0 1 8 圣61 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。、音辛作者签名：叁笃笃一日期：趣盔【黾! 塑学位论文使用授权声明本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。作者签名：至叠叠日期：独睦 bf 出i i第一章前言1 1 引言传感器技术是现代信息技术的重要内容，是2 l 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 年代以来也已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，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“”l _ 2 光纤传感器1 2 1 概述光纤传感器是自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，具有灵敏度和分辨率高、体积小、重量轻、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰且能在易燃易爆的环境下可靠运行等优点。因而成为近十几年来世界各国学者研究的热点，每年都有大量文章发表。从研究内容上，人们在寻求新的测量方法，以达到既简化研究又提高精度的目的；从研究结果看，已实现的光纤传感器的分辨率比原来提高近l o 倍，综观光纤传感器的发展史，它经历了7 0 年代到8 0 年代的起步阶段和发展阶段，这期间设计了许多电子传感器不能实现的特殊用途的传感器，研制了一些高性能、用途各异的传感器，有些己投入了使用 2 ，3 。到了9 0 年代初光纤传感器的研究进入暂缓阶段，光纤传感器的稳定性的提高与成本的矛盾限制了它的广泛使用。今天的光纤传感器进入了提高阶段，人们在探索新的光纤传感器构成机理的同时，把研究的重点放在提高它的某种性能上，如提高精度、分辨率或抗干扰能力等。随着信息产业的迅猛发展，如机器人的深入研究、超大规模集成电路的芯片制作与定位等对传感器的性能要求越来越高，从而对光纤传感器的进一步研究再一次成为热点。光纤传感器的研究进入一个应用阶段，具有重大的实际意义。1 2 2 光纤传感器原理当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等) 的作用会直接或间接地发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得到作用在光纤外面的物理量的大小，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量，在实际中有很多光纤传感器的应用例子。图卜l 表示的是光纤传感器的基本原理。图1 - 1 光纤传感器基本原理图1 2 3 光纤传感器的分类光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。从光纤作用角度分类可分为非功能型传感器和功能型传感器。非功能型传感器中的光纤仅起到传光的作用；而功能型传感器中的光纤既起到传光的作用又起到传感2的作用。在目前开发的商精度、高分辨率及结构小型化的传感器中多以功能型传感器为主。从光信号调制方式角度分类，有光强调制型、波长( 或频率) 调制型、相位调制型及偏振调制型，其中，光强调制型和波长调制型在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较广；在对测量精度要求较高的场所则采用相位和偏振调制。由于科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及体积小型化的要求越来越高，因此，相位调制型及偏振调制型传感器是目前研究和开发的主要对象。相位调制型传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型传感器又有麦克尔逊( m i c h e l s e n ) 干涉型、马赫一增德( m a c h z e h n d e r ) 干涉型、赛格奈克( s a g n a c ) 和法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ) 干涉型传感器，图卜2 为各种干涉仪的简要结构图。此外还有利用相位关系检测的布拉格光栅( b r a g g g r a t i n g ) 型、模间干涉型等。麦克尔逊( m i c h e l s e n ) 和马赫一增德( m a c h z e h n d e r ) 光纤传感器是由光源、参考光纤、信号光纤组成。由于两根光纤的长度不同，被测量的变化使光在他们的内部传输时产生的相位差也变化，从而使干涉光受被测量调制。根据光强的变化规律可知应变的大小。麦克尔逊( m i c h e l s e n ) 光纤传感器的优点是信号光纤与参考光纤在同一环境中，因此基本上不受环境的干扰，但这种传感器在制作时的难题是如何保证两束光的强度相等。马赫一增德( m a c h z e h n d e r ) 光纤传感器的信号光纤在被测环境中，而参考光纤在其它环境中；传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反馈等，但同时它也具有两个缺点，其一是所用的光纤较多，使用及安装都较麻烦；其二是需要一参考臂，而一般情况下它难以和测量光纤安装在同一位置，这就使得输入输出臂不对称，从而导致测量的不稳定、环境对其影响较大和使用时安装困难，因此限制了这种应变传感器的应用。法布里一珀罗光纤传感器的特点是采用单根光纤、利用多束光干涉来检测被测量，避免了以上两种传感器所需双根光纤配对的问题。当光纤中的光遇到两反射镜后分别产生两束反射光，这两束反射光相遇后产生干涉。当干涉腔腔长随被测量变化时，两反射光的相位差发生变化，进而使光电探测器输出的电信号随相位差的变化而变化进而使光电探测器输出的电信号随相位差的变化而变化。这种传感器充分体现光纤的质轻、灵敏度高的特点，但用于计量时抗干扰能力差。因此，法布里一珀罗型是目前广为研究和开发的一种传感器。( a ) 麦克尔逊干涉仪反射镜( b ) 马赫- 增德干涉仪( c ) 赛格奈克干涉仪半反射镜( d ) 法布里一珀罗干涉仪图卜2 各种干涉仪简要结构图1 2 4 光纤传感器研究的发展方向近年来，虽然每年都有大量的光纤传感器方面的文章报导，但多数还处于研究之中，随着科学技术的发展，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，因此，光纤传感器进一步研究的发展趋势为：( 1 ) 全光纤小型化：使传感头全由光纤构成且只用一根光纤已成为发展趋势。全光纤传感器的体积小且工作可靠。由于目前光纤之间的溶解损耗为0 0 i d b4左右，这样的损耗不会影响传感器的正常工作。( 2 ) 多参量智能化：一个传感器同时测多个参量，既可减少测量装置的元件数，又可提高测量精度，近年来多参量传感器备受关注，很有发展前途，在这种传感器中，多参量的准确分离与提取是其技术关键。( 3 ) 多光纤传感器的融合、集成化；将多个传感器连成一体成为目前研究的新课题。( 4 ) 高精度实用化：高精度传感器是科学发展的需要，实用是研究的目的。光纤传感器在研究的过程中认为其各组成元件都是线性理想化的，这和实际有一定的差距。因此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实际应用的基础，白光源的模间干涉型配以先进的信号处理技术，在保证精度的同时，既降低成本又延长了使用寿命，但在这种传感器中如何提取相关信息的信号处理技术有待完善和进一步研究。1 3 课题来源及本文主要研究内容本课题由江苏省高技术研究计划项目( 项目编号b g 2 0 0 3 0 2 4 ) 资助本课题的研究内容包括以下几个方面：( 1 ) 研究多光束干涉理论及相位调制型光纤传感器，分析f a b r y - p e r o t 光纤传感器的解调方法。提出光纤法布里一珀罗( f p ) 传感器的双通道双波长解调方法，并在此基础上建立传感器的实验解调系统。( 2 ) 理论分析双波长法解调光纤f p 腔传感器的基本原理，分析腔长和折射率对输出信号的影响，证明双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。用计算机仿真传感器解调。( 3 ) 设计并搭建了光纤f p 微位移传感系统，用双通道双波长解调方法对其进行解调，通过实验验证其可行性。( 4 ) 针对m e m s 压力传感器，在双波长解调法的基础上提出了四波长解调法，并进行了初步的理论分析。用四波长法解调了m e m s 压力传感器并与双波长法解调结果进行了比较。第二章光纤法布里一珀罗传感器调制解调系统的原理2 1 光的多光束干涉f - p 型光纤传感器的特点是采用单根光纤利用多束光干涉来进行传感，避免了麦克尔逊型和马赫一增德型传感器所需双根光纤配对的问题，且比麦克尔逊型更适合于低频信号的测量。f - p 型光纤传感器的原理结构如图卜2 ( d ) 所示。( i - p ) a op ( 1 - p ) a op 2 ( 1 一p ) a on gi 2pp 2：图2 - i 平板多光束干涉示意图如图2 - 1 所示，当单色平面波以一定角度入射到平板上时，设在接近正入射时入射角i 。一o ，入射光强i 。= l 。对于平行平板两表面有低反射率和高反射率两种情况。低反射率时，只考虑反射光的双光束干涉，就具有足够的近似程度。较高反射率，就必须考虑透射光的多光束干涉。考虑反射光的多光束干涉，相邻光束间的光程差和相位差分别为占= 2 n 2 h c o s i 2妒= 2 厅要= 竿n 2 h c o s i 2( 2 _ 1 1 )式中x 为入射光波长，n ：为平行板的折射率，h 为平行板的厚度。反射光在干涉场的强度分布公式i ，= i 。再i 2 r f ( 1 互- c i o s ；妒面)( 2 1 2 )透射光在干涉场的强度分布公式i 。= i 。再i ( 【1 - 夏r i ) 2 忑i( 2 1 3 )6式中i i 称为爱里函数，f = 百鲁称为精细度，它是干涉条纹细锐程度的量度。z 2 光纤法布里一珀罗传感器光调制原理2 2 1f - p 腔工作原理本课题采用的光纤传感系统基于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 p 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。如图2 1 ，f - p 腔是由平行放置的两块平面板组成。入射光射入光腔后，在两平行板间进行多次反射，构成多条平行的透射光和反射光。其工作原理就是多光束干涉。由公式( 2 - i 1 )( 2 1 2 ) 可知干涉光强i ，是相位差p 的函数，而相位差与f p 腔的深度h 和f p 腔的折射率n 。有关。当f p 腔的深度h 或折射率n 。变化时，相位差p 也随之变化，反射光的光强i 。也随之变化。2 2 2 光纤法布里一珀罗传感器的应用利用f p 腔的干涉结构构成光纤传感器可以测位移、压力、温度等多种参量，且每种参量有不同的实现方法。2 2 2 1 位移传感器f - p 腔用来测位移常用的结构如图2 2 所示，自聚焦透镜的端面p 作为法布里一珀罗腔的一个端面( 基准面) ，另一个端面q 贴于被测物表面，或者直接将被测物表面作为法布里一珀罗腔的端面。两端面的反射率分别为r s i 和r s 2 。由于腔面q 倾斜及表面散射等原因，其有效反射率r s 2 较小。研究表明，自聚焦透镜经过良好的准直调整，其发散光线的影响可以忽略，主要考虑平行光束的干涉。当入射光由纤芯传输到透镜端面时，部分光被端面反射回来形成参考光束；另一部分透过空气到达被测面，经过反射后又回到光纤芯中，形成信号光束，参考光与信号光发生干涉。当被测面发生微小位移时，干涉腔的长度发生变化，两束光的光程差发生变化，干涉信号也随之变化。竺垦荨居一d图2 - 2 光纤位移传感器2 2 2 2 压力传感器f _ p 腔用来测压力常用的结构如图2 3 所示，由个表面被蚀刻了浅薄圆柱形腔体的玻璃和覆盖在腔体上面的硅横膈膜组成，横隔膜受到的压力与形变量在一定范围内成一一对应的关系。光通过玻璃进入腔体，并且垂直传播至横隔膜与腔体的边界面s l ，s 1 面反射了大部分光，腔体与玻璃的分界面s 2 作为第二反射面，因此组成了f p 干涉仪，压力使薄硅横膈膜产生偏移从而改变两个面之间的距离，引起光程差的变化，进而带来干涉信号的变化。g l a s s图2 - 3 光纤压力传感器图2 - 4 光纤温度传感器2 2 2 3 温度传感器f - p 温度传感器由粘合在玻璃层的薄硅层构成，如图2 - 4 。与图2 - 3 所示的压力传感器相似，但是没有空气腔。硅的折光率很大程度上依赖于温度。这样温度就引起多次反射光束光程的改变，传感器的反射率也就跟着改变。2 3 光纤法布里一珀罗传感器光解调原理f - p 干涉腔体为空气隙的，称为非本征型光纤f _ p 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 p 干涉腔( i n h e r e n tf 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 f p i ) 。在本课题中讨论的是非本征型光纤f p 干涉腔，e f j e f p i 。常见的非本征型光纤f - p 传感解调方案可分为波长调制解调法和强度调制解调法。2 3 1 波长调制解调法波长调制解调法输出光强相对于波长为一近似的正弦曲线( 如图2 - 5 ) ，周期仅与传感器腔长有关而不受输入光强的影响，抗干扰能力大大提高，在实际的图2 5 光强一波长关系示意图工程中更多的被采用。它是基于光谱分析的方法，与强度法区别在于光源和输出信号接收装置。光谱分析技术是进行波长分析技术的一种最为简单直接的方式，这种方法需要做频谱分析，动态响应比较慢。由多光束干涉公式可知，f - p 干涉仪输出反射光光强的公式为：2 r ( 1 - - c o s 掣)l2 磊i 忑歪l 吨d可知当2 当：( 2 m l 沙时，波长对应的光强为极小值；当盅尝：2 m 石时，波长对应的光强为极大值。对于某一干涉级次m ( 对应波长以) 及相邻级次旷l ( 对应波长砧一。) ，可计算腔长h ：r 堡2 h ：2 m 石巨陋。，石日h - 捣，惫2 等p 3 2 ，若非相邻级次而是m n 级，则h = i 将。2 3 2 强度调制解调法单波长强度调制解调是干涉传感器采用的最古老、最简单的方法，它采用单色激光光源作为系统光源当输入光波长凡恒定时，由于外部温度、压力、应力9变化引起腔内介质折射率和f p 腔腔长的变化，从而改变了两束相干光的光程差，进而引起法珀传感器输出光强的变化( 如图2 6 、2 - 7 所示) ，因此通过测量干涉仪输出光强的变化值就可以得到外部温度、压力、应力等变化的大小。图2 - 6 光强一腔长关系示意图( 温度不变条件下)t图2 - 7 光强一温度关系示意图( 腔长不变条件下)输出光强与两束相干光的光程差成类正弦关系，温度不变的条件下( 图2 - 6 ) ，当法珀腔腔长h 等于九4 的整数倍时，输出信号达到最大值( b 点) 或最小值( a点) ，此时正弦信号是非线性的，系统的灵敏度最低。而在正弦信号的q 点( 正弦信号斜率最大的点) ，输出信号的线性最好，灵敏度也最高。在o 点，当温度不变且当传感器所受到的外界的扰动很小时( 腔长变化量4 h 满足关系：一凡s h n 。，纤芯和包层的相对折射率差，其典型值，单模光纤为0 3 - - 0 6 ，多模光纤为1 2 。折射率差值越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强。光纤可以分为以下几种类型：( 1 ) 多模光纤多模光纤包括突变型和渐变型两种。突变型( s i ，s t e pi n d e x )多模光纤特点是：折射率在纤芯为n 。、保持不变，到包层突变为n 。，一般纤芯直径1 22 a = 5 0 l o o p m ，光线以曲折形状传播，脉冲信号畸变大。渐变型( g 1 ，g r a d e di n d e x )多模光纤特点是：折射率在纤芯中心最大为n ，：，沿径向往外逐渐变小，直到包层变为n 。一般纤芯直径2 a = 5 0 u m ，光线以正弦形状传播，脉冲信号畸变小。s i 和g i 光纤可以传输数百到上千个模式，故称为多模( 删，m u l t i m o d e ) 光纤。( 2 ) 单模光纤标准单模( s m ，s i n g l e m o d e ) 光纤纤芯直径很小，模场直径只有9 l o l * m ，光线沿轴线传播，信号畸变很小。单模光纤具有更高的容量并比多模光纤具有更远的传输距离。这种光纤只能传播一个模式，故称为单模光纤。根据光纤作用的不同，光纤传感器还可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器调制区在光纤内，外界信号通过直接改变光纤某些传输特征参量对光波实施调制；非功能型传感器所用光纤只起导光作用。f a b r y p e r o t 型光纤传感器中的光纤只起传光作用，且传感器所需光纤较短( 几米至几百米) ，对光纤的损耗和色散特性要求不高，通信用的单模或多模光纤就可以满足要求。光纤数值孔径n a是光纤最主要的特性参数，n a 越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。n a 越大，纤芯对光能量的束缚越强。但n a 越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的光纤。3 1 1 3 光纤耦合器光纤耦合器类似于普通的分光镜，它能够在光纤之间传输光信号。它是四端口器件，可以将输入信号( 由a 口入射) 理想地分配到两个通道之中，即透射n b和耦合口c 。描述耦合器特性的基本参数是耦合比，即耦合进c 口的光强与总光强的比值，其值随具体的传感器丽定。同时它还要求最低的背向散射( 进入a 口和d口) 从端口形式上划分，光纤耦合器包括x 形( 2 2 ) 耦合器、y 形( i x 2 ) 耦台器、星形( n x n ，n 2 ) 耦合器以及树形( 1 x n ，n 2 ) 耦合器。”13 1 1 4 光探测器使光功率可以准确测量的过程，直接取决于光子和物质问的相互作用。在大多数定量测量的情况下，这个过程依赖于光子使原子从一个电子能态上升到一个可以电流方式直接观察的状态。光探测器就是实现这种功能的器件。光纤传感器系统常用的光探测器有半导体光电二极管、光电三极管、电荷耦合( c c d ) 阵列。这里详细介绍一下课题中所用半导体光电二极管。基本原理是当光照到半导体p n 结上时，被吸收的光能转换成电能，这一转变过程是一个吸收过程。p n 结一般工作在反偏状态。半导体光电二极管有三种类型，o p p n 结型光电二极管( p d ) ，p i n 结型光电二极管( p i n ) 和雪崩型光电二极管( a p d ) 。由于p d 响应速度不够高( 1 0 7 s ) ，现在用的最多的是p i n 和a p d 两种，p i n 响应时间小于1 0 4 s ，a p d 响应时间能达n l o 。2 s 对不同波长的入射光来说，只有能量( hv ) 大于半导体材料禁带宽度( e 。) 的光子才能被吸收而产生电子空穴对，因此，光电二极管存在长波限。但是，入射波长越短，管芯表面的反射损耗越大。从而使管芯实际得到的能量减小，所以，光电二极管存在短波限。硅p i n 的响应波段为0 4 9 m 1 1 帅，峰值波长为0 9 w n ，与光纤的短波长窗口相适应。在长波长窗口，如1 3 p m 和1 5 5 啪，要用锗p i n 管或铟镓砷磷( i n g a a s p ) p i n 管，锗p i n 的热噪声特性不如i n g a a s pp i n 好。p i n 型的光电二极管在1 5 v 反向电压作用下，暗电流小于l o n a 。就光电灵敏度而言，对于硅p i n ，玎 5 0 ，s o 4 a a a w 。a p df q 于对电流有雪崩增益而使灵敏度s 特别大，可达1 0 0 z a , u w ，a p d 的灵敏度与偏置电压关系极为密切，因此，当入射光信号的变化大时，线性会被破坏，通常是在较小的动态范围内利用雪崩探测器的高灵敏度来接收微弱的光信号。哺13 1 2 方程推导及修正图3 - 1 中，两个时刻得到的四路光信号包含了光源的光强波动、传感光路的扰动、探测器的漂移、光纤传输损耗的变化，不可能测到反射率的绝对数值。本系统采用了在时域分离的双波长和双光路相结合的方法，对这四路光信号进行处理就可以最终抵消各种干扰，得到受腔长调制的信号。这种方案结合了双光路补偿方法和双波长补偿方法的优点，既能补偿光路扰动，也能补偿光源及探测器的波动。定义相对反射率r 为两光功率计测得的光功率的比值： + 码7 2ip ( 2 ) a 2 m ( 2 ， ) s 1 ( 五) 工e l d 2瓜也都” 锷而而磊忑( 3 - 1 1 s 2d a，ij p ( 丑) ( 1 一口)( 丑) 正7 一a 1 2叫丑，茉蕞王m1 4m ， 刮砌黼z 州，啪五c s 一，其中 、 。是可调谐激光器在扫描时获得的工作波长，6 。和6 ：分别是它们的带宽：口( ) 和a ( 如) 分别表示光学系统对应 、 z 引起的任何光损耗；p ( 九) 是可调谐激光器对应波长 发出的光强：s ( ) 、s 。( ) 分别为光功率计1和2 的光谱响应，假设在波长范围内光谱响应不随波长变化；a 是耦合器的分光比；l 正、l e 分别是耦合器上正反两方向的附加损耗；m ( x ，h ) 为法布里一珀罗( f - p ) 腔反射式传感器随波长和腔长变化的反射率，腔两端面反射率及间距分别为r 及h ( 如图3 2 ) ，根据多光束干涉理论，该f p 腔反射率由下列式子给出：2 ，一2 p c o s f 堡2 _ l z )：二墨。二( 3 - 1 3 )l + r 2 2 r c o s ( 望2 舶五双波长法就是利用在一定的腔长变化范围内两个不同波长凡。和入。的相对反射率的比值与腔长变化的单值线性关系确定腔长的变化。相对反射率的比值i ( h ，x ) 由下式算出叫：坳埘= 揣( 3 一l 4 )其中r ( x ，) 和r ( 。) 是在波长九，和 ：测得的相对反射率，假设由光学系统引起的任何光损耗a ( ) ( 包括光纤间的耦合损耗) 在波长范围内与波长无关。( 3 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 式代入( 3 1 4 ) 式并化简得： + 吗7 2im ( z ， ) d 五i ( h ，五) = 丽顼土型l 百可r ( 3 1 5 )lm ( 2 。h ) d a + lm ( 2 ，h ) d 2 奶2 一她，2利用式( 3 - 1 3 ) 、( 3 - 1 5 ) 可绘出比值i ( h ) 一h 的关系曲线( 图3 3 ) 。=基圈3 - 3 输出特性曲线( 1 = 1 5 5 0 n m ， = 2 0 n m ，6 = 0 1 n m )从( 3 - 1 5 ) 式可以看出当输入光波长九1 、九2 恒定时，由于法珀腔长的变化改变了相干光的光程差，引起法珀传感器输出光强的变化，进而引起相对反射率的比值i ( h ， l ，九2 ) 的变化( 如图3 - 3 所示) 。当法珀腔腔长h = n 丑2 ( n = l ，2 ) 时，比值达到最小值( b 点) ，当法珀腔腔长h = n 2( n = l ，2 ) 时，比值达到最大值( a 点) ，此时信号是非线性的，系统的灵敏度也最低，而在q 点( 信号斜率最大的点) ，信号的线性最好，灵敏度也最高。当传感器受到外界扰动很小时( 腔长变化范围h 满足关系：n 2 h ( n + f ) a 2n = l ，2 ) ，比值信号与传感器腔长存在一定线性关系，这时通过测量计算比值的大小就可以反推出腔长微位移。实际应用中当腔长变化范围很小时，通过测量计算得比值i 后代入用最小二乘法拟合得到的校正公式就可以得到腔长h 。输出光强比值的变化是以光波长 为基准，故它对腔长的变化极其灵敏，因而可将光纤f _ p 腔视作一个高灵敏度的光纤传感器。3 1 3 系统参数的优化设计本文主要从腔长测量曲线的动态范围、线性、灵敏度、相对灵敏度等方面考虑，确定出两个波长九。、 。以及线宽6 九、6 九。的最佳范围。从式( 3 - 1 3 ) 、( 3 1 5 ) 可以看出，比值i 与腔长h 及参数九。、入。、6 。、6 九。均有关。我们设 2 - ，+ 九，6 l _ 6 九。= 6 ，其中4 九为两波长的间隔，6 为线宽。1 6数值模拟中涉及的各个物理量取值为：测量范围1 5 6 8 m 1 6 1 8 p n ，f - p 腔初始腔长h o = 1 5 6 8 帅，腔两端面反射率r = o 0 3 7 。3 1 3 1 。的选取图3 - 4 所示的是i ( h ) 与h 的关系图，各条曲线分别对应不同的参数九。根据几个常用的激光光源波长，我们选择了6 5 0 h m 、8 5 0 n m 、1 3 1 0 a m 、1 5 5 0 n m 以及2 0 0 0 h m 。i ( h ) 一h 曲线良好的线性说明了在测量范围内灵敏度均匀、精度一致性好，如果后接模拟仪表，则仪表的刻度均匀，计算与处理十分方便。考察该图在1 5 6 8 啪一1 6 1 8 p m 范围内的线性，可以选择1 5 5 0 h m 附近的波长。这里我们定义灵敏度s = a i ( h ) a h ，表示腔长变化1 舯比值i 的变化量。图5 所示为 ，分别为1 5 2 0 a m 、1 5 3 0 n m 、1 5 4 5 n m 、1 5 5 0 n m 、1 5 8 0 n m 时的灵敏度曲线。设我们采集数据用的是1 2 位a d 转换器( 分辨率2 4 1 0 4 ) ，若要求可分辨的最小腔长变化l o 。3 m ，则灵敏度s 不应低于o 5 岫。观察图3 - 5 ，在1 5 2 0 n m - 1 5 8 0 n m 范围内，对于1 = 2 0 n m ，比较灵敏度的大小和平坦程度，选择 。在1 5 4 5 n m 附近。图3 - 4i ( h ) 一h 关系曲线( x = 2 0 n m 6 = o i n m )图3 5 灵敏度s ( h ) 一h 关系曲线( d = 2 0 n m 6 = 0 i n m )3 1 3 2 九的选取么九的选择也就是x 。的选择，取九，= 1 5 4 6 n m ，以h 为自变量，彳九为参变量，i ( d 入，h ) - h 的关系曲线如图3 6 所示。观察腔长在1 5 6 8 脚r 1 6 1 8 啪内的线性，我们选择两个工作波长间隔i 九在2 1 r i m 附近。图3 - 6 x 是参变量下的i ( h ) 一h 关系曲线( ，= 1 5 4 6 n m ，6 = 0 i n m )图3 - 7d 是参变量下的s ( h ) 一h 关系曲线( - = 1 5 4 6 n m 6 = 0 i n m )取九，= 1 5 4 6 n m ，以h 为自变量，么 为参变量，s ( 么九，h ) - h 的关系曲线如图3 7 所示，同3 1 3 1 节取灵敏度阈值为0 5 r a n 。观察图3 7 对应不同九的灵敏度曲线的大小和平坦度，我们选择两个工作波长间隔 为2 1 n m ，此时的灵敏度在腔长为1 5 8 岫一1 6 2 内较稳定，即这段的线性较好。综合以上分析，我们选择实用化光纤f - p 腔传感系统的两个工作波长间隔九为2 1 n m 。3 1 3 3 带宽6 九的选取带宽6 九也是重要的参数。取 。= 1 5 4 6 n m ，入= 2 1 n m ，如图3 8 是i ( 6 ，h ) 一h 关系曲线，图3 - 9 是灵敏度s ( h ) 一h 曲线，6 为参变量。图3 - 86x 是参变量下的比值i ( 6x ) 一h 关系曲缓( x ，= 1 5 4 0 n m 4x = 2 0 h m )2 a16n 14耋，2i，0 日0 60 4二= 二= = = 二= 二=9i j 器訾ir = 怒li 1 571 5b1 5 91 61 6 11 62咖h p m h ，m圈3 _ 96 是参变量下的灵敏度s ( h ) 一h 关系曲线( = 1 5 4 0 n m 4 = 2 0 h m )可见6 九从0 o l n m 到1 n m 变动对i ( h ) 曲线没有明显影响。而可调谐激光器的线宽约0 1 n m ，因此就本系统而言，6 九取0 1 n m 。观察图3 9 ，腔长变化范围在1 5 8 1 6 2 p m 时灵敏度较稳定，线性也较好。通过上面的分析，我们最后选择 为1 5 4 6 n m ，九为2 1 n m ，6 九取0 1 n m 。3 2 光纤法布里一珀罗腔传感器双波长解调实验实验系统如图3 一l 所示：其中，可调谐激光器采用美国安捷伦公司的h g i l e n t8 1 9 4 9 a ；光功率计1 采用日本安藤公司a q 2 1 6 0 一0 1 ；为了能在测反射光功率时同时观测到反射光谱，实验中用光谱分析仪代替了光功率计2 ；p z t 采用美国p i 公司的，位移精度l n m 。将一初始腔长h o = 1 5 6 8 0 m 的光纤法布里一珀罗传感器一端夹持在固定台上，另一端夹持在p z t 上。当p z t 拉伸传感器时，f - p 腔也被拉伸。f - p 腔的拉伸长度与p z t 的拉伸长度成线性关系1 。当p z t 以0 5 啪的步长从2 5 到6 0 m 拉伸时，对应f - p 腔被拉伸0 2 4 1 x m到0 2 5 1 a m ，即腔长为1 5 9 2 p m 到1 5 9 3 t a m ，测得的一组相对反射率如图3 一1 0 所不：p 耵口l r a c l l d 螂l ，i i n l图3 1 0 两不同波长( x - = l s 4 6 n ma n dxz = 1 5 6 7 n m )对应的相对反射率与p z t 拉伸量l 的关系曲线p z tn r 岫d a l 妇l ，i m图3 一l l 相对反射率比i 与p z t 拉伸量l 的关系曲线( i = 1 5 4 6 n ma n d 2 = 1 5 6 7 n m )图3 一1 0 中可以看出虽然两波长对应的数据稍有不同，但都显示出关于腔长的稳定的近乎线性的变化。图3 一1 1 表示的是在传感器在两个波长测量的相对反射率比，通过最 j 、- - 乘法进行线性拟合，得出校正公式( 3 1 6 ) ，线性拟合度达到9 8 3 5 。i = 一0 0 0 5 5 l + 0 5 7 2 4( 3 一1 6 )通过实验可以证明，利用双波长法对光纤法布里一珀罗传感器腔长解调在f - p 腔被拉伸0 2 4 1 a m 到0 2 5 p m 范围内具有良好的线性关系。3 3 本章小结光纤法布里一珀罗腔传感器腔长的双波长双通道解调方法中两个不同波长的相对反射率是分别测量的，通过计算处理测量结果的比值得出腔长的微位移。双波长双通道法可以有效的减小传感系统中由于光源的光强波动、传感光路的扰动、光纤传输损耗的变化等因素带来的误差。参数的优化设计是该系统实用化的重要保证，目的是根据已知f p 腔参数选择最合适的工作波长及其线宽，以获得最理想的测量曲线的线性和灵敏度，可分辨的最小腔长变化小于i n m 。本章从理论和实验上验证了双波长法解调光纤f p 传感器的可行性，接下来应用双波长法对光纤f - p 微位移传感器以及m e f f s 压力传感器的解调进行定量的研究。第四章基于双波长解调法的光纤法布里一珀罗微位移传感本章利用双波长解调法设计了光纤法布里一珀罗( f p ) 微位移传感器，并在此基础上建立了微位移传感器的实验解调系统。理论分析与实验研究了该光纤f - p 腔微位移传感器的基本原理，证明了双波长双通道解调法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差。根据已知的f - p 腔传感器初始腔长t 。和腔两端面反射率“r 。，对传感解调系统进行了优化设计并对微位移传感系统进行了实验和数据分析。经最小二乘法拟合后的线性拟合度达到9 9 5 9 。结果表明，从实验中测得的数据与理论计算值能较好地吻合，绝对误差小于0 0 1 1 a m ，重复性达到0 0 0 1 9 1 a m 。4 1 光纤位移传感器位移测量技术是振动、压力、应变、加速度、温度、流量等测量技术的基础，测量中常将被测对象的机械量转换成位移量，因此位移测量是精密计量领域的一个重要分支。利用单模光纤干涉仪测量位移，是当前世界各国科技界研究的热点之一，由于具有以下优点，所以得到了世界各国的高度重视。( 1 ) 分辨率高，例如光纤位移传感器，其分辨率在理论上可达1 0 a m ：( 2 ) 为无源器件，对被测对象不产生影响( 3 ) 频带宽，动态范围大，且对许多物理量都敏感：( 4 ) 光纤是电介质，绝缘体，耐高压，耐腐蚀，能在易燃易爆的环境下可靠运行：( 5 ) 光纤传感器与光通信、光计算、光存贮等技术兼容，