（通信与信息系统专业论文）基于光纤干涉的双参量同时测量传感器的研究.pdf

摘要 光纤通信具有频带范围宽，传输损耗低和失真小等优点，在当今通信领域的发展过 程中，正呈现一派欣欣向荣的发展景象。而光纤光栅的出现，则为这一发展注入了新的 生机和活力。光纤光栅具有插入损耗低、成本低、稳定性好、耐腐蚀、不易受电磁干扰、 便于复用、能在较恶劣环境中工作等优点，大大扩展了其应用范围，使光纤通信朝着集 成化、全光纤化、智能化的方向加速发展，受到了人们的重视和青睐。 干涉型光纤传感器与其他传感器相比，具有极高的灵敏度和分辨率，以及很大的动 态响应范围，长期处于特定工作环境下的光学稳定性较好，在温度、液位、折射率、应 变、湿度传感和水听器等领域中有广泛的应用。 光纤光栅的双参量同时测量能够提供更多的信息和便利，有效推进了光纤光栅的实 用化进程。本文采用将干涉型光纤传感器与光纤光栅相级联的方式，并利用干涉谱和光 栅透射峰的不同响应灵敏度，实现了对双参量的同时测量，主要内容包括： 1 ) 简要介绍了光纤光栅近年来的发展以及特点和应用，分析了光纤传感器的传感原理 及干涉型光纤传感器的研究现状，并对光纤光栅的双参量同时测量问题进行了现状 分析和解决方法的研究。介绍了干涉型光纤传感器的基本理论，并列举了几种典型 的干涉型光纤传感器，分析了各自的特点。 2 ) 介绍了光纤b r a g g 光栅( f b g ) 的温度和应变传感原理，然后对 s i n 西e m o d e m u l t i m o d e s i n 西e - m o d e ( s m s ) 结构的干涉模式进行了详细分析，并利 用光束传播法( b e 锄p r o p a g a t i o nm e t l l o d ，b p m ) 对干涉光场分布进行了数值模拟。 提出了一种基于s m s 结构与f b g 级联的温度和折射率同时测量传感器。在s m s 结 构中，众多高阶导模在m m f 中发生干涉，通过干涉条纹的漂移来感知外界参量的 变化。实验测得s m s 的干涉谱和f b g 的透射峰对温度和折射率有不同的响应灵敏 度，温度和折射率的测量精度分别为o 2 2 和0 0 0 1 5 。 3 ) 分析了长周期光纤光栅( l p g ) 的温度和轴向应变传感特性，然后对保偏光纤( p m f ) 的双折射特性进行了研究，并设计了一种基于l y o t 滤波器( l y o t 舶e rf i l t l f f ) 和 l p g 的温度和应变同时测量传感器，其中l f f 由在起偏器( p l l ) 和检偏器( p l 2 ) 中嵌入一段p m f 构成，具有线性结构，干涉谱的稳定性较高，实验测得其干涉谱和 l p g 的透射峰对温度和应变有不同的响应灵敏度，温度和应变的测量精度分别为1 和2 5 胆。 4 ) 分析了m m f s m f m m f ( m s m ) 结构的干涉原理，并用b p m 法对干涉光场分布进 行了数值模拟，设计了一种基于m s m 结构和f b g 的温度和折射率同时测量传感器， 利用敏感矩阵实现了双参量的同时测量，温度和折射率的测量精度分别为o 3 2 和 o 0 0 2 3 。由于m s m 结构中s m f 的包层模容易受到外界环境的影响，故具有较高 的灵敏度，实验测得m s m 结构的温度灵敏度是f b g 的5 倍。 关键词：干涉型光纤传感器同时测量光束传播法腐蚀l y o t 滤波器多模光纤 保偏光纤 a b s t r a c t o p t i c a lc o i n m u n i c a t i o ni sa p p e 撕n gab o o m i n gp r o s p e c td u e t ot h ea d v 锄t a g e so f b r o a d f e q u e n c yb a n d ，i o wt r a n s m i s s i o n1 0 s sa n ds m a l ld i s t o r t i o n t h eo p t i c a l 孕a t i n g si n j e c tn e w v i t a l i t y a n d v i g o r t ot h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n tw i t hm a n yi n s t i n c t i v e a d v 枷a g e s ，s u c ha sl o wc o s t ，h i g l ls t a b i l i t y c o n 0 s i o nr e s i s t i n g ，i m m u n et oe l e c t r o m a 舯e t i c i n t e r 妇e n c e ，m u l t i p l e x i n gc a p a b i l i t y a d 印tt ow o r ku i l d e fh o s t i l ee n v i r o n m e n t ，a 1 1 ds oo n o p t i c a lc o 删：l l u i l i c 撕o ni sd e v e l o p i n gt o w a r dm ea i mo fi n t e 刚i o n ，a l l 一舳e rd e v i c e s ，a 1 1 d i n t e l l i g e i l c e ，w h i c hi sv a l u e da n df a v o r i e db yp e o p l e c o m p 鲫e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls e i l s o r s ，t l l e 助* i n t e r 】衙e i l c e b a s e ds e l l s o rh a sb r o a d r e s p 0 1 1 s e 啪g e ，i n u c hh i 班e rs e i l s i t i v i t ) ，a l l dr e s 0 1 u t i o n ，a i l di s a l s os t a b i e u i l d e rs p e c i a l w o r k i n ge i l v i r o n m e n t ，w h i c hh 嬲b e e l l 印p l i e di nm 锄ys e n s i n ga r e 舔，s u c h 嬲t e m p e r 砷j r e ， s n i a i n ，l i q u i dl e v e l ，r e 丘a c t i v ei n d e x ，h u m i d i t y 锄dh y d r o p h o n e s i m u l t a l l e o u sm e a s u r 锄e mo fd u a lp a r l m e t e r sc 觚o n 研m o r ei n f o n i l a t i o na i l dg r e a t e r a v a i l a b i l i t y ，w h i c hp r o m o t et h ep r a c t i c a lp r o c e s so f 舳e r 黟a t i n g s t h i sm e s i sm a i n l yf o c u s e s 0 nt l l es i m u l t 锄e o u sm e a s u r e m e mo fd u a lp 蝴e t e r sb yu s i n gt h ec o m b i n a t i o no fa 胁e r 伊a t i n g 孤da 舳* i n t 铡f e r e n c e - b a s c ds e i l s o r t h em a i nc o n t 饥ti n c l u d c s ： 1 )d 印i c tg e n e r a l l yo nt h ed e v e l o p m e i l t 锄d 印p l i c a t i o n so f 纳e rg r a t i n g si nr e c e l l ty e a r s ，a 1 1 d i i n r o d u c et h es i m u l t a i l e o u sm e a s l l r e m to fd u a lp 钺吼e t e r so ft h e 纳e r 掣a t i n g s a j l a l y z e l es e n s i n gp 打n c i p l ea r l dr e s e 鲫c hs t a t i l so ff i b e r - i n t e r f h l c e - b a l s e ds e n s o r s ，锄dl i s ts o m e t ) ，p i c a lf i b e r - i n t 编l c e - b a s e ds e n s o r s 2 ) h l 仃o d u c e 晡e n yt h et 锄p e r a t w e 柚d 删ns e i l s i n gp r i n c i p l eo f 助e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ， 锄d a i l a l y z e m ei m e r f 醯e i l c em o d 髓o f s i n 哲e - m o d e m u l t i m o d e s i n 四e - m o d e ( s m s ) s t r u 咖l r ei nd c t a i l ，t 1 1 e i lt h en u m 谢c a ls i 舢l a t i o no f 叩t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o ni sc a r r i c do u t b yl l s eo fb e 锄p r o p a g a t i o nm e l o d ( b p m ) as e n s o rf o rs i m u l t 锄l e ：o u sm e a s u 彻n e i l to f t 锄p e r a t u r e 锄dr e 纳c t i v ei n d e x ( r i ) i sp r e s 铋t e d 1 1 1 ee x c i t e dt l i 曲o r d e r 鲥d c dm o d e s i 1 1 t i e 疵r ei nt h em m f d u et ot h ed i f | 陆e n tr e s p o n s es 锄s i t i v i t yc o e m c i e l l t so fs m s 锄d f b gt h es i m u l t a i l e o u sm e a s u r e m e n ti sa c m e v e dw i t ht h er e s o l u t i o no f 土o 2 2 和 0 o o l5 ，r e s p e c t i v e l y 3 ) t h et e i n p e r a t u r ea n da x i a ls t r a i ns e n s i n gp r i n c i p l eo fl o n gp e o d 伊a t i n g ( l p g ) a n dt h e b i r e 衔g e n te 虢c to fp 0 1 撕z a t i o nm a i n t a i n i n g 舶呱p m f ) a r es 伽i e d as c l l s o rf o r s i m u l t a n e o u sm e a s u i e m e n to ft e m p e r a t u r e 锄ds t r a i ni sd e s i g n e db yc a s c a d i n g 锄l p g 柚dal 归t6 b e rf i l t e r ( l f f ) ，w h i c hh a sal i n e a rc o n f i g u r a t i o nw i t hs t a b l ei n t e r 6 。r e i l c e s p e c 虮吼b ym e a s u r i n gt h ed i 腑e n tw a v e l e n g t l l s h i r so fl f f 锄dl p g ，m e s i h m l t a n e o u sm e a s u r e m e i l ti sa c h i e v e db yu s eo faw e l l - c o n d i t i o n e ds e l l s i t i v i t ym 撕x e q u a t i o n ，a 1 1 dar e s o l u t i o no f 1 和2 5 肛i so b t a i n e d 4 ) a s e l l s o rf o rs i m u l t a l l e o u sm e a s u r 锄e n to ft e l l l p e r a t u r e 锄dr ii sp r o p o s e db yu s i n ga c o i n b i n a t i o no fa i lm m f s m f m m f ( m s m ) s t n l 曲e 锄da i lf b gf i r s t l yt h ei n t e r 向嗍c e p d n c i p l eo fm s m s t m c t l l l ei si n v e s t i g a t e d c o n s i d 耐n gt h ec l a d d i n gm o d en a t u r eo ft h e s m fi sm o r ev u l n e r a b l et oo t h e rp 棚觚l c t e r s ，t h et 锄p e r a t u r es e n s i t i v i 钾c o e 缳c i 锄to f m s ms 仃u c t u r ei sf i v et i m e sh i 曲e rt h 锄t h a to ff b gm e 绷w h i l e ，t h en l 】m 嘶c a l s i n m l a t i o no fo p t i c a lf i e l dd i s 砸b u t i o ni sc a 币e do u tb vm e a n so fb p m ，a n dt l l e s i m u l t a n e o u sm e a s u r 咖e n ti sd e i i l o n s t r a t e dd u et om ed i 丘e r e n tr e s p o n s e so fm s ma n d f b qt h er e s o l u t i o no f o 3 2 a 1 1 d 0 0 0 2 3i sa c h i e v e d k e yw o r d s ： i n t e r 衔e 1 1 c e - b a s e df i b e rs e l l s o r ，s i m u l t a i l e o u sm e a s u r 锄e i l t ，b p m ，c o n o s i o i l l ，y o tf i b e rf i l t m m f ，p m f 第一章绪论 1 1 光纤光栅发展概述 1 1 1 光纤光栅分类 第一章绪论 光纤通信和光纤传感技术作为当今通信领域的发展趋势和方向，在近几十年的时间 里发生了日新月异的变化，目前j 下以其高速、大容量的传输性能，和巨大的带宽优势， 向全光网络演进。光纤光栅的出现，是光纤通信和传感，及光信息处理等领域的一个重 大的里程碑式的事件。光纤光栅是一种新型的光无源器件，是基于光纤的光敏特性在光 纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其目的在于改变和控制光在区域内的传播行为 和方式。鉴于其本身具有的许多不可比拟的优良特性，已迅速成为当今最具代表性和发 展前途的光无源器件之一，大大地拓展了光纤技术应用的范围。 随着对光纤光栅研究的不断深入，为了满足不同应用的需要，出现了种类繁多的光 纤光栅。根据物理机制的差异，分为折射率调制型相位光栅和蚀刻型光栅。其中前者在 实际运用中较为广泛，故通常所说的光纤光栅是指折射率调制型相位光栅。根据折射率 变化引起的结构差别，可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。具体分类见表1 1 。 表1 1 光纤光栅按空间周期和折射率系数的分类 基本类型具体类型特点应用 短周期光纤栅格周期一般为1 0 2 n m 量级，方可调谐光纤滤波器，色散 光栅光纤向相反的模式之间发生耦合，具补偿器，光纤激光器，波 均布拉格光栅有窄带反射特性和高反射率分复用系统 匀周期为几十至几百微米，同向传光纤传感和掺铒光纤放 光 长周期光输的纤芯基模和包层模之间的耦大器的增益平坦 纤 纤光栅合，是一种透射型光栅，也是很 光好的波长选择性损耗元件 栅 倾斜光纤折射率的空间分布与光纤轴向存衰减一定带宽范围内的 光栅在夹角目，透射谱中有纤芯模和大光功率，放大器的增益平 量的包层模坦 线性啁啾具有沿纤芯轴向单调、连续、准 光纤光栅周期性地变化的光栅周期；折射 率调制深度为常数色散补偿和光纤放大器 分段啁啾在分段区域内，光栅周期沿纤芯的增益平坦 光纤光栅轴向单调、连续、准周期性地变 第一章绪论 化：折射率调制深度为常数 非相移光纤在均匀光栅的特定位置插入断多通道滤波器、掺铒光纤 均 光栅点，以使光栅周期不连续，折射放大器的增益平坦 匀率调制深度不变 光超结构光 折射率分布周期性i 日j 断，调制深波分复用系统的 纤纤光栅度不变，反射谱具有一组分立的 色散补偿 光 反射峰 栅 折射率调制深度被特定函数( 正压制光纤光栅发射谱的 t 叩e r e d 光 弦或余弦的平方) 调制，栅格周边瓣进行色散补偿；光纤 纤光栅期不变环形腔激光器的多波长 激光输出 栅格周期和折射率调制深度被正 m o i 托光纤弦或余弦函数共同调制，具有慢 滤波器、色散补偿、通道 光栅变包络的快变结构的折射率分布选择器等 根据光敏机制的不同，分为以下三类，见表1 2 。 表1 2 光纤光栅按成栅机理的分类 类型制作特点 由连续或能量较弱的多个折射率变化较弱，透射谱无 i 型u v 光脉冲光敏光纤进行曝 明显的包层耦合损耗，热稳 光定性较差 由高能量的u v 光脉冲在掺折射率变化较大，热稳定性 i i 型锗光纤中写入好，包层或辐射模式损耗较 大 i 认型通过对i 型光栅过量曝光形稳定性介于i 型和i i 型光纤 成 光栅之间 1 1 2 光纤光栅的特点和应用 当今光栅的制作工艺有了较大改善，使得光栅的制作成本也逐渐降低。光纤光栅具 有诸多无与伦比的优点，使得过去许多被认为不易实现的问题和技术得到了解决，具有 广泛的应用。 ( 1 ) 体积小、重量轻、其灵巧结构易于埋入智能材料中对其进行监测。例如将其埋入 桥梁、建筑中，实时监测结构的退化和损坏状况，有很好的抗腐蚀性；用于航空 工业对飞行器运行过程中机载传统系统的性能进行监视：用于矿建施工中及时准 确地报道安全情况；用于混凝土结构中对内部钢筋的锈蚀程度进行监测；用于医 第一章绪论 学领域在人体内部测量组织功能的温度、压力等局部信息。 ( 2 ) 光栅经封装后可延长使用寿命，可对被测量进行多次重复测量。 ( 3 ) 抗电磁干扰，电绝缘性能好，耐腐蚀，可用于易燃易爆的油、气、核工业、化工 生产中。例如用于原油储罐中实施温度监测以防止火灾发生；用于石油钻探的精 确长期液压监测；用于电力行业测温系统预防电缆烧毁；用于核电站反应堆建筑 监测壳体的安全状况预防泄露。 ( 4 ) 光源强度的起伏和耦合损耗等因素对光栅传感信号的影响都很小，具有稳定的化 学性能和很高的可靠性。 ( 5 ) 传输损耗小、传输容量大，能够完成远距离遥控检测和多点分布式测量，便于远 程实时监控，有效降低维护成本，缩短检查时间。可用于偏远山区的远程电力系 统监测等领域。 ( 6 ) 全兼容于光纤，测量范围广，可测量温度、应变、折射率、液位、扭矩、磁场、 电流、流速等物理量。 光纤光栅极大地推进了光纤通信与传感的快速发展，但也有一些待改善的方面。例 如对波长移位检测需要较复杂的技术和较昂贵的器件，对光源要求较高，需要大功率的 宽带光源或可调谐光源，这些方面限制了检测的分配率和动念范围，在以后的研究和工 作中亟待解决。 1 2 光纤传感器概述 1 2 1 光纤传感器的基本原理 在当今快速发展的高科技时代罩，传感技术、通信技术和计算机技术成为现代信息 技术的三大支柱，光纤传感技术作为新一代传感器的发展趋势和方向，被认为是当今发 展最为迅速的高科技技术之一。在光纤通信等领域迅猛发展的带动下，光纤传感器以其 体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大、测量范围广、抗电磁干扰、耐腐蚀、化学 稳定性好、电绝缘性能好、使用寿命长等诸多卓越的优势脱颖而出。新型传感器不仅具 有高灵敏度、高可靠性、大信息容量、低功耗，并且朝着集成微型化、适应性强、智能 化和网络化的趋势发展，来达到工、农业及国防科研等各个领域的需求。 光纤不仅可以作为传输光的媒质，在光波在光纤传播的过程中，当外界因素( 温度、 应变、浓度、电磁场等) 作用于光纤时，光纤的特征参量( 波长、光强、振幅、相位、 频率、偏振态等) 会直接或间接地发生变化，分析这些特征参量的变化，能够获得外界 物理量改变的大小，因而可利用光纤作为探测各种物理量的传感元件，这就是光纤传感 器的基本原理。光纤传感器能探测很多物理量，有温度、应变、压力、扭矩、折射率、 位移、浓度、流量、振动、加速度、电流、磁场等。 光纤传感器的原理结构如图1 1 所示，主要由光源、传输光纤、光纤传感器( 或调 制区) 和光信号检测部分构成。光源发出的光耦合进光纤，进入调制区；外界物理量在 第一章绪论 调制区作用于光信号，使其特征参量转换为调制的信号光，然后经光纤进入光信号检测 区，进行光电转换后输出电信号；最后对输出的电信号进行信号处理，以获得被测参量 的大小。 1 2 2 光纤传感器的分类 图1 1 光纤传感器的原理图 根据工作原理，光纤传感器可以分为两类：一类是非功能型( 或传光型) 光纤传感 器，另一类是功能型( 或传感型) 光纤传感器。在非功能型光纤传感器中，光纤仅作为 传播光的媒质，传输距离较远或不易接近处的光信号，其他敏感元件用来感应被测量的 变化。这类传感器存在光纤与传感部分的光耦合问题，对外界干扰较敏感。在功能型光 纤传感器中，光纤不仅起到传输光的作用，其自身也作为传感元件感知外界环境变化， 利用其光学特征的变化实现传感功能。 根据被调制的光波参数的不同，非功能型和功能型光纤传感器均可再分为强度调制 光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波 长调制光纤传感器。 强度调制光纤传感器通过检测光纤中传输光强的变化来实现对待测物理量的测量， 具有成本低、结构简单的特点，但容易受到光源波动和熔接损耗的影响，适用于干扰源 较小的场所。 相位调制光纤传感器是利用被测能量场对光纤内光波相位的作用，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。它具有极高的灵敏度，较大的 测量范围和较快的响应速度，但由于其对光源和检测系统的精密度要求较高，使得成本 相对提升。 频率调制光纤传感器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。 偏振态调制光纤传感器通过检测光的偏振态变化来获得被测物理量的信息，其灵敏 度高，可避免光源强度变化的干扰，结构简单、便于调整，主要用于监测强电流。 波长调制型光纤传感器是利用外界物理量的变化导致传感探头的光频谱特性的变 化来实现的，主要应用于医学、化学领域，多为非功能型传感器。 1 2 3 干涉型光纤传感器的研究现状 与其他光纤传感器相比，干涉型光纤传感器虽然结构复杂，但具有许多其他光纤传 感器不具备的优势： ( 1 ) 具有极高的灵敏度和分辨率 第一章绪论 ( 2 ) 具有很大的动态响应范围 ( 3 ) 具有尽可能高的信噪比 ( 4 ) 长期处于特定工作环境下的光学稳定性较好 由于其诸多不可比拟的优势，近年来干涉型光纤传感器得到了人们越来越多的青 睐。f p 干涉型光纤传感器的应用最为广泛，目前已被运用于温度【、压力【2 1 、微应变【3 1 、 折射掣4 5 1 、浓度【6 1 、振动7 1 、应变【8 捌、湿度【1 0 1 和加速度【1 1 1 2 1 的传感中。其中重庆大学 光电工程学院在基于空芯光纤的f p 腔光纤传感器的研究上取得了较大成绩。其利用被 测液体进入f p 腔后改变腔内介质折射率，从而改变干涉光程差的原理，在 1 3 3 4 0 1 3 6 1 2 的折射率变化范围内，获得了1 8 7 研删的高灵敏度【5 】；同时利用空芯 光子晶体光纤耐高温、温度稳定性好的特点，将其与单模光纤熔接构成f p 腔，在6 0 0 的高温下测得其应变灵敏度为5 9 4 疗m 胪，满足了在高温环境中对高精度应变测量的 需要【8 1 ；该课题组还通过在f p 空芯干涉腔内填充一种纳米复合水凝胶设计出了新型湿 度传感器，在3 8 一9 8 的湿度变化范围内，光程差与相对湿度的灵敏度为7 7 8 2 彻以1 ) ， 且不需要温度补偿【l 。 近年来基于多模干涉的光纤传感器受到广泛关注，被用来实现各种传感，包括温度 【1 3 】、应变【1 禾15 1 、位移【1 6 】、弯曲【1 7 】、折射率【1 8 之2 】和生物传感【2 3 】等。天津大学精密仪器与 光电子工程学院对单模多模单模( 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【1 4 1 ；用于温度传感，获得了 1 2 1 3p i i l 的灵敏度【1 3 】；用于生物传感，得到当折射率小于1 4 时折射率每增大l 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l 干涉波长红移 1 3 4 9 2 0 6 n m 的结论【2 3 j ；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 i n ，i l 的高灵敏度【2 2 1 。 2 0 0 7 年，o f r a z a o 等人将多模光纤( m m f ) 嵌入两段单模光纤( s m f ) 中，并与 一段长周期光栅( l p g ) 级联，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【2 4 1 。同年，o f r 配a o 又设计了一种基于高双折射光子晶体光纤( p c f ) 环镜的应变传感器，该p c f 对温度不敏感，对应变的灵敏度为1 1 l 胛胆，从而避免 了温度交叉敏感【2 引。 s a 印a c 干涉型光纤传感器最重要的用途是用于水听器【2 6 1 ，同时也被用于电流传感【2 7 】 等领域。2 0 1 1 年，范林勇等人将一根单模双芯光纤熔接在两根s m f 中，构成了双芯光 纤m z 干涉仪型梳状滤波器，并实验检测了温度传感特性【2 8 1 。同年，林巧等人设计了 一种基于迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉原理的光纤弯曲传感器，获得了4 3 9 6r a d m 。1 的灵 敏度和0 0 0 4 m o 的高分辨率【2 9 】。 1 2 4 干涉型光纤传感器面临的主要问题 虽然干涉型光纤传感器具有很多不可比拟的优势，具有广阔的应用i ； 景，但将其应 用于实际还需要解决许多问题。 ( 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 第一章绪论 理，同时对参考臂光纤进行钝化处理。光纤需要进行小芯径缠绕，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，否则这种噪声会随着频率 的减小而增大；光源的振幅起伏必须很小，否则振幅噪声会引起一个被测信号无法区分 的干扰信号；激光器的线宽必须很窄，以满足足够的相干长度；为防止光频不稳，线宽 变宽，光功率输入不允许返回光源；激光器要具备良好的调频特性；光源要有足够的光 功率输出。 ( 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系统长时间的稳定输出。 ( 4 ) 信号检测 由于外界环境的影响导致的各种随机相移往往比待测信号引起的相移大三个数量 级，因此在大噪声淹没中提取微小相位信号的问题需要解决。 ( 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 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 3 双参量同时测量的研究现状 1 3 1 双参量同时测量的研究进展 在工程结构和实际生产中，常常需要对双参量进行同时测量，以获得更多的信息量， 大大推进了光纤光栅的实际应用进程。近年来已有许多方法用于实现对双参量的同时测 量。 目前已有许多方法实现了对温度和折射率的同时测量【3 0 3 7 1 。通常采用将传感结构的 一部分用氢氟酸( h f ) 进行腐蚀，提高折射率灵敏度，并与用于参考的另一部分一起实 现同时测量的方法。2 0 0 5 年，a g o s t i n oi a d i c i c c o 等人将f b g 栅区部分腐蚀，f b g 的透 射峰分裂成两个峰，其中两部分的温度灵敏度相同，但腐蚀部分对折射率的灵敏度较高， 分辨率达到了l o 巧【3 0 j ；2 0 0 7 年，j i n h u a y 觚等人将两根l p g 级联，并将其中一根腐蚀， 腐蚀l p g 的折射率灵敏度比未腐蚀的l p g 高3 6 倍【3 l 】。2 0 1 0 年，c l “a 0 等人将m z 干涉仪嵌入f b g 中，利用m z i 的干涉峰和f b g 的透射峰对温度和折射率不同的灵敏度 响应，实现了同时测量，在1 3 0 1 3 2 5 的折射率变化范围内灵敏度高达一9 1 4 8 1 1 n 氓i u f 3 2 】。 在温度和应变同时测量方面，主要采用三种方法，利用单光栅法；利用双光栅法， 并将其中一根光栅进行封装；利用将光栅与高双折射光纤环镜级联法【3 8 4 5 】。2 0 0 9 年，重 庆大学的宋韵等人利用基于旋转折变型长周期光纤光栅实现了温度和应变的同时测量， 该光栅的特殊结构导致谐振峰分裂为两个峰，两峰对温度有0 0 7n m 的灵敏度，但 第一章绪论 对轴向应变的漂移方向相反【4 3 】；西安石油大学在利用双光栅法实现同时测量方面取得了 一定的进展，2 0 0 9 年，该课题组对两根f b g ( f b g l 和f b g 2 ) 分别采取两点粘贴和单 点粘贴的方式粘贴于金属合金圆筒的弹性薄壁上，由于f b g l 对温度和应变都敏感，而 f b g 2 只对温度敏感，从而实现同时测型4 1 1 ，2 0 1 0 年，该课题组又将双f b g 轴向粘贴 于壁厚度不均匀的柱体表面，利用两f b g 对温度灵敏度相同，而不同的壁厚使光栅受 到的压力不同，实现了对温度和压力的同时测量，温度和压力灵敏度分别为0 0 3 7m i l 和0 0 7 3n m 侏压p a ，是裸f b g 的3 7 倍和2 4 倍1 4 2 】；2 0 0 6 年，o f r a z a o 等人利用l p g 与高双折射光纤环镜级联法实现了对温度和应变的同时测量，由于l p g 的透射峰和高 双折射光纤环镜的干涉谱对温度和应变具有不同的响应灵敏度，故可通过敏感矩阵实现 同时测量，分别获得了o 8 和2 l 肛的分辨率【3 8 】，2 0 0 8 年，d a p e n gz h o u 等人利 用f b g 与高双折射光纤环镜级联法实现了温度和应变的同时测量，分别获得了l 和 2 1 肛的分辨率【删。 在其他双参量同时测量领域，对温度分别和流量闱、电涮4 7 1 、曲斟4 8 1 、湿度【4 9 】、 位移【矧、液位【5 l 】的同时测量，以及应变和弯曲【5 2 1 的同时测量的研究也都取得了较大的 进展。 1 3 2 解决方案 单个光纤光栅通常无法分辨多个外界因素分别引起的光栅波长的改变，无法实现对 多参量的同时测量。因此对多参量的同时测量是推进光纤光栅的实用化的一个亟待解决 的问题。一般来说，有以下几种解决方案。 ( 1 ) 双波长矩阵运算法 如果光纤光栅的两个传感参数丑和丑同时对两个被测物理量( 如温度和应变) 敏感， 那么两个被测参量引起的传感参数的变化可表示为 麓 = 乏乏 怎 ( 1 1 ) 其中 乏乏 是灵敏度矩阵，也称为转换矩阵，其中的灵敏度系数可由实验得出。 该矩阵的行列式为d = ( 1 e t 【k 】_ 峰。k ：一疋。砗：。通过转置矩阵 绊吉 皇：刹麓l s jd l _ 巧2巧ij l 五j ( 1 - 2 ) 可以根据波长的漂移量得到温度和应变的变化。该方法要求f ? 1：引i o ，且两光 l k r 2五5 2 j 栅中心波长相差必须足够大，因此该方案的实用化还有一定的限制性。 ( 2 ) 双参量矩阵运算法 双参量矩阵法与双波长矩阵法不同，它采用两个不同的参量( 例如一个是功率，一 个是波长) 来进行测量。利用选取的两个参量对被测物理量不同的响应灵敏度，实现同 时测量。这种方法只需一根光栅，但由于不再是波长编码，因此较易受到光源波动等因 第一章绪论 素的干扰。 ( 3 ) 温度( 应变) 补偿法 该方法通过对传感单元进行特殊设计，使其对温度( 应变) 不敏感，从而实现温度 和应变的同时测量。较为典型的是不同包层直径光纤焊接法。将中心波长相近的f b g 写入具有不同包层直径的光纤中，并熔接在一起，利用其相同的温度灵敏度和不同的应 变灵敏度，实现同时测量。 1 4 本课题的主要研究内容 本文在过去研究的基础上，利用干涉型光纤传感器灵敏度高、响应范围大等优点， 设计了三种不同的光纤干涉式传感器，并分别利用其与光纤光栅的不同响应灵敏度特 性，将两者级联，利用敏感矩阵法实现了对双参量的同时测量。同时对各种干涉传感器 的干涉光场分布和干涉光谱进行了b p m 数值模拟以及m a t l a b 数值模拟，很好地验证 了干涉原理。 全文共分为六章，内容如下： 第一章简要介绍了光纤光栅近年来的发展以及特点和应用，分析了光纤传感器的传 感原理及干涉型光纤传感器的研究现状，并对光纤光栅的双参量同时测量问题进行了分 析和研究。 第二章介绍了干涉型光纤传感器的基本理论，对光纤的模式以及光纤相位调制机理 进行了研究，并列举了几种典型的干涉型光纤传感器，分析了各自的特点。 第三章首先介绍了f b g 的温度和应变传感原理，然后对s m s 结构的干涉模式进行 了详细分析，提出了一种基于s m s 结构与f b g 级联的温度和折射率同时测量传感器。 s m s 结构利用经过包层腐蚀的m m f 作为传感区，入射光激发的众多高阶导模在m m f 中发生干涉，通过m m f 干涉条纹的漂移来感知外界参量的变化。实验测得s m s 结构 的干涉谱和f b g 的透射峰对温度和折射率有不同的响应灵敏度，利用敏感矩阵实现了 同时测量，温度和折射率的测量精度分别为o 2 2 和0 0 0 1 5 。 第四章首先分析了l p g 的温度和轴向应变传感特性，然后对保偏光纤( p m f ) 的双 折射特性进行了研究，并设计了一种基于l y o t 滤波器( l y o t 矗b e rf i l t l f f ) 和l p g 的 温度和应变同时测量传感器，其中l f f 由在起偏器( p l l ) 和检偏器( p l 2 ) 中嵌入一 段p m f 构成，具有线性结构。l f f 不仅具有干涉型光纤传感器的灵敏度高、响应速度 快等优点，同时干涉谱的稳定性较高，有利于测量精度的提高。实验测得l f f 的干涉谱 和l p g 的透射峰对温度和应变有不同的响应灵敏度，温度和应变的测量精度分别为1 和2 5 胆。 第五章设计了一种基于m s m 结构和f b g 的温度和折射率同时测量传感器。m s m 结构利用s m f 中的包层模与纤芯导模之问的干涉感知外界变化，利用b p m 法对干涉光 场分布进行了数值模拟。实验测得m s m 结构的干涉谱和f b g 的透射峰对温度和折射率 具有不同的响应灵敏度，利用敏感矩阵实现了同时测量，温度和折射率的测量精度分别 第一章绪论 为0 3 2 和0 0 0 2 3 。 第六章对全文进行了总结，并对未来的发展进行了展望。 1 5 本论文的主要创新点 本文基于干涉型光纤传感器的干涉原理和极高的灵敏度，以及光纤光栅的传感特性， 将两者级联，利用敏感矩阵法实现了双参量的同时测量。通过实验研究，进行了以下工 作： 1 ) 设计了一种基于s m s 结构与f b g 级联的温度和折射率同时测量传感器。f b g 和s m s 结构的温度灵敏度分别为0 0 1 6 m n 和0 0 9 3 彻【l ，s m s 结构的折射率灵敏度为 2 2 6 2 5 n m 依i u ，而f b g 对折射率变化不敏感。温度和折射率的测量精度分别为o 2 2 和o 0 0 1 5 。 2 ) 设计了一种基于l y o t 滤波器和l p g 的温度和应变同时测量传感器。l y o t 滤波器具 有线性结构，干涉谱稳定性较高，有利于测量精度的提高。实验测得l y o t 滤波器和 l p g 的温度灵敏度分别为一1 3 1 7 3 刀m 和o 0 6 0 4h m ，应变灵敏度分别为一 0 0 1 8 5 尼m 胆和一0 0 0 0 4 以朋肛，温度和应变的测量精度分别为l 和2 5 胪。 3 ) 设计了一种基于m s m 结构和f b g 的温度和折射率同时测量传感器。实验测得m s m 结构的温度灵敏度为0 0 5 5 2 n i ，是f b g ( o 0 1 5 8 n n l ) 的5 倍，m s m 结构的折 射率灵敏度为1 0 9 7 0 2 n m 瓜，温度和折射率的测量精度分别为0 3 2 和o 0 0 2 3 。 第二章干涉犁光纤传感器的基本理论 2 1 光纤的模式 第二章干涉型光纤传感器的基本理论 光波在光纤中传输时，由于纤芯边界的限制，其电磁场解均满足波动方程却不连续， 这种满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布，称为光纤的模式。在 光的传播过程中，这种稳态分布始终满足边界条件，且只有相位的变化，没有形状的变 化，每一种这样的分布对应一种模式。 设光的传播方向为z 方向，按e 分量和h 分量贡献的大小，分为e h 模( e h ) 和h e 模( 何一 e ) 。光纤中大部分模式的e 或h 分量不为o ，因此光纤中的模式是混 合模。 每个模式由它的传播常数唯一决定。电磁波在折射率为以的均匀介质中传播时是 单色波，即只有单个波长五( 或频率缈) 的波，此时有 = 脚刀c = 2 万，l 名 ( 2 - 1 ) 若波数| i = 2 石五，则有 = | b l ( 2 2 ) 单色波在纤芯中传播时，= 砌。，在包层中传播时，= 砌：。因为光纤中的模式分 别在纤芯和包层传播，故导波传输常数的变化范围为 砌2 i i b l l ( 2 3 ) 若用模式的有效折射率= 七代替传播常数，则模式的有效折射率介于纤芯折射 率和包层折射率之间。 导波应限制在纤芯中，被纤芯和包层的界面来导行，沿轴线方向传输，当光纤中出 现了辐射模时，即认为光纤中的导波截止，此时 圪，该模式的光可以在光纤中导行， 若矿屹，则这种模式截止，当y = k 时，导波处于截止的临界状态。 在弱导光纤中，光的能量并不全部限制在纤芯中，还有一部分在包层中，弱导波光 第二章干涉犁光纤传感器的基本理论 纤中存在的电磁场模式可近似地认为是线极化波，用上表示，不同m 、n 的组合对应 着不同的模式。 当m = o 、n 寻l 时，所对应的三日。模的归一化截止频率k 最低，圪= o ；如果将频率转 换成波长，可以说三昂模的截止波长最长。弛。模是阶跃光纤中最低的工作模式，亦称 为基模，其余所有模式均为高阶模。 当阶跃型光纤中只传输昂。时，则称为阶跃型单模光纤，单模光纤的传输条件为 k ( 三昂1 ) y 屹( 三曰1 ) ，即0 矿 2 4 0 5 。 当不能满足单模传输条件时，将有多个导波同时传输，称为多模光纤。 光纤中传导模的数目为 m ：! 上( 2 6 ) 式中，g 为纤芯的折射率分布参数。 在通信中使用的光纤都是所谓的弱波导光纤，纤芯和包层的相对折射率差满足 。盟 l( 2 7 ) 啊 由于波在传播过程中相偏振状态保持不变，所以总可以选取一个直角坐标系，使得 场矢量与坐标轴方向一致。如果电磁波在传播过程中总保持矢量取向不变，就称这种电 磁波为线偏振模，即l p ( l i n e a rp o l 撕z a t i o n ) 模。 2 2 光纤相位调制机理 光纤干涉仪以敏感光纤作为相位调制元件。相位调制光纤传感器的基本原理为，光 纤内传播的光波相位在被测能量场的作用下发生变化，利用干涉测量技术将相位变化转 换为光强变化，来获得被测物理量的大小。 光纤中传输的光的相位取决于光纤波导的三个特性：总物理长度，折射率及其分布， 光纤波导的横向几何尺寸。一般情况下，温