第十章光纤传感技术—2

1、第10章 光纤传感技术 光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。10. 2 光强调制型光纤传感器 为便于对光纤传感器的本质特性的理解，下面按光纤传感器中光调制

2、方式分类介绍不同种类光纤传感的工作原理及应用。 光强调制是光纤传感技术中相对比较简单，使用最广泛的一种调制方法。其基本原理是利用被测量的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，来改变光纤中传输光波(宽谱光或特定波长的光)的强度(即调制)，再通过测量输出光强的变化(解调)实现对被测量的测量。优点是结构简单、容易实现、成本低;缺点是受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。10. 2. 1 非功能型光强调制 非功能型光强调制方法很多，基本调制方式大致 可分为:光束切割型、光闸型、松耦合型和物理效 应型等。 1.光束切割型光强调制 光束切割式光强调制的基本原理是，被测量按照一定的规律控制接

3、收光纤的入射端或发射光纤的出射端，或特定的反射或透射光学元件，使其产生相应的线位移或角位移，导致进入接收光纤的光束被切割，从而对光纤传输的光强进行调制。 图10. 2为透射式光纤相对位移型光强调制示意图。其特点是，发射光纤与接收光纤的端面均为垂直纤轴的平面，两端面相距23um。通常发射光纤固定不动，使接收光纤的入射端受被测量控制而相对发射光纤的出射端产生微量横向位移、纵向位移或角位移参见图10.4（a）（c），于是进入接收光纤的光束强度受位移(即被测量)调制。为了消除光源波动的影响，还可采用差动接收方式参见图10.4（d），以提高测量精度。 图10. 5为透射式光束位移型光强调制的示意图。其特

4、点是，发射光纤与接收光纤固定不动，在两光纤端面之间加入某种形式的光学元件(如球透镜、楔镜等)，被测量通过横向移动光学元件使光束位移来调制进人接收光纤的光强。图10. 5(a)为移动球透镜式移束光强调制，其灵敏度高，线性好;图10.5（a）为楔镜式移束光强调制。 图10. 6为反射式光束位移型光强调制的示意图。其特点是，自发射光纤中射出的光束经过受被测量控制的反射面反射后，直接或经过转换光学系统进人接收光纤，被测量通过控制反射面与接收光纤人射端面的相对线位移或角位移，使进人接收光纤的光束受到切割，从而对光纤中的光强进行调制。一般情况下发射光纤为单根光纤，接收光纤可以与发射光纤合并为一根，也可以是

5、独立的单根光纤或按一定规律排列的光纤束，光纤端面与其轴线垂直。反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射面。 2.光闸型光强调制 光闸型光强调制的基本原理是，在发射光纤与接收光纤之间加置一定形式的光闸，对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡，被测量通过控制光闸的位移来制约遮光程度，实现对进人接收光纤的光强进行调制。如图10. 7所示，光闸的形式很多，有简单的遮光片式、散光式，也有比较复杂的光栅式、码盘式等。 3.松藕合式光强调制 如图10. 8所示，松耦合式光强调制的基本原理是，当两根光纤的全反射面靠近时，将产生模式耦合，光能从一根光纤耦合到另一根光纤中去，称为松耦合。被测

6、量通过控制松耦合区的长度或两光纤的距离(即控制光波耦合程度)来对接收光纤中的光强进行调制。 4.物理效应型光强调制 目前用于非功能型光强调制的物理效应主要有热色效应、荧(磷)光效应、透明度效应和热辐射效应等。 （1）热色效应型光强调制 热色效应是指某些物质(例如钴盐溶液)的光吸收谱强烈地随温度变化而变化的物理特性。具有热色效应的物质称为热色物质。例如用白炽灯照射热色溶液(溶于异丙基乙醇中的 溶液)时，其光吸收谱如图10. 9所示。吸收谱特征是:在光波长655 nm处形成一个强吸收带，光透过率几乎与温度呈线性关系;而在光波长800 nm处为极弱吸收带，光透过率几乎与温度变化无关。而且这种热色效应

7、完全可逆的。因此，外界温度的变化可通过热色物质对波长655 nm处的光强进行调制。为了消除光源波动对测量精度的影响，还可取波长800 nm处的光强作为参考信号。利用这一效应可以制成热色效应光强调制型光纤温度传感器。226CoCIHO （2）荧(磷)光效应型光强调制 荧光效应是指某些荧光物质的荧光特性随温度变化的物理特性。荧光物质的荧光现象一般遵循斯托克斯或反斯托克斯定律，长波长光辐射(如LED发出的红外光)被荧光物质吸收，通过双光子效应激发出短波长辐射(可见光)的荧光现象称为斯托克斯或上转换荧光现象。短波长光辐射(如紫外线、X射线)被荧光物质吸收，激发出长波长光辐射(可见光)的荧光现象称为反斯

8、托克斯或下转换荧光现象。图10. 10为基于荧光效应型光强调制的光纤温度传感器。光源LED发射940 nm的光脉冲，通过发射光纤经3 dB耦合器后送至盛有荧光物质的探头上，由于双光子过程致使 荧光粉发射出554 nm的绿光，经3 dB耦合器后通过接收光纤送至探测器D检测、处理，解调出探头处的温度T0。 (3)透明度效应 透明度效应主要是指某些物质透明度 随被测量变化而变化的物理效应。如某些化学试剂对一定波长光的透明度随溶液pH值变化，某些半导体材料对一定波长光的透明度随外界温度变化等。利用这一物理效应可实现被测量对光纤中一定波长光的强度进行调制。 化学试剂透明度效应型光强调制。某些化学试剂的透

9、明度对溶液的pH值很敏感。如酚红的透明度在红光区（波长为630 nm）对溶液的pH值很敏感，而在绿光处（波长为560 nm）则与pH值无关;而澳酚蓝在绿光处（波长为590 nm）对pH值很敏感，利用这一效应可以制成测量溶液pH值的光纤传感器。酚红透明度效应主要用于生理pH值测量，溴酚蓝主要用于水pH值测量。 半导体透明度效应型光强调制。多数半导体材料具有陡峭的吸收端特性，即凡波长大于吸收端的光波都能穿透，而小于吸收端波长的光波全被吸收。在吸收端波长附近的一段范围内透过率曲线为一定斜率的斜线，如图10. 11所示。 当温度升高时，半导体的透过率曲线向长波方向平移，吸收端波长变长。因此，当所选择的

10、光源的辐射谱与 相适应时，光通过半导体时透过率 将随温度(T)升高而呈线性规律递减。利用这一物理效应，可实现被测量(温度)对光纤中的光波强度调制。例如GaAs、CdTe材料的吸收范围在900 nm附近。利用g( ,T) g( ,T) 半导体透明度效应研制的半导体光纤温度传感器如图10. 12所示。图10. 12(a)为透射式结构，图10.12（b）为反射式结构，反射式传感头输入/输出光纤由Y形分路器与传感头相连接。 这种光纤温度传感器测量温度范围。-200 ，精度1，体积小，传感头尺寸 3mmX 5 mm左右，比较适合于电力变压器或大型发电机内部温升的测量。 （4）热辐射效应型光强调制 根据普

11、朗克(Planck)黑体辐射定律，如果已知物体的比辐射 ，则测出某一波长下的功率密度B就可求得热辐射体的温度。根据这一原理可制成热辐射光纤温度传感器。该类型光纤温度传感器属被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由接收光纤或由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集外界热辐射，然后传输光纤送到探测器探测及数据处理。 蓝宝石光纤高温计(如图10. 13所示)由蓝宝石光纤黑体腔、传导光纤、光电探测和放大器、数据采集装置及计算机系统等部分组成。黑体腔置于温度测点上，对高温进行测量。蓝宝石光纤黑体腔目前主要有两种制作方法，一种是在蓝宝石单晶光纤的一端涂覆高发射率的感温介质陶瓷薄层，并经高温烧结形成微型光纤感温黑体腔

12、，这种感温介质必须能满足耐高温、稳定性好、且与蓝宝石单晶光纤基体结合牢固等一系列苛刻的要求。另一种是以蓝宝石单晶光纤为基体，在其一端溅射铱贵金属感温介质薄膜，构成体积微小的感温黑体腔(热传感头)。 由于比辐射率 不是常数，蓝宝石光纤高温计通常采用双波长探测。设在波长 下测得功率密度分别为 、 ，则得温度测点温度为 式中， 、 分别为第一、第二辐射系数。( ,T) 121B2B1125512112211()/ln()ln()CCTCBB2C1C( ,T) ( ,T) 12C1C1125512112211()/ln()ln()CCTCBB2C1C21( ,T) 211B2B10. 2. 2功能型光

13、强调制 功能型光强调制区发生在传感光纤内，其基本原理是被测量通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性及模祸合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。 1.微弯损耗型光强调制 当光纤的空间状态发生微小弯曲时，会引起光纤中的模式祸合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，即微弯损耗。光纤微弯损耗与宏观弯曲损耗的机制类似，源于空间滤波、模式泄漏和模式耦合 效应，但起主导作用的是模式耦合，即纤芯中传输的导模耦合到辐射模中随之辐射到光纤之外。如果被测量按照一定的规律使光纤发生周期很小的波状变化，光纤将沿其轴线产生周期性微小弯曲，如图10. 12所示。此时光纤中的部分光会从纤芯折射到包层，

14、不产生全反射，这样将引起纤芯中的光强发生变化。因此，可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。 微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成，如图10. 15所示。其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用 有机合成材料(如尼龙、有机玻璃等)制成。一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在纤芯和包层中重新分配。当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增大，纤芯的输出光强减小;反之，纤芯输出光强增大，它们之间呈线性关系。通过检测泄漏包层的散射光强或纤芯中透射光强度变化即可测出压力或位

15、移的变化。 2.变折射率型光强调制 在纤芯折射率不变的情况下，如果光纤某部位包层折射率随被测量而变化，或者光纤某部位的纤芯与包层的折射率均发生变化，从而导致传感光纤的敏感部位渐逝波损耗，即对光纤中的光强进行调制。 改变光纤折射率的方法很多，大致可分为两种类型。 一种为裸芯型，主要是剥去光纤敏感部位的包层形成裸芯，将折射率不变的裸芯部位浸入折射率可随被测量改变的液体中，该液体即形成裸芯部位的包层。当被测量变化时，裸芯部位的包层折射率随之改变，光纤中的光强即受到调制。 图10. 16所示为两种光纤液位传感器，图 10. 16(a)为U形光纤液位传感器，剥去光纤包层的纤芯末端与液体接触时，纤芯与空气

16、界面折射率差较大，即数值孔径大，纤芯与空气的全反射临界角小，传输光能量多;当与液体接触时，纤芯与液体界面折射率差减小，全反射临界角增大，原来光纤中部分能传输的光线将从纤芯与液体界面泄漏，输出光强减弱。根据输出光强变化即可测量液位。图10.16(b)为单光纤液位传感器的结构图，光纤端部抛光成45度的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在光纤端部满足全反射条件而返回 光纤。当传感器接触液体时，由于液体折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器可构成双探头的液位报警传感器。 另一种为采用变折射率光纤作为传感光纤，或在光纤的敏感部位涂覆变折射

17、率包层。图10. 17(a)是利用液体折射率随温度上升而减小的规律，对光纤中的光强进行调制。图10. 17(b)是利用水中的油滴扩散到纤芯上局部改变包层折射率而对光强调制。 3.变吸收特性型光强调制 用某些对射线辐射敏感的材料(如铅玻璃)制成的光纤，其吸收损耗随敏感射线X射线、Y射线、中子射线辐射量的增加而加大，借此可对光纤中的光强进行调制。光纤辐射剂量传感器如图10. 18(a)所示。这种传感器灵敏度高，线性范围大，图10.18（b）为敏感材料吸收特性与辐射剂量的关系曲线。光纤辐射传感器实时性好，且结构灵活小巧。 10. 2. 3天然气水合物相变测试用光纤传感器 海洋天然气水合物是位于深海海

18、底的天然气(甲烷)在高压和低温的条件下与水产生的冰状结晶化合物(俗称可燃冰)，是继煤炭和石油之后储量巨大的战略环保能源，它也可以利用溶于水中的天然气在模拟深海低温高压环境的实验室条件下合成天然气水合物。为了检测天然气水合物的合成条件、过程与效果，南京理工大学受青岛海洋地质研究所委托，在我国首次研制成功“天然气水合物 状态变化模拟实验光电探测系统”，如图10. 19所示。该系统主要应完成对高压平衡釜中水合物溶液及沉积物相变过程的高清晰度摄像监测记录，以及光强透射比变化规律的测试。现主要介绍其中用于海洋天然气水合物的模拟实验的光强调制型天然气水合物相变测试用光纤传感器。 该传感器测量天然气水合物相变的基本原理是，利用光纤传感器检测白光通过海洋天然气水合物模拟实验装置高压平衡釜内天然气水合物液体后，透射比的变化情况来反映釜内水合物状态变化(相变)的情况与规律。当釜内压力(P)和温度(T)达不到水合物生成条件时，甲烷熔解于水 中，釜内液体为光透明液体，透射比高;当达到生成条件时，甲