作业光纤传感器原理及应用原版.docx

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作业光纤传感器原理及应用原版

两种双光束干涉型光纤温度传感器研究

摘要

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密仪器、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合型和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分。

目前，传感器已成为国民生活不可缺少的重要组成部分“光纤传感是融纤维光学、微电子学、精密机械和计算机等学科于一体的高新技术，这就注定它是一门技术难度大，协作配套广的知识密集型产业”故对其理论的深层次研究和新原理光纤传感器的开发成为当务之急。

文章阐述了相位调制型光纤传感器的基本原理，光纤迈克尔逊和马赫一泽德尔干涉仪的基本原理,以及光纤迈克尔逊和马赫一泽德尔干涉仪的研究现状及应用情况，在此基础上，利用相位调制法设计了基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度和电压传感装置,对Mach-Zehnder干涉仪进行了实验研究，实验中通过改变测量臂温度（改变压电陶瓷两边的电压）的方法改变Mach-Zehnder干涉仪的臂长差,研究了外加温度与干涉仪光谱的输出关系,采用波长定标的方法，当温度在26℃-80℃的区间变化时，得出了干涉谱线中某一特定波长的移动与外加温度的关系,得到了0.957nm波长调节范围,对应干涉仪相位改变约4π，线性拟合度达到0.972。

理论与实验得到较好的吻和。

研究了M-Z干涉仪的电压传感原理：

将M-Z干涉仪的传感臂粘贴到一圆筒状的压电陶瓷上，该压电陶瓷圆筒的内外侧焊有电极"当有直流电压加到其上时，压电陶瓷会在纵向伸长,带动其上的光纤长度发生变化,从而引起干涉仪两臂的长度差别产生变化，使干涉条纹发生移动“通过实验定标,当我们观察到条纹移动了多少，就能反过来推知电压的大小”PZT的驱动电源为直流稳压电源，电压范围为：

-28.7-28伏特。

拟合线性度为0.9991;调谐的范围是2.18nm（相当于整体平移了1.95π），所以调谐灵敏度为0.038nm/Volt。

在第3章,详细地对光纤Mach-Zehnde干涉仪和Micheson干涉仪做了数值研究，得出了一些重要结论。

随后给出了两种光纤干涉仪的应用例子。

关键词　光纤传感器；相位调制；Mach-Zehnde干涉仪

Studyontwokindsofdoublebeaminterferenceopticalfibertemperaturesensor

Abstract

Sensorteehnology15oneofthemeasurementteehnology,semiconductor,technology,comPuterteehnology,informationProeessingteehnology,miero,eleetronies,Pties,acousties,Preeisioninstruments,bioniesandmaterialsseienceandothersubjects,mutualPlusacomPrehensiveeross,intensivehigh,teehandcutting,edgeteehnologies.It15imPortantbasisfornewteclmologiealrevolutionandmodeminformationsoeiety,andit15imPortantandindisPensableeomPonentforautomatiedeteetionandautomatic,eontrolteehnology.AtthePresent,thesensorshavebeeomeanimPortantPartoftheour,life.FiberOPticSensor15ahigh,teehdiseiPlinewhiehmeltsfiberoPties,micro,eleetronies,Preeisionmaehinery,eomPutersandteehnologies.It15adiffieultteehnologiealindustrywithextensiveeooPerationofmulti,subjeet.Therefore,isveryimPortanttoin,dePthstudyofthetheoryandPrineiPlesofthenewfiber,oPtiesensordeVeloPment.

TheartieledeseribesthebasiePrineiPlesoffiber,oPtiesensors,Fiber,oPtieMiehelsonandfiber,oPtieMaeh,Zehnderinterferometers,aswellasFiber,oPtieMiehelsonandfiber,oPtieMaeh,ZehnderinterferometersoftheresearehandaPPlication.Onthisbasis,AkindoftemPeraturesensordevicebasedonall,fibreMach,Zelmderinterferometer15designedtliroughPhasemodulationmethod.TheMaeh,ZehnderinterferometerhasbeenstudiedexPerimently.DuringexPeriment,throughehangingthePathdiffereneeofthetwoarmsoftheMaeh,ZehLnderinterferometerbyehangingthetemPerature,westudytherelationshiPbetweentheoutPutsPeetnjmoftheMaeh,ZehnderinterferometerandexternaltemPerature.AdoPtingthewavelengthsealemethod,wegettherelationshiPbetweentheshiftingwavelengthandextemaltemPeratureWlliletemPerature15from-26C-80C.Thetuningrangeis0.957nm.Thephaserange15about.Thefittinglinearity15uPto0.972.TheexPerimentalresultsshowgoodeonsisteneywiththetheoretiealones.TheeleetricvoltagesensorbasedonMaeh,Zehnderinterferometer15alsostudiedinthisthesis.TherefereneeanlloftheMaeh,Zehnderinterferometer15attaehedona]eylindraeeousPZT.Theeleetrodes15sealedattheouterandinnersideofthePZTeylinder.ThePZTwillelongateattllelognitudinaldireetionwhenaneleetrievoltage15aPPliedontheeleetrodes.Henee,thefiberwhiehenwindthePZTcylinderwillextended.ThelengthehangeoftWOannsoftheinterferometerwillindueethedriftoftheinterferometriefringe.Aflersealing,weeangetthevoltagewhenwekn0whowmanyinterferometriengesdrifl.

One,eleetriemanostatPowersuPPly15usedtoehangethevoltageaPPliedonthePZTeylinderThevoltagerange15from,28.7to28.7volt.ThelinearfittingfaetoroftheexPerimentalresult150.9991.Thetuningrangeoftheinterferometriefringe152.18nm,whieheorresPondsthatthefringemovesaboutl.95.SoThetuningsensitivity150.038nm/Volt.

Inehter3,thefiberMach,ZehnderinterferometerandMichesoninterferometer15numerieallystudiedindetail,fromwheresomeinPortantresultsaregotten.Subsequently,severalaPPlieationexamPlesaregiveninthelaterseetionofthisehaPter.

KeywordsPhasemodulatio,Phasedemodulatio,Miehelsoninierferomete,Maeh一Zehnderinterferometer

目录

摘要

Abstract

第1章光纤传感器基础知识1

1.1光纤传感器的原理与分类1

1.1.1光导纤维导光的基本原理1

1.1.2光纤传感器结构原理及分类4

1.2光纤传感器的主要元器件6

1.2.1光源6

1.2.2检测器7

1.2.3传感元件8

第2章光纤传感器的调制原理与相位解调技术9

2.1调制原理9

3.2相位调制型光纤传感器11

第3章M-Z干涉仪理论分析与应用17

3.1M-Z干涉仪的散射矩阵分析法17

3.1.1理论分析17

3.1.2数值计算结果18

3.2M-Z干涉仪的干涉分析法19

3.2.1理论分析19

3.2.2数值计算结果19

3.3M-Z干涉仪应由20

3.3.1光纤温度传感器20

3.3.2全光纤Mach-zehnder干涉仪的温度传感的研究21

参考文献24

第1章光纤传感器基础知识

1.1光纤传感器的原理与分类

1.1.1光导纤维导光的基本原理

光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。

然而根据光学理论中指出的：

在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用几何光学的方法来分析光的传播现象。

为此,我们采用几何光学的方法来分析[1]。

（一）斯乃尔定理

当光由光密物质射至光疏物质时,如图1-l（a）,其折射角大于入射角,即n1>n2时，θr>θi。

有：

（1-1）

由（1-1）可知：

入射角θi增大，折射角θr也随之增大，且始终θr>θi。

当θr>90度时θi仍小于90度，此时，出射光线沿界面传播，如图1-1（b），成为临界状态，有

为临界角。

时，

，发生全反射现象，如图1-1（c）所示，其出射光不再折射全部反射回来。

（a）光的折射示意图（b）临界状态示意图（c）光的反射示意图

图1-1光在不同物质分界面的传播

（二）光纤的种类

按纤芯和包层材料的性质，光纤可分为玻璃光纤和塑料光纤两类。

按折射率分布不同,则可将光纤分为阶跃型和梯度型两种,如图1-2所示。

阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变,如图1-2（a）所示。

梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外由大渐小呈抛物线分布,至界面处与包层折射率一致，因此，这类光纤有聚焦作用，光线传播的轨迹近似于正弦波，如图1-2（b）所示[2]。

（a）阶跃型（b）梯度型

图1-2两种折射率分布

光纤传输的光波,可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。

后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。

当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时,将形成驻波"形成驻波的光线组称为模，它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。

通常纤芯直径较粗时,能传播几百个以上的模,而纤芯很细时,只能传播一个模。

前者为多模光纤,用于非功能型光纤传感器；后者是单模光纤,用于功能型光纤传感器。

（三）光纤结构

光纤是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。

光纤呈圆柱形，它通常由纤芯和包层两个同心圆柱的双层结构组成，如图1-3所示[3]。

图1-3光纤结构

纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。

纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些，两层之间形成良好的光学界面。

光线在由折射率较大（光密介质）的纤芯和折射率较小（光疏介质）的包层构成的这个界面上形成全反射传播。

（四）光纤导光原理及数值孔径NA

光以某一入射角由光密介质（折射率n1）射向光疏介质（折射率n2）时，如入射角大于某一特定的值

，会发生全反射现象,这个特定的角度被称为临界角。

由Snell’sLaw:

（1-2）

根据这个原理,只要使纤芯的折射率大于包层的折射率，则当光以大于

的入射角射到纤芯与包层的界面上时，光就被限制在纤芯中传播。

光在光纤内经过若干次全反射，从光纤的一端传到另一端，这就是光纤传光的基本工作原理。

在实际应用中，人们更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时，能使折射光完全在纤芯中传播，即在如图1-4中，

角多大时才能使

。

图1-4光纤导光示意图

图1-4可以看出:

入射光线AB与轴线00交角为

，入射后折射（折射角为

）至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成角

角，CK与DE夹角为

。

可得出：

（1-3）

（1-4）

由（1-3）式得：

（1-5）

由（1-4）式得：

并代入（1-5）式得：

（1-6）

式（1-6）中

为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故

；

为纤芯折射率，

为包层折射率。

当

，由（1-6）式得

（1-7）

当

的临界状态时，

，

（1-8）光学中把（1-8）式中

定义为“数值孔径”NA。

NA是衡量光纤集光性能的主要参数，它表示无论光源发射功率有多大,只有张角

（如图1-4）内光功率能被光纤接收并传播。

当

时,集光能力与NA的平方成正比;当NA二l时,集光能力最大。

一般希望有较大的数值孔径,这也有利于藕合效率的提高。

但NA过大，光信号畸变就会比较严重。

以上主要分析了多模光纤的导光原理,主要依据是射线理论。

但是对于单模光纤（纤芯半径一般在10um以下），主要依据更为复杂的光纤模式理论。

1.1.2光纤传感器结构原理及分类

（一）光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置；光纤传感器则中一种把被测量的状态转变成可测的光信号的装置,由图1-5可见，在测量原理上的本质的差别，下面，简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理。

（a）传统传感器（b）光纤传感器

图1-5传统传感器与光纤传感器

从本质上讲,光就是一种电磁波,电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。

因此,在讨论光的敏感测量时必需考虑光的电矢量E的振动。

通常用下式表示：

。

式中：

A-电场E振幅矢量；

光振动频率；

光相位；t光传播时间。

由式（1-10）可见，只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随波测量状态的变化而变化,或者说受被测量调制，我们就有可能通过对光的强度、偏振、频率或相位调制等进行解调,获得我们所需要的被测量的信息[1]。

即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[4]。

（二）光纤传感器的分类

1.根据光纤在传感器中的作用

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类[1]（见图1-6）。

（a）功能型光纤传感器

（b）非功能性光纤传感器

（c）拾光型光纤传感器

图1-6根据光纤在传感器中的作用分类

2.按被测对象不同

光纤传感器分为光纤温度传感器、光纤电压传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等等。

3.根据光受被测对象的调制形式

（1）强度调制型光纤传感器。

这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。

这类光纤传感器的优点是结构简单、容易实现、成本低。

其缺点是受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。

（2）偏振调制光纤传感器。

这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。

这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。

（3）频率调制光纤传感器。

这是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。

（4）相位调制传感器。

其基本原理是利用被测量对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常生变化，而导致光的相位变化,然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测量对象的信息。

这类传感器的灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统,因此成本高。

（5））波长调制型光纤传感器。

被测量在敏感头内与光发生相互作用的结果如果是改变了光的波长，就叫波长调制型光纤传感器。

1.2光纤传感器的主要元器件

1.2.1光源

在这里，只讨论光纤传感器常用光源的性能，并指出选用光源的基本原则[4]。

1.白炽光源。

这类光源通常为钨丝灯泡，其辐射近似地为黑体辐射。

白炽灯源的优点是廉价、容易获得、使用方便。

其缺点是稳定性较差，寿命短。

2.气体激光器。

常见的有：

氦氖激光器、二氧化碳激光器和氢离子激光器等。

这里只讨论氦氖激光器，其他的很少应用。

它是一种廉价、低功率、高相干光源。

3.固体激光器，也称为晶体激光器。

卞要有红宝石激光器、掺钱忆铝石榴石激光器和钱玻璃激光器等。

这类激光器的优点是体积小巧，坚固耐用；高功率，高辐射密度，发射光谱均匀且窄，容许单模工作等。

其缺点是相干相和频率稳定性都不如气体激光器。

4.半导体激光器。

它是光纤传感器最重要的光源，它具有体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中，电源简单等优点。

这类光源有非相干辐射的发光二极管（LED）和相干辐射的半导体激光二激管（LD）等。

5.宽带光源。

传感解调系统对光源要求有较大的带宽和较强的输出功率，此宽带光源是光纤传感尤其是分布式光纤传感系统中的重要器件之一。

虽然半导体工艺日臻完善，以上缺点可以得到不同程度的改进，但较低的性价比也是超辐射发光二极管不能被普遍应用的一个重要原因。

相对而言，以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的宽带光源则是一个较好的选择，它有着易于和光纤传感系统祸合，温度稳定性好，3dB谱宽大，模式好等一系列优点。

光纤传感器所用的光源种类繁多，从白炽光源到激光器的各种光源都可采用。

我们选择光源时，应当遵循下述原则：

根据系统要求,选择辐射强度足够大的光源，而且要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；光源必须与光纤相匹配，以便获得最好的祸合效率；光源的稳定性要好，能长期在室温下工作。

1.2.2检测器

在光纤传感器中，光电检测器是必不可少的器件，它起着把光信号变为电信号的关键作用。

这里只简单地介绍几种常用电检测器的主要性能及其选用原则。

1.半导体光电检测器。

主要有PIN光电二极管、雪崩式光电二极竹、PIN-FET微型组件等。

它们的结构虽有所不同，但检测过程基本相同。

即在入射光子作用下，产生电子一空穴对,然后受强电场作用而分离出自由电子，最后收集起来形成光电源。

因此，实际上它们就是光子计数器。

2.光电倍增管。

这是一种最灵敏的光电检测器,它能检测出每秒钟只有一个

光子的光电流。

它可很好地控制光电倍增怜的倍增过程,因此不存在过剩噪声问题。

选择电光检测器的依据是：

可能获得理想的光信号强度、光背影电平和所需要的信噪比等因素。

而信噪比则由所要求的信号分辨力决定。

为了获得足够大的信噪比，必须满足：

灵敏度要高；由检测器引入的噪声必须最小。

因此应当选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件；可靠性高,稳定性好。

1.2.3传感元件

在这里,光纤传感系统中的传感头主要指基于光纤技术的传感头。

在干涉形光纤传感系统中光纤即起到感测外界物理量的作用。

这里再介绍一种传感头-光纤光栅。

光纤光栅是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。

1978年，加拿大的K.0.Hill及其同事在实验中观察到氢离子激光在光纤中相向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅。

这种周期分布的光栅可将满足布拉格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。

光照除去后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到1000k，带宽却很窄。

随着光纤光栅写入技术的逐渐完善,世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现,光纤光栅的被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。

光纤光栅具有抗干扰性（电磁场、湿度、化学腐蚀）强、寿命长、复用性（WDM和TDM）好等优良特性，因此光纤光栅在出现20多年来受到了广泛的重视。

第2章光纤传感器的调制原理与相位解调技术

光的调制过程是将一携带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一过程的器件叫做调制器。

调制器能使载波光波的参数随外加信号的变化而变化。

光纤传感器的调制和解调可分为强度、相位、偏振、频率和波长等方式[5]。

2.1调制原理

1.强度调制

强度调制是利用被测对象的变化引起敏感组件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。

它是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是结构简单、容易实现，成本低，光纤的连接器和祸合器均已商品化。

缺点是受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。

光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源。

探测器一般用光电二极管、光电三极管和光电池等。

其原理如图2-1所示。

当光源发出的恒定光波工Ii注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波强度被Is调制，载有外力场信息的出射光I0，的包络线与Is形状相同,光探测器的输出电流工I0（或电压）也为同样的调制波。

图2-1强度调制原理

强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大，其功率信噪比尺

可用下列公式计算：

（2-1）

式中：

为信号电流；

为光信号噪声电流；

为前置放大器输入端等效电阻热噪声电流；

为光电探测器噪声电流。

2.相位调制

相位调制的基本原理是利用被测量对象对敏感组件的作用，使敏感组件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测量对象的信息。

光信号相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率随温度改变而引起的。

相位的变化v与温度变化T的关系为：

（2-2）

式中：

为线膨胀系数；

为折射率温度系数；

为纤芯平均折射率；

为自由空间光波长；

为传播常数与纤芯半径的变化率。

可见,只要能检测出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。

由于应变或压力同样也会改变光纤的传输特性，使光信号的相位发生变化，同理也可以测应变和压力。

3.波长调制

波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。

波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和