干涉型微纳光纤传感器

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2007年第26卷第4期设计与制造干涉型光纤温度传感器刘　晨,费业泰,卢荣胜(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009)摘　要:为了长期和在线实时检测各种工程结构内(如飞机机翼)的温度,在介绍了2种典型的干涉型光纤温度传感器技术的基本原理、结构及优缺点的基础上,提出了一种新型光纤温度传感器——嵌入式干涉型光纤温度传感器的工作原理和结构设计。

它用特殊加工工艺将光纤埋入材料中,通过相位调制产生干涉条纹,再通过条纹的判向计数来对材料内部温度进行测量。

实验结果表明:嵌入式光纤温度传感器能长期有效测量材料内部的温度,并且,它的灵敏度比放在空气中的灵敏度要高2～3倍。

具有很大的研究开发和应用价值。

关键词:光纤光学;相位调制;温度测量;干涉中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)04-0058-03I n terference opti ca l2f i ber te m pera ture sen sorsL I U Chen,FE I Ye2tai,LU Rong2sheng(School of Appara tus Sc i ence and Photo2Electr i c Eng i n eer i n g,Hefe i Un i versity of Technology,Hefe i230009,Ch i n a)Abstract:I n order t o measure per manently and real2ti m e the te mperature inside all kinds of p r oject constructi onfor exa mp le air p lane wing,the basic p rinci p le,structure and characteristics of t w o kinds of interference op tical fiberte mperature sens ors are intr oduced,on the base of it,the working p rinci p le and structure designing of a new kind ofop tical fiber temperature sens or—embedded op tical2fiber temperature sens or are p resented.Op tical fiber ise mbedded int o material using s pecial p r ocessing technol ogy,interference stri pe is p r oduced thr ough phasemodulati on,then stri pe distinguishing directi on and counting is used t o measure the internal temperature.Experi m ental results show that the internal te mperature of material can be measured by a e mbedded op tical2fiberte mperature sens or,and its sensitivity is2～3ti m es higher than op tical2fiber sens or in air.It has very value ofinvestigating and utilizing.Key words:fiber op tics;phase modulati on;te mperature measure ment;interfer ometry0　引　言光纤传感器与传统传感器相比具有灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、抗电磁干扰、结构简单、体积小、质量轻等特点,而且,在一定条件下可任意弯曲,因此,得到了广泛的应用[1,2]。

一、引言光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。

光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。

现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。

另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。

为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。

二、Michelson干涉型光纤传感器原理图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。

由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。

显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1）Φ=2nπl/λ（2）式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。

式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。

在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。

干涉光信号由光电转换器（PD）转换为电信号。

通过检测电信号的变化，就得到相应的干涉光信号的相位变化。

三、相位漂移及倍频原因简析由式（1）可见，I随Φ呈余弦变化规律，I～Φ关系曲线如图2所示。

在Φ=2nπ处为最大值（n=0，±1，±2，⋯⋯），而在Φ=（2n+1π处取值最小，而在Φ=nπ+π/2处变化最快，I变化最快即表示此时干涉仪具有最高灵敏度。

光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。

它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。

光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。

一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。

通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。

光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。

二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。

1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。

它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。

当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。

2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。

它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。

光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。

通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。

3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。

它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。

通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。

三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。

1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。

通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。

2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。

想象一下光纤电缆里有个小迪斯科派对！ Fabry—Perot干涉仪通过在纤维中设置两个部分反射的表面来创造出一个酷酷的光亮显示器，类
似于一个用于光线的迷你舞楼。

当光线在两个表面之间开始回转时，
它会产生奇异的干扰模式。

但这里是真正很酷的部分——任何外力或拉在纤维上会改变舞池的大小，使干扰模式发生改变。

就像有线电视
告诉我们 "嘿，这里有事" 这样，我们就能用超高的敏感度和精确度来测量所应用的力量。

这就像光纤电缆是终极的派对动物，总是准备好感受最微小的动作！
另一个例子是米歇尔森干涉仪（Michelson interfermed），它使用一个奇异的光束分光器将电线光线分成两条路径。

一条路通过感知纤维
而另一条路只是作为参考两条路径的光线随后被混合在一起，形成干
扰图案。

当感知纤维经历温度或强度等外部变化时，两条路径之间的
相位差异会发生变化，导致干扰模式的转变。

通过测量这种转变，我
们可以准确地检测和测量外部的变化。

利用基于干扰的光纤传感器可带来多种好处，包括提高敏感性、抗电
磁干扰以及远距离扩展探测的可能性。

这些传感器在结构健康监测、
环境监测和生物医学诊断等领域广泛应用。

随着光学技术的持续发展，干扰技术在推进开创性和可信赖的光纤感知系统方面仍然至关重要。

光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器是利用光学法对物理量进行测量的一种传感器。

其分类主要有以下几种：
1. 基于干涉原理的光纤传感器：通过利用光的干涉效应来测量物理量，包括干涉型位移传感器、Fabry-Perot干涉型传感器、Mach-Zehnder光学干涉型传感器等。

2. 基于散射原理的光纤传感器：通过利用光在材料中散射的现象来测量物理量，包括拉曼散射光纤传感器、布里渊散射光纤传感器等。

3. 基于吸收原理的光纤传感器：通过利用物质对光的吸收现象来测量物理量，包括光纤气体传感器、光纤液位传感器等。

光纤传感器应用原理主要包括光学原理和材料物理学原理两个方面。

其中，光学原理对于基于干涉原理和散射原理的光纤传感器起到重要作用，其基本思路是利用不同的物理量导致光在光纤中发生不同的相位变化，通过测量光的相位变化来获得物理量的信息。

而材料物理学原理则对基于吸收原理的光纤传感器起到决定性作用，其基本思路是通过材料对光的吸收性能来间接测量物理量的信息。