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1、第10章光纤传感技术,本章导读10.1 光纤传感技术概述10.2 光强调制型光纤传感器10.3 光相位调制型光纤传感器10.4 光偏振调制型光纤传感器10.5 光波长调制型光纤传感器10.6 光频率调制型光纤传感器10.7 分布式光纤传感器,下一页,返回,本章导读,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
2、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。,返回,10.1光纤传感技术概述,10.1.1光纤传感器基本工作原理国家标准GB 76651987对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。光纤传感器（Optical Fiber Sensor，OFS）的基本工作原理如图10-1所示，将来自光源的光经过光纤送入调制器，使被测量与输入调制器的光相互作用后，导致光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为调制
3、光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测量。,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,光纤传感包含对被测量的感知和传输两种功能。所谓感知(或敏感)，是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的光波特征参量，如强度(振幅)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即可“感知”被测量的变化。这种“感知”实质上是被测量对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受被测量调制的光波传输到光探测器进行检测。将被测量从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即被测量如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从已被调制的光
4、波中提取被测量的解调技术(或检测技术)。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,10.1.2光纤传感器的组成根据光纤传感器的工作原理可知，光纤传感器系统主要由光源、光纤、调制器(传感头)、光探测器和信号调理电路等部分构成，如图10-1所示。光纤传感器研究的主要内容是如实现对被测量的调制与解调，但设计光纤传感器系统时也必须了解光源、光探测器以及传感器用光纤的相关知识，现对光纤传感器用光源、光探测器及光纤的基本特性作简要介绍。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,一、 光纤传感器的光源光纤传感器对光源的结构和特性有特定的要求。一般要求体积小，与光纤的耦合效率高；发光波长与光纤
5、传输窗口匹配，减少光纤中光传输损耗；发光强度要足够高，提要传感器的输出信号和灵敏度。另外还要求光源稳定性好、噪声小，减小传感器输出漂移。光纤传感器光源与光纤耦合时，应尽可能提高耦合效率，光纤输出端光功率与光源光强、波长及光源发光面积等有关，也与光纤的粗细、数值孔径有关，它们之间耦合效率取决与光源与光纤之间的匹配程度，在光纤传感器设计与实际使用中，要综合考虑各因素影响。光纤传感器用光源种类很多，按照光的相干性分为非相干光源和相干光源。前者有白炽灯、LED等；后者包括各种激光器，如气体激光器、LD等。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,白炽灯是一种黑体辐射光源，常见的有钨丝灯和卤素灯
6、两种。白炽灯的辐射光谱限于能够通过玻璃泡的光谱部分，在0.43.0 m范围。白炽灯几何特性差、亮度低、光谱范围宽、寿命不长（几百小时）、稳定性差，但价格低廉，使用方便。常用的气体激光器有三种，分别是：He-Ne激光器，工作波长为0.633 m或1.15 m；CO2激光器，工作波长为10.6 m；Ar+激光器，工作波长为0.516 m。气体激光器的特点是，发光功率大，方向性、单色性好。但体积大，功率不稳定，使用不方便，一般多用于实验系统中，在实际的光纤传感系统中用得较少。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,LED和LD为半导体光源，LED发出非相干光，LD发出相干光。共同特点是体积
7、小，寿命长（大于数万小时），驱动简单，能直接调制，且调制频率高。半导体光源的工作波长分别为0.85 m、1.31 m和1.55 m。在光纤传感系统中，半导体光源是用得最多的一种。二、 光纤传感器的光探测器由于现有的任何一种光探测器实现光电转换的工作机理都是基于光电效应，所以只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成光强度信号，才能被光探测器接收，实现检测。光纤传感器使用的光探测器有光电二极管、光电三极管和光电倍增管等。在光纤传感系统使用光探测器时，应注意其外特性，主要包括光谱响应特性、光电特性、
8、暗电流以及噪声特性等，具体光探测器特性请参阅有关资料。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,三、 光纤传感器用光纤由于光纤传感器种类繁多，性能各异，对所用光纤提出了各种各样的要求，因此与光纤通信相比，光纤传感器系统中用到的光纤种类多，且复杂。一般在非功能型光强度调制光纤传感器中，由于光纤只起传输光波的作用，同时光纤传感器所需光纤长度较短，对色散和损耗特性要求不高，所以采用通用的单模光纤或多模光纤就能满足要求。有时，为了提高传感器的灵敏度，而增大光纤所传输的光功率，可采用大芯径或大数值孔径光纤，甚至采用光纤传光束或塑料光纤，以提高与光源的耦合效率。在相位调制型光纤传感器中，为了获得测
9、试光信号与参考光信号间高的相干度，而采用保偏光纤，使测试光纤与参考光纤输出的光信号的振动方向一致。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,而在偏振调制型光纤传感器中，要求光信号的偏振态能敏感外界被测量的变化，则必须使光纤的线双折射尽量地低，如用低双折射液芯光纤。在分布式光纤传感器中，为测量不同点的参量，可采用掺杂（如某些稀土元素或过渡金属离子）光纤或光栅光纤等。10.1.3光纤传感器的分类光纤传感器分类通常有三种分类法，分别是按传感原理（调制区）分类法、按光纤中光波调制方式分类法和按测量对象分类法等。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,一、 传感原理分类法被测信号对光纤
10、中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区以及光纤在光纤传感器中的作用，可将光纤传感器分为非功能型（传光型，Non Functional Fiber，NFF型)光纤传感器和功能型（传感型，Functional Fiber，FF型)光纤传感器。1. 非功能型（或称传光型）光纤传感器在传光型光纤传感器中（如图10-2所示），调制区在光纤之外，被测量通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，发射光纤与接收光纤作为光传输介质，仅起传光作用，,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,对被测量的“感知”功能依靠其他功能元件完成。传感器中的光纤不连续，有中断，中断部分接其他敏感元件。传光型光纤
11、传感器调制器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件。这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质光纤采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。目前，传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,2. 功能型（或称传感型）光纤传感器传感型光纤传感器调制区位于光纤内，被测量通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。传感型光纤传感器利用对被测量具有敏感和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体。该类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变等)的作用下，使其某些光学特性发
12、生变化，对输入光产生某种调制作用，使在光纤内传输光的强度、相位、波长、频率、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中与光源耦合的发射光纤和与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型光纤传感器，如图10-3所示。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，所用光纤连续，可少用光耦合器件。但是，为了使光纤能感知外界被测量，往往需要采用特殊光纤来做敏感元件，这样增加了传感器的制造难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器将得到更广泛的应用
13、。二、 光波调制方式分类法光纤传感器原理的核心是如何利用光的各种效应，实现对外界被测量的“传”和“感”的功能。从图10-2和图10-3可知，光纤传感技术的核心即被测量对光波的被调制。研究光纤传感器的调制，就是研究光在调制区与外界被测量的相互作用。被测量可能引起光的某些特性（如强度、相位、波长、频率、偏振态等）变化，从而构成强度、相位、频率、波长和偏振态等调制。根据被测量调制的光波的特征参量的变化情况，可将光波的调制分为：强度调制、相位调制、波长调制、频率调制和偏振调制五种类型。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,三、 按测量对象分类法光纤传感器按测量对象的不同，如温度、压力、应变
14、、电流等，可分为光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤应变传感器、光纤电流传感器等。10.1.4光纤传感器的特点光纤传感器与传统传感器相比，其主要特点是：(1) 抗电磁干扰，电绝缘性好，耐腐蚀，本质安全。由于光纤传感器利用光波获取和传递信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀，本质安全的传输介质，不受电磁干扰，也不影响外界的电磁场，对被测介质影响小。这使它在电力、石油、化工、冶金等强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀等恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离的有效传感。,上一页,下一页,返回,10.1光纤传感技术概述,(2) 灵敏度高。利用光波干涉技术和长光纤可使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。(3)
15、 光纤质量轻、体积小、外形可变。利用光纤这些特点可构成外形各异、尺寸可变的各种传感器。(4) 测试对象广泛。目前已有性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、水声、电流、电压、磁场、电场、核辐射等光纤传感器。(5) 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小，光纤传感器频带宽，便于复用和构成网络，利用现有光纤通信技术组成遥测传感网络，进行超高速测量，灵敏度和线性度好。(6) 成本低。有些光纤传感器其成本将大大低于现有同类传感器；而有些光纤传感器由于其特殊性能，它与现有仪器结合，将使其性价比大大提高。,上一页,返回,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
16、理解，下面按光纤传感器中光调制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。,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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。一、 光束切割型光强调
17、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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,图10-4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23 m。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
18、用差动接收方式图10-4(d)，以提高测量精度。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,图10-5为透射式光束位移型光强调制的示意图。其特点是，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入接收光纤的光强。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(b)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入接收光纤，被测量通过控制反射面与接收光纤入射端面的相对
19、线位移或角位移，使进入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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,二、 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，实现对进入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
20、较复杂的光栅式、码盘式等。三、 松耦合式光强调制如图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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,四、 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
21、射热色溶液(溶于异丙基乙醇中的CoCl26H2O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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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
22、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(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托克斯或下转换荧光现象。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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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
23、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。(1) 化学试剂透明度效应型光强调制。某些化学试剂的透明度对溶液的pH值很敏感。如酚红的透明度在红光区(630 nm)对溶液的pH值很敏感，而在绿光处(560 nm)则与pH值无关；而溴酚蓝在绿光处(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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,(2)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
24、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g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g变长。因此，当所选择的光源的辐射谱与g相适应时，光通过半导体时透过率（，T）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
25、与传感头相连接。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,这种光纤温度传感器测量温度范围0200 ，精度1 ，体积小，传感头尺寸3 mm5 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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,蓝宝
26、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证样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,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)。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,由于比辐射率（，T）不是常数，蓝宝石光纤高温计通常采用双波
27、长探测。设在波长1、2下测得功率密度分别为B1、B，则得温度测点温度为式中，C1、C2分别为第一、第二辐射系数。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,10.2.2功能型光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、吸收特性及模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。一、 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耦合，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
28、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10-14所示。此时光纤中的部分光会从纤芯折射到包层，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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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
29、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移的变化。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,二、 变折射率型光强调制在纤芯折射率n1不变的情况下，如果光纤某部位包层折射率n2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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,一
30、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未与液体接触时，纤芯与空气界面折射率差较大，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
31、，光纤端部抛光成45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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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。三、 变吸收特性型光强调制用某些对射线辐射敏感的材料如选用
32、铅玻璃制成的光纤，其吸收损耗随敏感射线X射线、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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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
33、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。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,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
34、（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，甲烷与水化合形成天然气水合物，釜内液体的透射比减小。据此检测透射比变化来测定釜内天然气水合物的相变。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,光透射比光纤传感器系统组成如图 10-20 所示，主要包括：光纤冷光源、光纤照明系统、光信号接收系统、光电转换电路以及计算机数据采集与处理系统等。光纤冷光源产生的白光分别耦合到参考光纤束与入射光纤束，其中参考光纤束的光信号直接传输到光电转换信号处理部分，用于监测光源信号的起伏；入射光纤束将光信号传输到光发
35、射系统，照射到随p、T条件变化而状态变化的天然气和水的混合液体，光接收系统中的测试光纤束接收到透射光信号，其强弱大小可反映天然气水合物状态特性的变化。测试光纤束接收到的光信号经光电探测器接收、转换以及信号处理，产生计算机数/模（A/D）转换所要求的电压信号（05 V），送计算机数据采集口，经计算机处理后，即可得到天然气水合物状态变化过程中透射比随p、T变化的数据和特性曲线。,上一页,下一页,返回,10.2光强调制型光纤传感器,该系统中加入参考光纤束来监测光纤光源强度的变化，可大大减小光源光强起伏对测试精度的影响，当光源光强起伏达5时，光透射比测量精度可控制在1以内。该系统已成功地应用于海洋天然
36、气水合物模拟实验研究工作中。图10-21为在高压平衡釜内p、T变化条件下，甲烷在纯水中水合物状态变化（相变）时所检测到透射比变化情况。利用该系统所测得的甲烷在纯水中相图数据与其他文献及预测值的比较结果，可以看出，该传感器可以准确地检测出水合物生成和分解状态变化。,上一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,光相位调制是指被测量按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测量变化。其基本原理是利用被测量对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数等发生变化，而导致光的相位变化，然后通过相干检测来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。与其他调制方式相比，相位
37、调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度，且探头形式灵活多样，适合不同测试环境。但要获得好的干涉效果，须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,10.3.1光相位调制原理光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。第一类为功能型调制，被测量通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克（Sagnac）效应调制，被测量(旋转)不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对
38、光相位的调制。第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进入光纤的光波程差实现对光纤中光相位的调制。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,一、 功能型光相位调制原理光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸等决定。当波长为0的相干光波通过长度为L的光纤传输时，相位延迟为式中，=n1k0为光波在光纤中的传播常数，k0为光在真空中的波数n1为纤芯折射率，L为传播路径的长度，k0= 2/0。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,当传感光纤受外界被测量如机械力或温场作用时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变化，其中的纵向应变效应使光纤
39、的长度L变化(L)；横向泊松效应使光纤的芯径2a变化(a)，进而导致传播常数变化()；弹光效应和热光效应使光纤的纤芯折射率n1变化(n1)。传感光纤的上述参数的变化都将引起光纤中的光波相位的变化。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,式中，L、n1和a分别为光纤长度、纤芯折射率和纤芯直径变化所引起的相位移。一般情况下光纤的长度与纤芯折射率变化所引起的光相位变化要比纤芯的直径变化所引起的变化大得多，因此可以忽略纤芯的直径引起的相位变化。则光波的相位角变化为：,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,二、 Sagnac效应光相位调制Sagnac效应的基本内容是：当一
40、环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干涉。如图10-22所示，一半径为R的环形光路，以角速度绕垂直环路所在平面并通过环心的轴旋转，环路中有两列光波同时从位置A处开始分别沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向相向传播。设光波在静止环路中传播一周所需时间为t，则t=2R/v，v为环路中的光速，v=c/n1。根据惯性运动原理，与环路旋转同向的CW波列在t时间内迟后到达A点，经历的光程为,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,与环路旋转反向的CCW波列在t时间内超前到达A点，经历的光程为CW、CCW两波
41、列在环路中传播一周产生的光程差为,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,令S=R2，为环形光路的面积。则（10-7）式简化为(10-8)式说明，在环形光路中相向传播的CW、CCW两光束之间的光程差与环路的角速度成正比，比例系数仅与环路面积及光速有关，而与环路中介质特性无关。由（10-8）式，可求出与光程差L相应的相位差,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,由（10-9）式可知，利用Sagnac效应被测量可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制，产生相应的CW、CCW两列光波的相位差。10.3.2光纤干涉仪由于目前各类光探测器都不能敏感光的相位变化，所以必须采
42、用干涉技术使相位变化转化为强度的变化，实现对外界被测量的检测。光纤传感器中的光干涉技术在光纤干涉仪中实现。与传统分离式元件干涉仪相比，光纤干涉仪的优点在于： 容易准直；可以通过增加光纤的长度来增加光程来提高干涉仪的灵敏度； 封闭式光路，不受外界干扰； 测量的动态范围大等。传统的马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪、法布里-珀罗(F-P)干涉仪、迈克尔逊(Michlson)干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪都能制成相应的光纤干涉仪。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,1. 光纤马赫-泽德干涉仪马赫-泽德干涉仪的结构如图10-23所示，激光器发出的相干光通过一个3
43、dB耦合器分成两个相等的光束，分别在信号臂光纤S和参考臂光纤R中传输。外界信号S0(t)作用于信号臂，第二个3 dB耦合器把两束光再耦合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别为：,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,式中，I0为激光器发出的光强；为耦合系数；为两臂之间的相位差，包括S0(t)引起的相位差。(10-10)式表明，马赫-泽德干涉仪将外界信号S0(t)引起的相位变化变换成光强度变化，经过适当的信号处理系统即可将信号S0(t)从光强中解调出来。2. 光纤迈克尔逊干涉仪图10-24是光纤迈克尔逊干涉仪的调制原理。激光器发
44、出的光被3 dB耦合器，分成两路入射到参考臂光纤R和信号臂光纤S，分别到达固定的光纤反射端面和可动光纤端面，反射回来的光再经3 dB耦合器耦合到光探测器，外界信号S0(t)作用于可移动的信号臂。与马赫-泽德干涉仪类似，探测器接收到的光强为：,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,式中，I0为激光器发出的光强；为S与R之间相位差，含S0(t)引起的相位差。3. Sagnac光纤干涉仪图10-25是一个Sagnac干涉仪的结构，激光器发出的光由3 dB耦合器分成 11 的两束光，将它们耦合进入一个多匝(多环)单模光纤圈的两端，光纤两端出射再经3 dB耦合器送到光探测器。探测器接收到
45、的光强也可由（10-11）式表示，其中为相应差，由（10-9）式表示。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,设圆形闭合光程半径为R，其中有两列光沿相反方向传播，当闭合光路静止时，两光波传播的光路相同，没有光程差；当闭合光路相对惯性空间以转速顺时针转动时(设垂直于环路平面)，这时顺逆时针传播光的光程不等，产生一个光程差，如图10-22所示。因此利用萨格奈克干涉仪可以测量转速。其最典型应用是光纤陀螺，与其他陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，无转动部分，体积小，成本低等优点。光纤陀螺已成功地用在波音飞机以及其他导航系统中。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,4.
46、光纤法布里-珀罗干涉仪图10-26为光纤法布里-珀罗干涉仪的调制原理。白光由多模光纤经聚焦透镜进入两端设有高反射率的反射镜或直接镀有高反射膜的腔体，使光束在两反射镜(膜)之间产生多次反射以形成多光束干涉，再经探测器探测。其腔体结构分空腔、固体材料和反射式三种。根据多光束干涉理论，其输出光强为：,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,式中，I0为入射光强；T为镜面的透射率；R为镜面的反射率；为两相邻光束的相位差，F为精细度。分别为：式中，n为F-P腔内介质折射率；为腔体内光线与腔面法线的夹角(即入射光线在腔内的折射角)；d为两镜面之间的距离。,上一页,下一页,返回,10.3光相位
47、调制型光纤传感器,10.3.3相位调制型光纤传感器一、 马赫-泽德光纤温度传感器最早用于相位调制型光纤温度传感的光纤干涉仪为光纤马赫-泽德干涉仪，它是以传统的马赫-泽德干涉仪为基础，用光纤代替自由空间作为干涉光路，减少传统的干涉仪长臂安装和校准的困难，使干涉仪小型化，并可以用加长光纤的方法，使干涉仪对环境参数的响应灵敏度增加。如图10-27所示，其包括激光器、分光镜、两个耦合透镜、两根单模光纤（其中一根为参考光纤，一根为置于温度场中测试光纤）、光探测器等。干涉仪工作时，激光器发出的激光束经分束镜分别送入长度基本相同的测试光纤和参考光纤，两光纤输出端会合在一起，则两束输出光即产生干涉，从而出现干
48、涉条纹。当测试光纤受温度场作用时，产生相位变化，从而引起干涉条纹移动。干涉条纹移动的数量反映了被测温度的变化。光探测器接收干涉条纹的变化信息，并输出到适当的数据处理系统，得到测量结果。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,光纤温度传感器灵敏度以及相位移由下式给出：式中，为相位移；为相位移变化；T为温度变化；n1光纤纤芯的折射率；L为光纤的轴向应变；r为光纤的径应变；p11、p12为光纤的光弹系数。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,（10-14）式中等号右边第一项代表温度变化引起的光纤光学性质变化而产生的相位响应；第二项代表温度变化使光纤几何尺寸变化引起的
49、相位响应。当干涉仪使用的单模光纤的规格与长度已知时，则光纤的温度灵敏度等有关参数就是确定值。利用单模光纤的典型参数值,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,二、 法布里-珀罗光纤温度传感器法布里-珀罗光纤温度传感器由光纤法布里-珀罗干涉仪组成，如图10-28所示。它包括激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器、光探测器、记录仪以及一根F-P单模光纤等。F-P光纤是一根两端面均抛光的并镀有多层介质膜的单模光纤，它是干涉仪的关键元件。F-P光纤的一部分绕在加有50 Hz正弦电压的压电变换器上，因而光纤的长度受到调制。F-P光纤干涉仪中，只有在产生干涉的各光束通过光纤后相位差均为m(m是
50、整数)时，输出才最大，因此探测器获得周期性的连续脉冲信号。当外界的被测温度使光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化。为了识别被测温度的增减方向，要求激光器有两个纵模输出，其频率差为640 MHz，两模的输出强度比为51。这样，根据对应于两模所输出的两峰的先后顺序，即可判断外界温度的增减方向。,上一页,下一页,返回,10.3光相位调制型光纤传感器,三、 迈克尔逊干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器是根据相干光的干涉原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大，目前普遍被认为是最有发展前途的水听器之一。光纤水听器系统的组成如图10-29所示，这是含有两个法拉第旋转镜（FRM）的迈克尔
