光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

一、光纖傳感檢測設(shè)備隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展。這是一種利用光為載體、光為手段、感知和傳輸外測量的新型傳感器技術(shù)。這是一項古老的測量技術(shù)，可以應(yīng)用于經(jīng)濟和軍事領(lǐng)域。它在航空航天、飛機和推進器、溫度測量、蝸牛等領(lǐng)域進行了壓力測量、溫度測量、蝸牛等?！秾?dǎo)航》、《導(dǎo)航》、《導(dǎo)航》、《導(dǎo)航》、《列金姆-達什干部測量》、《原子能通信技術(shù)》和《原子能通信技術(shù)》等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。醫(yī)療（血液速度測量、血壓和心音測量）和許多其他領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。1883年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作發(fā)明邁克爾遜干涉儀使得測量微小位移量和微振動變得簡單。而由于光纖具有抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、防爆、體積小、重量輕、可繞性好等特點,人們將兩者的優(yōu)點結(jié)合在一起出現(xiàn)了光纖邁克爾遜干涉儀。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍,具有高靈敏度、耐腐蝕、抗干擾、體積小等優(yōu)點,可以檢測溫度、壓力、角位移、電壓、電流、聲音和磁場等多種物理量。再者,邁克爾遜干涉儀因具有結(jié)構(gòu)簡單、條紋對比度好、信噪比高、條紋的計數(shù)和被測位移的計算關(guān)系簡單等優(yōu)點而受到廣泛的研究和應(yīng)用。二、相位差的產(chǎn)生光纖邁克爾遜干涉儀的基本工作原理如圖1所示。He-Ne激光通過耦合透鏡進入單模光纖后被光纖耦合器分成強度相等的兩束,分別進入?yún)⒖急酆蛡鞲斜壑袀鞑?。兩干涉臂中傳播的光線經(jīng)各自光纖端面的反射鏡M1、M2反射重新返回光纖中,當(dāng)干涉儀兩個臂間的光程差小于光源的相干長度時,兩束光在光纖耦合器的另一輸出端將發(fā)生干涉。輸出的干涉信號進入光電探測器D。這樣光電探測器D就給出了干涉強度和兩束光光程差之間的函數(shù)關(guān)系,這就是干涉圖。圖2為光纖邁克爾遜干涉相位差與光強的關(guān)系圖。圖1中,I1、I2為光纖出射端面反射的光強,I1r、I2r為試件界面反射進入光纖的光強。圖1中所示的4束反射光到達光探測器產(chǎn)生干涉,其輸出光強Iout可表示為:式中,I1、I2—光纖出射端面反射的光強;I1r、I2r—試件界面反射進入光纖的光強;I12,I11r,I12r,I21r,I22r,I1r2r—兩束入射光和兩束反射光干涉的光強。用φ1和φ2分別表示干涉儀兩臂的光纖端面反射光I1和I2到達探測器的位相,而分別用φ1r和φ2r表示試件表面反射體和有聲絕緣體的反射體的反射并進入光纖中的光I1r和I2r到達探測器的位相。在式(1)中,相干項可表示為:式中,φ1、φ2—干涉儀兩臂的光纖端面反射光I1和I2到達探測器的位相,是與光纖耦合器的耦合系數(shù)和注入到光電檢測器的光功率相關(guān)的常量。假定耦合器無損且完全對稱的情況下,可認為I1=I2,調(diào)節(jié)光纖耦合器兩臂的長度,使兩臂的位相差φ1-φ2等于π,于是I12=2I1cosπ=-2I1。當(dāng)φ1-φ2=π時,可以證明I11r=-I21r,I12r=-I22r,于是探測光強可寫為:式中,?φ—相位差;φ1r、φ2r—表示試件表面反射體和有聲絕緣體的反射體的反射并進入光纖中的光I1r和I2r到達探測器的位相,與光纖耦合器的耦合系數(shù)和注入到光電檢測器的光功率相關(guān)的常量;對于干涉檢測,通常只關(guān)心交流項,即在這個問題中要檢測的是I1r2r。三、基礎(chǔ)噪聲n儀器在生產(chǎn)和操作的過程中,總是存在一定的噪聲影響系統(tǒng)的準確性。其中系統(tǒng)固有的噪聲包括光源噪聲(OpticalSourceNoise)、熱噪聲(ThermalNoise)[5~7]、基礎(chǔ)光噪聲(FundamentalOpticalNoise)(我們系統(tǒng)中無光纖放大器,故基礎(chǔ)光噪聲僅為散彈噪聲,ShotNoise)、電噪聲(ElectronicsNoise),在進行精密測量時必須設(shè)法減小對檢測信號的影響。1、耦合器耦合比的確定產(chǎn)生兩干涉臂間光強差的主要來源有:光纖耦合器分束比不是嚴格意義上的1:1所帶來的誤差。因為理想情況下,要獲得最大干涉圖振幅,光纖耦合器對所研究的整個頻率范圍而言其平坦耦合比必須為1:1,而在實際中要獲得如此平坦的耦合比是很困難的;傳感臂光纖拉伸效應(yīng)的能量損失,可以考慮在兩干涉臂都加上相位調(diào)制器來拉伸光纖。2、移動反射鏡加工過程利用邁克爾遜干涉儀的對稱性結(jié)構(gòu),傳感光路定在待測結(jié)構(gòu)中,參考光路由套管保護起來,兩光路共用一個雙面反射,移動這個反射鏡可以同時調(diào)節(jié)兩光路中的光程。若采用低相干光源入射,移動反射鏡使兩光束光程差為0。施加應(yīng)力作用后,移動反射鏡使兩光路重新達到等光程,從移動的距離中即可獲得施加應(yīng)力的大小。外界溫度發(fā)生變化時,由于兩光路靠得很近,可認為兩束光的相位隨著溫度發(fā)生相同的變化,從而實現(xiàn)了溫度自動補償。3、he—減小光源的影響在傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)中有一定量的回程光傳回到激光腔中導(dǎo)致光源工作不穩(wěn)定,使得He—Ne激光器在工作過程中,輸出功率會隨著時間作周期性或者隨機性的波動。盡管激光器功率的變化對相位的影響不顯著,但它會引起輸出條紋信噪比的變化?？梢栽诠庠磁c光纖之間加一光隔離器,以消除光纖線路中的回程光對整個系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。4、偏振態(tài)的變化理想情況下的單模光纖模式是線偏振的,它的兩個基模HE11(x)和HE11(y)是相互垂直的線偏振模。它們的傳播常數(shù)相等,故彼此兼并(nx=ny),在傳播過程中,保持彼此相位相同,保持線偏振態(tài)不變。實際上,一方面由于光纖本身的不完善性,例如存在橫截橢圓度以及殘余內(nèi)應(yīng)力等引起折射率分布畸變;另一方面由于外場微擾的作用,造成芯徑橢圓度或纖芯折射率變化。上述這些變化因素會引起單模光纖偏振態(tài)的變化,而且單模光纖在構(gòu)成光纖干涉儀的兩干涉臂時,不可避免地會使光纖出現(xiàn)局部扭曲和彎曲應(yīng)變,從而引入無規(guī)則的雙折射。此外,彎曲或扭曲導(dǎo)致的線性雙折射也使單模光纖的兩個正交偏振模之間發(fā)生無規(guī)則耦合。因此,可以考慮在光纖干涉儀的一臂中加入一個高頻調(diào)制的法拉第旋轉(zhuǎn)器。法拉第旋轉(zhuǎn)器導(dǎo)致臂中光波的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn),經(jīng)過處理我們可以近似保持線偏振態(tài)不變。5、光纖mach—提高光的利用率從光纖Michelson干涉儀的原理可知,經(jīng)光纖定向耦合器分束和合束后的光只有50%最后到達光電探測器,另外的50%被反射回光源方向,沒有被利用?？梢钥紤]用兩個光纖定向耦合器(即構(gòu)成了光纖Mach—Zehnder干涉儀)來提高光的利用率,從而進一步提高條紋的對比度。另外,在實驗過程中經(jīng)常受到多種因素的干擾,如熱干擾和電干擾(主要來源于光源和電器件)、環(huán)境干擾(主要來源于雜散光、空氣的擾動及外界的震動)等等。為了防止電干擾,可以考慮將電器件與光學(xué)部分隔離組裝。為了消除環(huán)境干擾,可以考慮將干涉儀全密封,同時對系統(tǒng)的工作點進行有效控制。四、小型飛機干燥傳感器的優(yōu)點與普通機械、電子類傳感器相比,光纖邁克爾遜干涉?zhèn)鞲衅骶哂幸韵聝?yōu)點:1、用于各種復(fù)雜環(huán)境的電磁場由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息,而光纖是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì),并且安全可靠,這使得它可以方便有效地被用于各種大型機電、石油化工、礦井等強電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。2、光纖傳感器光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器,如測量水聲、加速度、輻射、磁場、應(yīng)變和溫度等物理量的光纖傳感器,測量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。3、重量輕，體積小，可以傾斜光纖除具有重量輕、體積小的特點外,還有可撓曲的優(yōu)點,因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。4、測量對象5、這種傳輸損失很小6、傳輸能力強7、成本低有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。而有些OFS由于其特殊性能,它和現(xiàn)有儀器結(jié)合,將使其大大增值。五、用光纖鋸代替?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用1、干涉條紋動態(tài)表現(xiàn)傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀在演示雙光束的干涉時,能夠較清晰地看出干涉條紋,但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面演示雙光束的干涉,特別是與PC機相連后,能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個過程。2、檢測信號臂光纖端面與反射端面位置的關(guān)系在圖1中,把信號臂一側(cè)的反射端面貼在待測量對象(比如置于空氣中)上,測定信號臂光纖端面與反射端面距離,當(dāng)反射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時,干涉光的光強隨之變化,以此來達到測量微位移的目的。3、面與反射端面的距離在圖1中,把信號臂一側(cè)的反射端面固定,待測物體置于信號臂光纖端面與反射端面之間后,式(4)變形為:式中,I0—信號臂光纖端面與反射端面距離;待測物體長lx可以測量出來,在式(5)中待測物體折射率nx改變了干涉光的光強,由光強的變化測量物體的折射率nx。4、微應(yīng)變、應(yīng)力把信號臂緊貼在被測量對象表面,當(dāng)應(yīng)變波作用在信號臂上時,使光纖發(fā)生微小形變進而改變信號臂光纖的折射率,光纖的折射率的變化使相位差發(fā)生變化,進而使干涉光的光強變化,以此來達到測量微應(yīng)變、應(yīng)力的目的。5、磁場強的測量把信號臂涂上一層磁敏材料置于待測量磁場中,當(dāng)磁場作用在磁敏材料上時,使光纖發(fā)生收縮進而改變信號臂光纖的折射率和長度,這樣相位差發(fā)生變化,進而使干涉光的光強變化,以此來測量磁場的強弱。6、纖面距離的測定圖1中,把壓力膜片表面鍍上一層反射膜作為信號臂光纖的反射端面,測定壓力膜片信號臂光纖端面的距離。當(dāng)待測壓力作用在膜片上時,壓力通過改變相位來改變反射率,進而改變干涉光的光強,來達到測量壓力的目的。六、ls,n-光纖雙軌檢測方式的應(yīng)用。l綜合各方面的因素,光纖傳感器完全有理由成為檢測領(lǐng)域的重要工具。光纖傳感器具有輕巧性、耐用性和長期穩(wěn)定性,而且可被用來檢測溫度、應(yīng)變、加速度、振動和化學(xué)變化等眾多參量,有著多任務(wù)、多元素測試的發(fā)展趨勢。20世紀西歐各國爭相把傳感器技術(shù)列為