光纤传感技术

光纤传感器技术的概况及其特点
常见光纤温度传感器基本原理
1. 荧光式温度光纤传感器
1.1 基本原理
荧光式温度传感探头具有抗电磁干扰、稳定可靠、微小尺寸、长寿命及绝缘性好等特点，光纤温度传感器是利用物质的荧光辐射现象设计的。

通常设在光纤的一端固结着微量稀土磷化合物，受紫外光照射后，激励其发出荧光。

此荧光强度或余辉时间长度会随温度变化而变化，成为温度的函数，从而计算出被测温度。

1.2荧光式温度传感原理
荧光式温度传感探头是由普通多模光纤和在其顶部安装的荧光物质体(膜)组成。

荧光物质接受一定波长(受激谱)的光激励后，受激辐射出荧光能量。

激励消失后，荧光发光的持续性取决于荧光物质特性、环境因素，以及激发状态的寿命。

这种受激发荧光通常是按指数方式衰减的，称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光衰落时间(ns)。

因为在不同的环境温度下，荧光寿命也不同.
因此通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当时的环境温度。

2. 光纤法布里-彼罗特（Fabry – Perot）传感器
2.1 法布里-彼罗特（Fabry – Perot）腔
法布里-彼罗特（Fabry –Perot）腔是一个常见的光学器件。

它是光纤法布里-彼罗特传感器的核心，同时也被应用到光纤光栅传感器当中。

了解它的原理和特点将有助于理解以上两种传感器的工作原理和不同应用。

在讨论技术细节之前，读者需要明确以下两点:
1.光在任何界面都会发生反射，在大多数情况下会发生折射。

比如光会在水面反射，再比如当光线穿过一块玻璃的时候，会分别在一块玻璃的上下表面同时发生反射。

2.光具有波粒二象性。

也就是说光拥有波长λ，相位θ等表征物理量。

光在真空中所经过的路程叫做光程 L,当光经过介质，比如玻璃时，光程变为L=n*d。

n 为介质的折射率（均大于1）， d 为光线经历的几何长度。

同一单一光源发出的两束光（具有同样起始相位，且频率相同）如果再相遇，将发生干涉。

如果他们的光程差是波长的整数倍，意味着他们的相位相等，则干涉的结果是强度增大（最大值）。

如果他们的光程差是波长的整数倍+半波长，则干涉的结果是强度减弱(最小值)。

对于其余情况，干涉后的强度在最大值与最小值之间。

如果同样的干涉发生多次，最终一个均匀的宽频光，在绝大多数波长范围内的光强将变成0，而主要的强度将集中在光程差为整数倍的波长范围内。

所谓法布里-彼罗特（Fabry – Perot）腔就是一个两端为光反射界面的空腔。

入射光在两个界面分别发生反射，这两束反射光的光程差就是 L=2Lc*n.? Lc是空腔的长度。

由此可见，空腔长度决定光程差，光程差决定相位差，相位差又决定是干涉加强还是干涉减弱。

当空腔长度变化的时候，对于同样波长的光，原先的相位差将改变。

原先干涉加强极大的两束光将不再达到干涉极大。

相反的，波长与原先不同的另外两束光将满足相位差是波长整数倍的条件，因而产生干涉极大。

如果能够探测出前后两个干涉极大相应的波长差Δλ，便可计算出空腔长度的变化，从而实现传感。

同时，如果两个界面的反射系数很高，也就是说光线在腔内将发生多次干涉，最终只有满足相干极大条件的波长分量得以不为0，其余分量都将
为0，从而实现滤波。

2.2 光纤法布里-彼罗特（Fabry – Perot）传感器
Fabry-Perot干涉测量传感器 (FPI)
一般由两面相对的镜子组成，而分割此两面镜子的空间则称之为空腔（或空洞）长度。

反射到FPI中的光是经波长调制的且与空腔长度完全相同。

由于精确设计的FPI将应变、温度、荷载或压力转变成空腔长度的函数，因而成功应用FPI技术之关键是如何找到一个能够获得高精确度和可靠度的测量FPI空腔长度的方法。

光纤法布里-彼罗特（Fabry – Perot）传感器是利用法布里-彼罗特（Fabry –Perot）的原理，结合光纤技术所构造的传感器。

其关键技术有二。

1 如何建立一个法布里-彼罗特（Fabry –Perot）腔把要探测的物理量变化转化为空腔长度的变化。

2 如何探测到两个干涉极大相应的波长差Δλ，从而计算出物理量的变化。

关于第一点，我们已经设计出许多精巧的结构以实现我们的测量目标。

宽频光（由多束波长连续变化的光组成）经过光纤传输到尽头的FP腔内。

FP腔的长度受到压力的调制。

在两个端面的反射光（实际上会发生2次及多次反射，但可简化理解如此，并不影响最终结果）将沿原路返回并产生干涉。

压力不同，FP腔也不同，干涉极大对应的波长也不同。

Δλ将反应压力的大小。

光束到达光纤尽头后进入一契形介质。

并在上下表面产生反射，进而导致光的干涉。

很明显，反射发生的位置不同，相应的光程差亦不同。

当契形介质的横向移动表明位移变化的时候，此位移变化将被FP腔探知并转化为Δλ。

最终，当入射光经过法布里-彼罗特（Fabry – Perot）传感器的探测部分之后，原本均匀分布在各个波长分量的光强，变成了某些波长分量的光因为干涉得到加强（λ1），某些得到衰减（λ2）。

随着要探测的物理量的变化，加强和衰减的波长分量也相应变化为（λ1’与λ2’）。

其差别为ΔλFP腔同时也运用在Δλ的测量。

反射光通过通道选择被传输到所谓白光正交相关仪。

在这里，反射光首先被透镜转化为一组平行入射的光束。

这组光束将通过一个契形介质。

同样的，在契形介质的上下表面产生反射，特别的，此时上下表面的反射率很高，光线在契形体内将发生多次干涉。

根据我们的上文讨论，此时FP腔相当于一个滤波器，除了当波长等于滤波器固有干涉极大的波长时，所有的其余波长分量都为0。

最终干涉后的光束将出射入后端的接收CCD。

很明显，当此契形滤波器厚度不同时，其固有干涉极大波长将不同。

所以只有当入射极大波长等于固有极大波长时，才会有光束透过滤波器，CCD相应像素才可以接收到信号。

通过FP腔滤波器，我们可以得到被测物理量变化前后相应的干涉极大对应波长的变化，从而实现传感。

专利技术白光正交相关仪(White-light Cross-Correlator)提供了独一无二且极具实力的测量FPI空腔长度的方法。

此法的测量结果具有惊人的精确度和线性关系，以及稳定的重现性。

由宽带光源发出的光被投入到2x2耦合器中一个臂上并被导向FPI仪。

经由FPI仪波长调制的光信号被反射回光纤传感器的读取器上，聚焦成一线，透过具有专利技术保护的白光正交相关仪传输之后，由线性CCD组合器检测。

白光正交相关仪可被描述成一个空间分布的FPI空腔，其空腔的长度随横向位置而变。

对CCD组合器而言，每一个象素都与一个预确定的类FPI空腔长度相联系。

因而这种仪器工作起来就像一台具有不同空间长度的光学正交相关仪一样。

假定一个FP测量仪的空腔长度为d mm,由这台仪器所反射的光在CCD组合器中与具有dmm长度的FP空腔相联系的象素上得到最大的传播，也就是说，光线在空间分布的其横向位置上长度为dmm的 FPI空腔中得以最大传播。

如图2所示，FP空腔长度的变化被转化成一系列具有最大传播的象素的位移。

只要白光正交相关仪极其稳定，此一技术即可提供FPI测量仪之空腔长度的精确而又可
靠的测量结果。

在施加一定形状的绝缘涂层的基础上采用了全部集成的光学正交相关仪。

测量精度在宽广的温度范围和长时间内得以保证。

3. 光纤光栅(FBG)传感器
3.1 光栅
光栅是一种具有周期性结构的光学器件(周期数目N,间距L)。

他的主要功能是将同一光源发出的光束分成N路。

这N路光将经过不同的光程最后相遇，产生干涉。

比较两束光发生干涉，N路光的干涉将使干涉极大更加锐利，也就是集中在一个更加窄的波长范围内。

其强大也更大。

N 和L将决定干涉极大的位置与强度。

3.2 光纤光栅（FBG）传感器很明显，如果有效折射率和光栅周期间距得到改变，反射的光波中心波长将出现偏移，从而可以观察到Δλ。

而事实上，如果一个应力施加到光纤轴向，或者温度发生改变(热光效应与热膨胀)，有效折射率和光栅周期间距都会发生变化，从而光纤光栅可以作为探测物理量变化的工具，实现传感。

光纤光栅一个很重要的特点就是可以利用波分复用技术将多个光纤光栅集成到单根光纤中，目前的技术可以实现30个节点在同一光纤如果只用C波段进行传输。

Δλ的测量是光纤光栅传感器中最具挑战性的课题。

因为光纤光栅只会把一个相当窄波长范围的光进行反射(布拉格波长附近)，自然的，对应的强度会相当微弱，检测起来也很困难。

特别的，光纤光栅传感器通常是集成到一个网络中进行测量，同一根光纤中会有多个布拉格波长不同的光栅，造成不同频率的反射波(通过波分复用技术同时传播)。

这就要求相应的解复用和高速响应的解调设备。

目前使用的技术有很多种，比如高分辨率光谱仪，应用光栅阵列波导光栅，应用波长扫描光纤激光器等等。

但是都各有其缺陷。

很多情况下，一些技术可以实现实时高精度测量，但是成本和系统复杂度将高很多。

需要强调的是FP滤波器同样也大量运用在FBG 传感器的解调模块中。

三种光纤传感器之比较
以上两种传感器应该说是当前流行，技术上也比较先进的传感器。

因为他们都是基于光纤，所以有很多共同的特点，比如抗电磁干扰可应用于恶劣环境(没有加入电磁过程)，传输距离长（光纤中光衰减慢），使用寿命长，结构小巧等等，这里就不再赘述。

我们将重点讨论他们的不同。

4.1 精度
应该说他们都具有很高的精度，都可以满足绝大多数需求。

但如果进行深入的探讨，从理论上，光纤光栅传感器所能达到的精度要为高。

从加工的角度来说FP的传感精度主要决定于腔长的加工精度，而FBＧ的精度主要决定于光栅周期间距与有效折射率的控制。

当加工精度都得到保证的时候，FBG将凭借其本身测量机理中优异线性度取胜。

从传感原理可以看出，FP的腔长变化转化为Δλ是通过相位变化和干涉实现的，这是一个非线性过程，而FBG直接通过公式λB=2neffΛ实现有效折射率和光栅周期关于Δλ的转化，完全线性，理论上说将能提供更好的精度。

除此以外，光纤光栅反射光在频域内较之FP干涉极大波包更为尖锐，因此对其中心谱线的测量也应当更为精确。

荧光式测温精度主要取决于荧光物质受激发出荧光的特性和对荧光光强度变化的检测，目前的技术工艺水平，使其测量精度与前两种技术相当，其成本会随精度和测量范围而变化。

但在实际产品中，测量精度受到具体厂家对产品本身的材料、工艺加工水平、信号解调器分辨率等客观因素的影响，还需要针对具体的产品进行具体对比。

目前批量生产的荧光式
测温产品的精度可以达到±0.05℃。

4.2 集成度与组网
在这方面，FBG无疑有着很明显的优势。

光纤光栅其本身的特点使得每个探点仅利用相当少的光源分量，绝大部分光都透过并继续传播。

根据上文介绍，一根光纤上可以最多同时使用30个光栅，传输距离超过45km。

这一特点无疑为组网带来巨大便利。

同时波分复用等技术的使用，也提高了这一技术的可行性。

总得来说FBG非常适合做大范围多节点的分布式测量。

至于FP和荧光式，则对于小规模的网络将更容易实现。

4.3 复杂度
FP和荧光式系统的复杂度应当远低于FBG，其中荧光式最简单。

正如原理部分所阐述，前两种传感器技术最终都归结到对Δλ的测量，明显的，因为FBG的信号弱，并且多伴有解复用要求，其系统要远复杂于FP。

而荧光式属于光强检测，相对更加简单。

4.4 响应频率
响应频率更多的取决于网络的设计与滤波解调设备的响应速度。

FBG需要一个高性能的解调解复用接收端，接收端的处理能力往往会影响到其响应频率。

FP和荧光式因其相对简单，响应频率一般可以得到保证。

目前成熟的荧光式产品可以达到200ms的相应速度。

4.5 光源
根据上文的讨论，FBG对光源的要求相当高，需要大功率宽带光源或可调谐光源。

而FP和荧光式的要求则要低得多，这得益于FP有较强的反射信号，及荧光式的光源仅需起到激发荧光的作用即可。

4.6 灵活性与适用范围。

三者的探头都是相当小巧与灵活的，但是FBG显然要受制于其复杂的波长移位检测技术。

在温度较高的环境中(300 °C)左右，光栅将有可能被擦去。

所以FBG不适用于较大的温度范围。

4.7 成本比较
根据以上讨论，就单测点（或少数测点，如少于50个测点）时，FP和荧光式系统因为复杂性低，波长移位检测技术简单，光源要求低等条件，无疑要占据优势。

而荧光式最具成本优势。

然而，对于大型超过50节点的系统，FP和荧光式因为其组网的困难，会带来的成本的迅速上升。

综上所述，一般认为FBG传感器适用于大型，复杂，高精度要求的低温分布式传感网络。

而FP和荧光式响应频率快（可达200KHz）、探头体积小（微米量级）、光源寿命长等优点，则适用于灵活，小型，简单的传感系统。

荧光式尤其具备高温测量和低成本的优势。