1、光纖光纜制備一、學習目標掌握波長調制傳感原理掌握光纖光柵的分類掌握光纖布拉格光柵傳感原理了解光纖布拉格光柵在光纖傳感器領域中的典型應用了解長周期光纖光柵在傳感器領域的應用掌握光纖光柵折射率傳感技術掌握傳光型波長調制光纖傳感器掌握光纖傳感器用于智能材料及其結構學習情境六：波長調制型光纖傳感器光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業二、學習內容6.1波長調制傳感原理 被測場/參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸的光波長改變；進而通過測量光波長的變化量來確定被測參量的傳感方法即為波長調制型傳感。光纖光柵傳感器是一種典型的波長調制型光纖傳感器?；诠饫w光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量

2、對布拉格中心波長B的調制來獲取傳感信息的，其數學表達式為：（6-1）光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（1）抗干擾能力強。一方面是因為普通的傳輸光纖不會影響傳輸光波的頻率特性（忽略光纖中的非線性效應）；另一方面光纖光柵傳感系統從本質上排除了各種光強起伏引起的干擾。例如：光源強度的起伏、光纖微彎效應引起的隨機起伏和耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性。因而基于光纖光柵的傳感系統具有很高的可靠性和穩定性。式中：neff為纖芯的有效折射率；是光柵周期。這是一種波長調制型光纖傳感器。它具有以下優點：光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（2）傳感探頭結構簡單，尺

3、寸小（其外徑和光纖本身等同），適于許多應用場合，尤其是智能材料和結構。（3）測量結果具有良好的重復性。（4）便于構成多種形式的光纖傳感網絡。（5）可用于外界參量的絕對測量（在光纖光柵進行定標后）。（6）光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規模生產。光纖光柵由于具有上述諸多優點，因而得到廣泛的應用。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業它也存在一些不足之處，例如，對波長漂移的檢測需要用較復雜的技術和較昂貴的儀器或光纖器件，需大功率的寬帶光源或可調諧光源，其檢測的分辨率和功態范圍也受到一定限制等。6.2 光纖光柵的分類在光纖光柵出現至今的短短二十多年里，由于研究的深入和應用的需要，各種

4、用途的光纖光柵層出不窮，種類繁多，特性各異。因此也出現了多種的分類方法，歸結起來主要是從光纖光柵的周期、相位和寫入方法等幾個方面對光纖光柵進行分類。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業一般實際應用中，均按光纖光柵周期的長短分為短周期光纖光柵和長周期光纖光柵兩大類。周期小于1m的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖布拉格光柵或反射光柵（fiber Bragg grating，FBG）；而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵（long-period grating，LPG），又稱為透射光柵。短周期光纖光柵的特點是傳輸方向相反的兩個芯模之間發生耦合，屬于反射型帶通濾

5、波器，如圖6.1所示，其反射譜如圖6.3（a）所示。長周期光纖光柵光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業的特點是同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦 合，無后向反射，屬于透射型帶阻濾波器，如圖6.2所示，其透射光譜如圖6.3（b）所示。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業6.3 光纖布拉格光柵傳感原理 由光纖光柵的布拉格方程可知，光纖光柵的布拉格波長取決于光柵周期和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個參量發生變化的物理過程都將引起光柵布拉格波長的漂移。真是基于這一點，一種新型、基于波長漂移檢測的光纖傳

6、感機理被提出并得到了廣泛應用。在所有引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中，最直接的為應力、應變和溫度等參量。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業因為無論是對光柵進行拉伸還是擠壓，都勢必導致光柵周期的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應使得有效折射率neff也隨外界應力狀態的變化而變化。同理，環境溫度的變化也會引起光纖類似的變化。因此利用光纖布拉格光柵制成的光纖應力應變傳感器以及光纖溫度傳感器，就成了光纖光柵在光纖傳感器領域中最直接的應用。應力引起光柵布拉格波長漂移可以由下式給與描述：（6-2）光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業式中表示光纖本身在應力作用下的彈性

7、變形；neff表示光纖的彈光效應。外界不同的應力狀態將導致和neff的不同變化。一般情況下，由于光纖光柵屬于各向同性柱體結構，所以施加于其上的應力可在柱坐標系下分解為r，和z三個方向。只有z作用的情況稱為軸向應力作用，r和稱為橫向應力作用，三者同事存在為體應力作用。于此類似，環境溫度的變化也會引起光柵布拉格波長的漂移，由此可測量出環境溫度的變化。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業6.4 光纖布拉格光柵在光纖傳感器領域中的典型應用在測量方面的應用 1）單參量測量 光纖光柵的單參數測量主要是只對溫度、應變、折射率、磁場、電場、電流、電壓、速度、加速度等單個參量分別進行測量。圖6

8、.4表示采用光纖光柵冊測量壓力及應變的典型傳感器結構。圖中采用的寬帶發光二極管作為系統光源，利用光譜分析儀進行波長漂移檢測，這是光纖光柵作為傳感器應用的典型結構。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業 Rao等人1995年用諧振波長為1550nm的石英光纖布拉格光柵實現了應變的傳感器實驗，波長的應變靈敏度為1.15pm-1；光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業同時還用諧振波長分別為800nm和1550nm的光纖布拉格光柵進行溫度傳感實驗，其波長的靈敏度分別為6.8pm-1和13 pm-1。Zhang等人于2001年用聚合物涂封的光纖布拉格光柵實現了靈敏度為-3

9、.410-3nmMpa的壓力傳感器。Kersey等人于1997年年利用法拉第效應導致的光纖布拉格光柵左右旋偏振光折射的差異來測量磁場。Mora等人利用光纖布拉格光柵制作的電流傳感器，其靈敏度為2.310-10nmA2m-2。Gander等人于2000年用多芯光纖布拉格光柵實現了彎曲量的測量。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業Wang等人于2000年用光纖布拉格光柵制作的扭曲傳感器，其靈敏度為86.7pmdeg-1。R.B.Wagreicch等人于1996年用低雙折射光纖上寫入的光線布拉格光柵進行橫向負載實驗，其負載靈敏度為3.27pmN-1，當負載大于40N時單峰因雙折射而

10、分裂為雙峰。2）雙參量測量 光纖光柵除對應力、應變敏感以外，對溫度變化也有相當的敏感性，這意味著在使用中不可避免的會遇到雙參量的干擾。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業為了解決這一問題，人們提出了許多采用多波長光纖光柵進行溫度、應變雙參量同時檢測的實驗方案。在工程結構中，由于各種因素相互影響、交叉敏感，因此這種多參數測量技術尤其重要。目前多參數傳感技術中，研究最多的是溫度-應變的同時測量技術，也有人進行了溫度-彎曲、溫度-折射率、溫度-位移等雙參數測量以及溫度-應變-振動、溫度-應變-振動-負載的多參數測量。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業3）分布式多

11、點測量 纖光柵用于光纖傳感的另一優點是便于構成準分布式傳感網格，可以再大范圍內對多點同時進行測量。圖6.5示出了兩個典型的基于光纖光柵的準分布傳感網格，可以看出其重點在于如何實現多光柵反射信號的檢測。圖6.5（a）中采用參考光柵匹配方法，圖6.5（b）中采用可調F-P腔，雖然方法各異，但均解決了分布測量的核心問題，為實用化研究奠定了基礎。目前光纖光柵分布式傳感主要集中在應變傳感。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業在不同領域中的應用1）在土木工程中的應用土木工程中的結構健康檢測室光纖光柵傳感器應用中最活躍的領域。對于橋梁、

12、隧道、礦井、大壩、建筑物等來說，通過測量上述結構的應變分布，可以預知結構內的局部載荷狀態，方便進行維護和狀況監測。光纖光柵傳感器既可以貼在現存結構的表面，也可以在澆筑時埋入結構中對結構進行分布式檢測，傳感信號可以傳輸很長距離送到中心監測室進行遙測。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業2）在航空航天及船舶中的應用增強碳纖維符合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好、質量輕，可以減輕船體或航天器的重量，已經越來越多地用于控制航空、航海工具。在復合材料結構的制造構成中埋放光纖光柵傳感器，可實現飛行器或船艦運行過程中機載傳感系統的實現健康檢測和損傷探測。一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、起落駕

13、駛狀態、超聲波場和加速度情況，所需要的傳感器超過100個。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業美國國家航空和宇宙航行局對光纖光柵傳感器用非常重視，它們在航天飛機X-33上安裝了測量應變和溫度的光纖光柵傳感網絡，對航天飛機進行實時健康監測。 為了全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的沖擊力，普通船體大約需要100個以上的傳感器，因此服用能力極強的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業3）在石油化工中的應用 石油化工工業屬于易燃易爆的領域，電類傳感器用于諸如油氣灌、油氣井、油氣管等地方的測量有不安全因

14、素。光纖光柵傳感器因其本質安全性非常適合在石油化工領域里應用。美國CiDRA公司發展了基于光纖光柵的監測溫度、壓力和流量等熱工參量的傳感技術，并將其應用于石油和天然氣工業的鉆井監測，以及海洋石油平臺的結構監測。 光纖光柵周圍化學物質濃度的變化通過漸逝常影響光柵的共振波長。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業利用該原理可通過FBG進行特殊處理或直接用LPG制成各種化學物質的光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器可直接測量許多化學成分的濃度，包括蔗糖、乙醇、十六烷、CaCl2、NaCl等。另外，可利用特定的聚合物封裝光纖光柵，當聚合物遇到碳氫化合物時膨脹而使光纖產生應變，通過監視光柵共振

15、波長的漂移就可以知道光纖光柵處的石油泄漏情況。 4）在電力工業中的應用電力工業中的設備大都處在強電磁場中，如高壓開關溫度的在線監測、高壓變壓器繞組及發電機定子等地方的溫度和位移參數的實時測量，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業普通電類傳感器無法使用，而光纖光柵傳感器具有高絕緣性和強抗電磁干擾的能力，因此適合在電力行業中應用。用常規電流轉換器、壓電元件和光纖光柵組成的綜合系統對大電流進行間接測量，電流轉換器將電流轉變成電壓，電壓變化使壓電元件形變，形變大小由光纖光柵傳感器測量。封裝于磁致伸縮材料的光纖光柵可測量磁場和電流，可用于檢測電機和絕緣體之間的雜散磁場通量。光纖傳感器及

16、應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業5）在醫學中的應用光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進行內部測量，足以避免對正常醫療過程的干擾。光纖光柵陣列溫度傳感器，可用來測量超聲波、溫度和壓力場，研究病變組織的超聲和熱性質，或遙測核磁共振機中的實際溫度。用定向稀釋導流管方法，采用光纖光柵傳感器可對心臟功效進行測量。用光纖光柵可以測量超聲場、監視病人呼吸情況等。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業6）在核工業中的應用核電站是高輻射的地方，核泄漏對人類是一個極大的威脅，因此對于核電站的安全檢測非常重要。由于光纖光柵傳感器具有耐輻射的能力，可以監測核電站的反應堆建

17、筑或外殼結構變形、蒸汽管道的應變傳感以及地下核廢料堆中的應變和溫度等。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業6.5 長周期光纖光柵在傳感器領域的應用 光纖布拉格光柵的傳感器應用仍有一定的局限性，如靈敏度不夠高、對單位應力或溫度的改變所引起的波長漂移較小，此外由于光纖布拉格光柵是反射型光柵，通常需要隔離器來抑制反射光對測量系統的干擾。長周期光纖光柵是一種透射型光纖光柵，無后向反射，在傳感測量系統中不需要隔離器，測量精度高。此外，于光纖布拉格光柵不同，長周期光纖光柵的周期相對較長，滿足相位匹配條件的是同向傳輸的纖芯基模和包層模。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業

18、因而長周期光纖光柵的諧振波長和幅值對外界的變化非常敏感，具有比光纖布拉格光柵更好的溫度、應變、彎曲、扭曲、橫向負載、濃度和折射率靈敏度。因此，長周期光纖光柵在光纖傳感領域具有比光纖布拉格光柵傳感器更多的優點和更加廣泛的應用。利用長周期光纖光柵具體有體積小、能埋入工程材料的優點，可以實現對工程結構的實時監測。 長周期光纖光柵諧振波長隨著溫度變化而線性漂移，是一種很好的溫度傳感器。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業Davis和Georges等人發現用電弧法寫入的長周期光纖光柵在高溫段的溫度靈敏度遠遠高于低溫段，中間有很明顯的過渡段，因此這種長周期光纖光柵適合工作于高溫（1000

19、）下。Liu等人的研究結果表明長周期光纖光柵的橫向負載靈敏度比光纖布拉格光柵高兩個數量級，并且諧振波長隨負載線性變化，因此是很好的橫向負載傳感器。Patrick和Wan Wiggeren等人的實驗結果表明長周期光纖光柵的諧振波長隨著彎曲曲率的增大而線性漂移，其靈敏度具有方向性，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業因此可用于測量彎曲曲率。Wang和Ahn等人已分別用單個和多個長周期光纖光柵級聯進行的扭曲實驗，表明用長周期光纖光柵可實現對扭曲的直接測量。 利用長周期光纖光柵制成的化學傳感器可以實現對液體折射率和濃度的實時測量。Bhatia等人于1996年用溫度不敏感的長周期光纖光

20、柵實現了折射率和應力的測量，Luo等人于2002年提出了基于在外表面涂有特殊塑料覆層的長周期光纖光柵的化學光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業傳感器，可以實現對相對濕度和有毒化學物質特別是對化學武器的實時監測。其原理是濕度或有毒化學物質會引起塑料涂覆層的折射率發生變化，從而改變長周期光纖光柵的模式耦合特性。這種化學傳感器對相對濕度的測量范圍是095%，對有毒化學物質的測量精度可達到10-6數量級。由于長周期光纖光柵的諧振波長對光柵包層周圍物質的折射率很敏感，因此諧振波長的漂移與侵入液體中的光柵長度有關，根據此原理James等人于2002年用長周期光纖光柵制成了液位傳感器。光纖

21、傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業長周期光纖光柵在生物傳感技術領域也有著獨特應用。Pilevar等人于2000年用長周期光纖光柵和光纖布拉格光柵的組合制成了抗體-抗原生物傳感器。 利用長周期光纖光柵有多個損耗峰的特性，可以用一個長周期光纖光柵實現對多參數的測量。Rao、Zeng等人利用長周期光纖光柵和光纖布拉格光柵和非本征型光纖法-珀干涉腔等其他傳感器的組合實現了溫度-靜態應變-振動-橫向負載四參數的而同時測量。Yokota等人于2002年應用機械微彎法制作的長周期光纖光柵實現了分布式壓力傳感。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業與光纖布拉格光柵傳感器一樣，長

22、周期光纖光柵傳感器也有溫度、應變或折射率、彎曲等物理量之間的交叉敏感問題，從而使測量精度大大降低。因此，解決長周期光纖光柵測量過程中的交叉敏感問題十分重要。至今人們已提出了多種解決光纖傳感器應用中交叉敏感問題的方案，他們各有特點。但總體而言，均需要兩種或兩種以上傳感器的組合才能較好地解決該問題。Patrick等人于1996年用長周期光纖光柵和光纖布拉格光柵的組合解決了溫度和應變之間的交叉敏感問題，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業實現了對溫度和應變的同時測量。Bhatia等人于1996年用溫度不敏感的長周期光纖光柵實現了折射率和應力的測量，解決了溫度、應變、折射率之間的交叉

23、敏感問題。 6.6 光纖光柵折射率傳感技術 在FBG中，模式的耦合發生在正、反向傳輸的芯層導模中。由于芯層導模的絕大部分能量限制在光纖芯層中，在光纖外的漸逝波場很小，所以共振波長幾乎不受外界折射率的影響。為牢能將FBG應用于折射率測量或者提高靈敏度，就必須設法加大光纖外的漸逝波場，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業使漸逝波場與外部介質的相互作用加強。辦法之一是通過腐蝕一部分或全部光纖包層，可以提高外界折射率的靈敏度。Pereira等用兩個FBG來實現溫度和鹽度的同時測量，其中腐蝕后的FBG對折射率測量的靈敏度為7.3nm/riu。Chryssis等人將光纖直徑腐蝕到3.4m

24、，得到高靈敏度漸逝場FBG傳感器，其中最大靈敏度達到了1394 nm/riu。另外，Schroeder等人提出用側面拋磨FBG的方法使FBG對外界折射率敏感，在拋磨后的FBG上覆蓋一層高折射率的涂覆層則可大大提高低折射率范圍的靈敏度。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業FBG折射率傳感原理在FBG中布拉格反射波長B由下式給出：（6-3）式中，為光柵周期，neff為芯層導模的有效折射率。在普通的光纖中，因為芯層導模的能量集中在纖芯中，所以有效折射率neff實際上與包層外的外界折射率無關。然而，當光柵所在區域的光纖包層直徑小到一定程度而使芯層導模的漸逝波能量能夠直接與外界環境相互

25、作用時，芯層導模的有效折射率就會直接受到外界環境折射率的影響，從而引起Bragg波長的移動。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業通過監測Bragg波長的移動，就可以知道外界折射率的變化情況，這就是FBG折射率傳感器的原理，如圖6.6所示。從式6.3可以看出，FBG對外界折射率傳感的靈敏度依賴于導模有效折射率的變化大小。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖光柵折射率傳感的應用 在光纖光柵折射率傳感器中，需要通過波導模式的漸逝波場于外部介質在的相互作用機制，導致波導模式的有效折射率變化，從而使光柵的共振波長發生變化。為此，人們提出了應用不同光纖光柵來實現折射

26、率的傳感，并提出了許多種方法或手段來提高測量靈敏度，如腐蝕或側面拋磨的FBG、LPG、閃耀光柵、多模光纖LPG、FBG構成的FFPI以及LPG構成的M-Z干涉儀等，下面對這些方法分別進行簡單介紹。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業1）FBG方案在利用FBG驚醒折射率傳感時，要使芯層導模的漸逝波場能延伸到外部介質中，必須通過腐蝕或側面拋磨處理等方法使芯層導模通過其漸逝波能夠直接感受到外部介質。（1）腐蝕普通的FBGAsseh等最早提出用腐蝕光纖包層的百年發可以實現折射率測量，理論計算出當外界折射率非常接近包層折射率時，其靈敏度可達到4.610-6riu。Pereira等用雙F

27、BG來實現溫度和鹽光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業度的同時測量，其中腐蝕后的FBG對折射率測量的靈敏度為7.3nm/riu。后來，Iadicicco等將FBG的光纖包層幾乎全腐蝕掉，在1.45和1.33附近的分辨率分別為10-5和10-4。而Chryssis等人將光纖直徑腐蝕到3.4m，得到高靈敏度漸逝場FBG傳感器，其最大靈敏度達到了1394 nm/riu，這是到目前為止報道的FBG折射率傳感的最高靈敏度。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（2）結構化的FBG腐蝕最近，Iadicicco等人又提出了一種微結構FBG：將FBG中間的一小段光纖包層腐蝕掉

28、，它的光譜特性會隨外界折射率的變化而變化，當直徑被腐蝕到10.5m時可以得到410-5的折射率測量分辨率。W.Liang等提出了用全光纖F-P干涉儀結構，具有更窄的干涉條紋便于波長測量，腐蝕兩個FBG中間的那段光纖到半徑大小為1.5m，可以測到410-5的折射微小變化。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（3）拋磨FBGK.Schroeder等人提出將FBG固定到彎曲半徑為2m的基底是用側面拋磨辦法去掉部分光纖包層。中間最薄部分的包層厚度大約為0.5m。用此FBG實現外界折射率測量，同時在末拋磨色區域用在另一個FBG作參考測量。1pm的波長移動量對應折射率變化為10-3（nA

29、=11.3）到210-5（nA=1.441.46）之間。為提高較低折射率范圍內的靈敏度，他們提出在側面拋磨的FBG上涂覆一層高折射率的覆蓋層，試驗中用0.25m厚，折射率為1.68的覆蓋層，在nA=1.331.37，使分辨率靈敏度從10-3riu提高了2.510-5riu。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（4）腐蝕多模光纖中的斜光柵在多模光纖中的斜光柵中，不僅存在正、反向基模之間的耦合，而且還存在基模于反向傳播的高階芯層模耦合。將光纖腐蝕到直徑大小為12m后進行折射率測量，利用高階模式的靈敏度比低階模式的靈敏度高的特點，在1.3331.442的測量范圍內，對應的LPco-

30、co0-1耦合的波長移動為5.35nm，表明在1.43附近的靈敏度為0.23nm/%（%為蔗糖濃度單位）。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（5）腐蝕D型光纖上的FBGK.Zhou等利用寫在D型光纖上的FBG進行折射率測量，不腐蝕時幾乎對折射率不夠敏感，而通過腐蝕后其靈敏度得到0.02 nm/%（%為蔗糖濃度單位），換算成以折射率變化的靈敏度為11nm/riu。 （6）單模光纖上的斜光柵G.Laffont等將斜光柵寫入單模光纖中，激發了芯層模與反向傳輸的包層模間耦合，而包層模能夠通過其漸逝場感知外界折射率變化，當折射變化時，透射光譜中的上下包絡都會發生變化，光纖傳感器及應用

31、光電子技術專業-國家重點建設示范性專業據此他們提出了一種利用透射譜包絡計算折射率的方法。分辨率和重復性優于10-4riu，但不需腐蝕腐蝕或拋磨，因此有較好的機械強度。 在這些FBG折射率測量的方案中，除了單模光纖斜光柵外，其余都需腐蝕或拋磨等處理，大大降低了光纖的機械性能。 2）LPG方案LPG的耦合機制與FBG不同，耦合發生在芯層導模與同向傳輸的包層模之間，因包層弄的漸逝場分布延伸到了包層外的介質中，如圖6.7所示。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業這決定了LPG本質上對外界折射率非常敏感，尤其是當外界折射率接近包層折射率時更加敏感，所以直接用LPG可以實現折射率的測量、

32、用于化學濃度的指示等。為分析LPG對高于包層折射率時的外界折射率響應情況，R.Hou等建立了分析模型。LPG對外界折射率的靈敏度與光柵周期以及包層模階數密切相關，所以LPG用于折射率傳感時，從光柵設計的角度出發，可以通過設計光柵周期及合適的包層模階數來獲得最優的靈敏度。另一方面，為進一步提高折射率傳感的靈敏度，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業人們提出了高折射率材料涂覆、拉錐、腐蝕等方法，以及用兩個LPG構成的M-Z干涉儀進行折射率測量等方法。下面分別介紹這些方法。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（1）在LPG上鍍上高折射率材料 N.D.Rees等用L

33、-B鍍膜技術將二十三烯酸(CH2=CH(CH2)20CO2H)(折射率為1.57)鍍到LPG上，引起了共振波長的移動情況與模厚有關。 I.D.Villar等用靜電自組裝技術將聚合物材料(PDDA+/PolyR-47-)鍍到LPG上，實驗觀察到涂覆層達到一定厚度時，其中的一個包層模將在涂覆層中傳導。針對具體的外界折射率范圍，通過優化涂覆層的折射率及厚度，可大大提高對外界折射率的靈敏度。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業如外界折射率變化范圍11.1，沒有涂覆處理的LPG的三、四、五階包層模對應的共振波長移動量分別只有0.01nm，0.03和0.05nm，而鍍了278.5nm厚（

34、三階包層模的優化厚度）的涂覆層【PDDA+/PolyS-119-】(折射率為1.67)后相應的波長移動量分別增加到了4.63nm，9.33nm和8.34nm。 （2）腐蝕光纖包層可以提高LPG的靈敏度通過HF酸腐蝕光纖包層可以調節LPG的共振波長向長波長方向移動，而且包層減小后的LPG對外界折射率的靈敏度可以大幅度提高。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業相比其他的光纖處理工藝，HF酸腐蝕光纖包層是一種成本低、易控制的工藝方法。K.W.Chung等將寫有LPG的光纖直徑腐蝕到35m后，利用其最低階包層模的共振波長進行廁靈，在11.43的折射率范圍內，波長移動量為34nm，而對

35、應未腐蝕的LPG其波長移動只有8nm。他們從理論上測量，如果利用三階包層模耦合，則包層直徑腐蝕到35m的LPG的波長移動可達225nm。X.Chen等人將LPG寫在D型光纖上，其折射率靈敏度比普通SMF上的LPG要高，對D型光纖腐蝕后，更進一步提高了外界折射率的靈敏度。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業（3）多模光纖中的LPG在多模光纖的LPG中，因芯層模式數量很多，導致幾乎在所有波長上都存在芯層模和包層模的耦合，所以波長與折射率的依賴關系就無法分辨，但是輸出光功率隨著折射率的變化而變化，而且周期較短的LPG對外界折射率的靈敏度較高。基于漸逝波吸收的原理，可用多模光想LPG

36、對具有一定吸收的化學樣品進行濃度測量，如水溶液中鉻離子濃度、氨氣濃度、亞甲基藍（MB）燃料液濃度等。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業S T Lee等人測量不同MB燃料濃度的實驗結果表明多模光纖上10mm長的LPG的靈敏度與100mm長的傳統漸逝波光纖傳感器相當，最小的可探測濃度達10nmol/L，而且動態范圍寬，達4該數量級。 （4）利用LPG構成的干涉型器件 由于LPG得特殊耦合機制，當在同一根光纖上級聯兩個相同的3dBLPG時，就構成了光纖內的M-Z干涉儀。T.Allsop等人將這種基于LPG的M-Z干涉儀應用于折射率的測量，并提出了這種干涉儀的的相位解調方案，其可探

37、測的最小折射率變化達到了1.810-6，這也是目前光纖型折射率傳感器中分辨率最高者。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業最近，T.Allsop等人將一個長周期光纖光柵寫到雙錐形光纖上，利用其透射光譜上的干涉條紋移動來測量外界折射率，得到了較高的折射率測量靈敏度，在1.33附近，靈敏度為643nm/riu。 相比普通的單個LPG，基于LPG的干涉型器件具有更精細的光譜，便于波長檢測，如果采用相位解調方案，可以得到很高的測量分辨率。另外，再利用光纖光柵進行折射率傳感的同時，不可避免的存在溫度同時敏感問題，為了使光纖光柵折射率傳感技術更實用化， 光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家

38、重點建設示范性專業必須解決交叉敏感問題。其中一個解決辦法是實現折射率/溫度的同時測量，另一種辦法是用溫度補償的折射率測量方案。到目前為止，已經提出許多解決的方案。6.6 傳光型波長調制光纖傳感器傳光型波長調制傳感器主要是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量的變化而變化的性質進行測量，其中的光纖只是傳光元件，不是敏感元件，是一種廣義的、非功能型的光纖傳感器。波長調制機理傳光型波長調制光纖傳感器在波長（顏色）調制光纖探頭中，光纖只是簡單的作為導光用，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業即把入射光送往測量區，而將返回的調制光送往分析器。波長（顏色）調制探頭的基本部件如圖6.8所示。光

39、纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業 光波長（顏色）探測技術的關鍵是光源和頻譜分析器的性能決定傳感系統的穩定性和分辨率。大多數波長調制系統中，光源采用白熾燈或汞弧燈。光譜分析儀一般采用棱鏡分光計、光柵分光計、干涉濾光器和染料濾光器等儀器實現。由于光源。分光計以及光探測器的性能常常不夠穩定，因此，通常測取兩個或多個波長的光強信號，進行比值運算，補償系統誤差。光纖波長調制技術主要應用于醫學、化學等領域。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業例如，對于人體血氣的分析、PH值檢測、指示劑溶液濃度的化學分析、磷光和熒光現象分析、黑體輻射分析、Fabry-Perot濾光器等

40、。光纖pH值1.基本原理光纖pH值傳感器是利用化學指示劑對被測溶液的pH值。圖6.9為光纖pH值探頭的一種典型結構。探頭是一個可滲透的薄膜容器，容器內裝入直徑為510m的聚丙酸酯小球，用指示劑（例如酚紅）將小球染色。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業酚紅染料試劑是一種可逆得具有兩種互變狀態的指示劑。兩種狀態即基本狀態和酸化狀態，每一種狀態有不同的光吸收譜線?；緺顟B是對綠色光譜吸收，酸化狀態是對藍色光譜吸收，pH值由酚紅試劑對綠光（或藍光）光譜的吸收量來決定。由于指示劑的透明度在紅色區域對pH值非常敏感，在綠色區域卻與p

41、H值無關，所以，當白光由光纖導入浸泡在被測溶液中的pH值探頭后，經過用酚紅染色的聚丙酸酯小球的散射，得到反應溶液pH值的光信號。光信號由光纖導出光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業進入旋轉的雙色濾光器，從而使紅光和綠光交替地投射到光電二極管探測器上，通過信號處理系統把這兩種顏色（波長）的光強信號的比值測量出來，測量結果直接反映被測溶液的pH值。采用雙波長工作方式的目的是為了消除測量中多種因素所造成的誤差。取綠光（1=558nm）作為調制檢測光，紅光（2=630nm）作為參考光，探測接收到的綠光與紅光強度的吸收比值為R,pH值與R得關系為：（6-4）光纖傳感器及應用光電子技術專

42、業-國家重點建設示范性專業式中：k、c為常數；L為試劑長度；=pH-pK，其中pH 是酸堿度，pK是酸堿平衡常數。 上述光纖pH值探頭要求光源和光探測器有足夠的溫度穩定性，以保證測量的準確度。這種探頭可用于測量血液的pH值，且pH值在77.4的范圍內儀器具有0.01的分辨率。可以看出，采用不同的化學指示劑，即可測量不同pH值范圍的溶液。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業2.探頭與系統設計以光纖和染料為基礎的pH值傳感器的探頭結構如圖6.10（a）所示。兩根直徑為0.15mm的塑料光纖，并排插入具有滲透膜的套管中。套管內裝有試劑，光纖與試劑接觸，探頭前部用膠密封，以避免染料試

43、劑與待測物混合。試劑的成分是一種聚丙烯酰胺微球共價結合的酚紅和作為散射光用的聚苯乙烯微球的混合物。對光有吸收作用的只是酚紅，顆粒狀的聚丙烯酰胺是作為酚紅的支撐物，以固定酚紅的位置。聚苯乙烯微球能散射光，光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業使光與酚紅充分接觸，產生較強的吸收作用，提供檢測的靈敏度。在實驗中發現，這種結構的探頭存在一些問題：一是探頭很柔軟極易損壞；二是很難無損地插入類似跳動的心臟的機體中；三是當試劑相對于光纖的端面產生運動時（如插入動作），會引起探頭的響應速度變慢，分辨率下降。為了克服上述問題，改進了探頭的結構如圖6.10（b）所示。光纖傳感器及應用光電子技術專業

44、-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業 用于生物體內測量pH值的給今后的探頭是將原探頭整體裝在一個25號的不銹鋼針頭（外徑0.5mm）內，在靠近試劑位置處的不銹鋼針頭上，對稱的分兩個槽，在槽的中心處，沿著與軸線垂直的方向，有直徑為0.38mm的孔，鋼針的頭部用環氧樹脂密封。這種探頭很容易安全的插入機體內，且本身不易損壞，響應速度也從原來的90s提高到30s。還可以用一個端面起反光作用的鋁蒸汽鍍膜的玻璃圓柱體，膠封在套管前部，這樣使試劑的長度從24mm減少到0.12mm。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業單反射回的光強也減小了一半，即降

45、低了調制度。因此在使用中，要合理地選擇試劑的長度，以達到最佳的信噪比和分辨率。此檢測裝置的信噪比為50dB，在77.4pH的生理范圍內，檢測精度為0.01pH單位。 圖6.11是同時可測量五個點的醫用pH值監測系統的框圖。光源是100W的石英鹵素燈。雙色濾光器（濾波輪）交替地將紅光和綠光選出，然后輸入光探測器。接收是采用RCAPF1039型光電倍增管采用高集成度電源供電。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業 信號處理由微機系統完成。有5個D/A轉換通道，每個通道分別對應于一個探頭。當每個通道分別經脈沖信號觸發后（+1V為綠

46、色光觸發信號，-1V為紅光觸發信號），開始采樣40次平均，得到一個數值；將綠光光強和紅光光強相比得到一個比值；每10個比值進行一次平均，獲得一個數據；通過公式和的定義即可計算出pH值。5個通道的信號處理過程是相同的，一組5個pH值的信號處理過程只需要5s，如果減少采樣點，可是處理速度提高到1s。最后結果輸出顯示。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業經過實際應用，證明這種pH值檢測裝置使用方便，安全可靠，很適合于生物體的pH值檢測。光纖磷光傳感器圖6.12是利用磷光現象制成的光纖溫度探測系統。這個系統是基于稀土磷光體的磷光光譜隨溫度變化而變化的原理工作。磷光體在紫外光照射后，會

47、發射與溫度有關的光譜如圖6.13所示。光譜中紅色“a”譜線的強度隨溫度升高而增加，而綠色“c”譜線則降低。兩者的壁紙是溫度的單值函數，由于這兩條譜線被照射譜中的相同部分激勵，因而他們的比值與激勵光譜基本無關。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業利用6.12所示的光學裝置能有效地測量并計算出上述比值。圖中采用干涉濾光片來進行光譜分析。這里用了來年各個頻譜分量不同的光電二極管進行檢測，因此，還需要校正兩者的差動漂移。在圖示的系統中，通過合適的信號處理和采用秒級的信號積分時間之后，可得到0.1的分辨率，準確度為1。 兩個光電二極

48、管的敏感波長不同，一個波長為540nm的光敏感，另一個對波長為630nm的光敏感。經光電二極管轉換成電信號，在進行信號處理，圖6.13（b）為所得到的相對光強與溫度變化的特性曲線。經校正可以得到輸出相對光強與溫度呈線性關系。光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業6.7 光纖傳感器用于智能材料及其結構 現代航空、航天及其他工業的迅速發展，對材料和結構提出了越來越高的要求。除了傳統的對材料強度的基本要求以外，同時還希望材料具有自我“檢測”的功能，以獲得材料及結構的整體性、環境條件等信息，確定系統的運行情況、可靠性乃至剩余壽命。有的還提出構件應具有“自我控制”（如結構振動及噪聲的抑制）的功能，以提高系統的安全性，降低某些構件對環境的噪聲污染。隨著各領域對材料和結構所提出的光纖傳感器及應用光電子技術專業-國家重點建設示范性專業各種高