第一部分：光纖感應(yīng)介紹
該系列文章的五部分是關(guān)于光纖感應(yīng)的基本內(nèi)容、光纖傳感器的光電和光學(xué)器件、光電和光學(xué)器件的熱效應(yīng)、光過濾器以及熱處理等問題的研究。
Peter Fuhr, San Jose State University
在光纖感應(yīng)產(chǎn)業(yè)興起時(shí)，工程師們面臨著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅用于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，而且可在該系統(tǒng)中具有可靠性的作用。在該系列文章中，我們首先將在總體上回顧一下光纖感應(yīng)技術(shù)，然后從細(xì)節(jié)上探討用在這些傳感器的主要元件的相關(guān)熱問題；最后，再比較為這些元件提供溫度穩(wěn)定性的不同技術(shù)。
光纖感應(yīng)介紹
光纖傳感器產(chǎn)業(yè)處于光纖通信產(chǎn)業(yè)和光電產(chǎn)業(yè)的交叉點(diǎn)，由此產(chǎn)生了壓縮型磁盤播放器、激光打印機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品。通過利用為市場開發(fā)的元件，光纖傳感器比傳統(tǒng)電子和/或機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)上的設(shè)備更具有某些優(yōu)勢。其中許多優(yōu)勢源自于這一事實(shí)，即光纖是用絕緣材料制成的（如玻璃、塑料），信號傳播“元素”是由光子組成的而不是電子。當(dāng)建立于半導(dǎo)體光電探測器和激光二極管源基礎(chǔ)上的系統(tǒng)趨向于更小、更輕時(shí)，絕緣體對電磁干擾(EMI)的免疫力具有重大價(jià)值。光纖傳感器可在離強(qiáng)EMI源很近的地方（如動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)）或易于被雷擊的建筑（如橋、塔、飛機(jī)）。另外，一根像頭發(fā)絲一樣細(xì)的彈性光纖具有的幾何多功能性可以對惡劣環(huán)境進(jìn)行隱蔽感測。

圖1.光纖傳感器可分為兩種要么為外置的，在其中光在實(shí)際感應(yīng)的地點(diǎn)離開光纖；要么為內(nèi)部的，當(dāng)外部光纖互相干擾時(shí)，光仍保持在光纖中。


以能測量60多個(gè)參數(shù)的各種傳感器為例，光纖傳感器具有廣泛的應(yīng)用[1-6] 。這類傳感器一般可分為外置的和內(nèi)置的。外部光纖充當(dāng)傳輸/接收光管，信號調(diào)制發(fā)生在光纖的外部；作為其本質(zhì)而言，外在干擾直接影響光纖，接著調(diào)制殘留在光纖中的光信號（見圖1）。外置光纖傳感器是一種“黑匣子”結(jié)構(gòu)，其中已知的參數(shù)值進(jìn)入調(diào)制區(qū)域并在其出現(xiàn)的地方有一些特征變化（通常是因?yàn)橥庠诟蓴_或環(huán)境信號的影響）。內(nèi)部傳感器是“全光纖傳感器”，用于測量光調(diào)制，這種調(diào)制是由光纖的波導(dǎo)控制外部干擾的臨界條件并引起局部變化產(chǎn)生的。
商業(yè)應(yīng)用中的外置傳感器包括直線和有角的位置傳感器，用于依據(jù)光飛行系統(tǒng)的航行器、加工控制過程中的溫度、壓力、液體料位以及流量的測量。內(nèi)置傳感器用于測量旋轉(zhuǎn)、加速度、應(yīng)力、聲學(xué)器具、壓力以及振動(dòng)。兩種類別的傳感器都有他們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。外置傳感器的代表性特征是：
· 靈敏度較低
· 使用簡單
· 更易多元化
· 適合用于進(jìn)口/出口連接（進(jìn)出光調(diào)節(jié)器）
內(nèi)在傳感器的特點(diǎn)：
· 靈敏度高
· 易受無關(guān)的外部信號干擾
· 因此“全光纖”可減少或消除外部傳感器的感應(yīng)區(qū)的連接器問題
· 通常依賴于更精細(xì)的信號檢波系統(tǒng)
從商業(yè)角度來看，內(nèi)置傳感器將比外置傳感器貴。但從另一方面來看，內(nèi)置傳感器更實(shí)用能適用于異常的安裝現(xiàn)場。
在某一結(jié)構(gòu)體中使用傳感器的想法并不新鮮，但利用光纖傳感器來顯示測量細(xì)微之處是一種新想法。不管光纖傳感器是什么類型，是外置的還是內(nèi)置的，其運(yùn)行原理都是相似的：環(huán)境信號或外部干擾沿著光纖運(yùn)行，一旦遇到變得靈敏的區(qū)域就會(huì)調(diào)制光信號，改變其顏色、相位、強(qiáng)度或偏振性。測量光纖中出現(xiàn)的光，比較經(jīng)過調(diào)制的信號和原始光區(qū)域就得出測量值。
感應(yīng)原理。電磁波的基本描述明確地揭示了光纖傳感器改變或調(diào)制的區(qū)域參數(shù)：
(1)
其中：
E(t) = 場域振幅
(=2 c/ ) = 頻率
(t) =場域的時(shí)間變化相位
為探測和測量所需要的參數(shù)，傳感器的設(shè)計(jì)必須允許其受外部激勵(lì)能改變磁場表達(dá)式中的某一項(xiàng)。其中最常用的方法是只改變振幅（或強(qiáng)度），同改變一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的傳感器一樣。另一種技巧是以某種形式調(diào)制光的頻率或波長，同改變頻率或波長調(diào)制傳感器（或簡單的顏色傳感器）一樣。光場域相位的調(diào)制可能會(huì)更困難些，因?yàn)檫@一項(xiàng)位于余弦值中。因此在使用這種類型的傳感器時(shí)，必須采用反余弦運(yùn)算使整個(gè)相位角度（頻率和相位）“合適”。一旦余弦值被“移去”了，就必須排除頻率變量，只留下相位值，并從中推算出所需要的參數(shù)。這種技術(shù)要求采用某種頻率跟蹤的形式或頻率“取消”技術(shù)，如用于外差應(yīng)用。而另一種類型的調(diào)幅用于修改光場的偏振特征，并生產(chǎn)偏振傳感器。
以振幅和強(qiáng)度為基礎(chǔ)的傳感器。大多工程師同時(shí)發(fā)現(xiàn)振幅和強(qiáng)度調(diào)制傳感器最容易使用并/或進(jìn)行開發(fā)，因?yàn)樗恍枰獙鈭鲞M(jìn)行頻率追蹤和/或相位追蹤所要求的復(fù)雜性。更重要的是所需參數(shù)僅僅是調(diào)制光場的E(t)項(xiàng)，如方程式1. 有許多方法可達(dá)到這一點(diǎn)，從簡單的光中斷/反射開關(guān)傳感器到微轉(zhuǎn)換器件用于探測壓力、溫度或其它一些所需的參數(shù)。
頻率和波長變化的傳感器。另一種類型的傳感器完全通過把所需參數(shù)的變化映射到光場的頻率或波長的調(diào)制（改變）中來起作用。這種方案類似于FM對AM的收音機(jī)。FM和AM相比，提供了更大的信號變化（動(dòng)態(tài)范圍）和更好的信號逼真度，對振幅變化的靈敏度更小。然而從另一方面來看，它增加了接受器的復(fù)雜性，因?yàn)樗鑵?shù)被“保持”在頻率項(xiàng)中，并且在發(fā)送機(jī)器件上會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)厲的操作誤差。
利用頻率變化設(shè)備的事例之一是應(yīng)力傳感器，它改變了凹口過濾器的中心頻率，通過這個(gè)過濾器寬帶光場被傳輸出去。局部應(yīng)力數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)用于監(jiān)視結(jié)構(gòu)的完整性和健康系統(tǒng)的成功運(yùn)作至關(guān)重要。這些信息一般通過常規(guī)的電應(yīng)變儀收集。雖然這些傳感器相對便宜并且易于同所需參數(shù)設(shè)備組合，但它們不能用于長期（>1–2年）的監(jiān)視操作，因?yàn)樗鼈兪褂玫碾娏€會(huì)逐漸損壞應(yīng)力的結(jié)合能力。
應(yīng)力也可用光纖傳感器測量。光纖是完全絕緣的而且能提供將多路傳感器合為單一光纖引線的相對簡單的方法。光纖張力傳感器的實(shí)驗(yàn)必須采用偏振計(jì)和干涉儀來改變光纖引線的光場，并且/或通過使用橢圓芯的光纖來改變強(qiáng)度。
過去幾年里，已出現(xiàn)一種易于使用的光纖應(yīng)力傳感器，其已被廣泛應(yīng)用在各種設(shè)計(jì)中。被稱為光纖Bragg光柵傳感器(FBGS)或Bragg內(nèi)芯光柵(BIG) 的這種設(shè)備，通過改變光纖（波長調(diào)制）中光場的顏色來進(jìn)行操作。波長或顏色、調(diào)制絕大部分地已證明是更高級的參數(shù)解碼配置，因?yàn)楣庠蹿呌诟淖儯ɑ驔_掉）的顏色比其它參數(shù)（如強(qiáng)度、相位、偏振）慢得多。

圖2. Bragg衍射光柵通過空間變化的高強(qiáng)度激光束照亮自己，可被寫入單一模式的光纖核心中。這種光模式可通過使用全息光學(xué)排列或簡單地通過光掩模產(chǎn)生。Bragg光柵從不同的角度分散不同的顏色（波長）。單模式的光纖僅允許一個(gè)精選的角度傳播光，因此僅有有限的候選波長從這一角度通過。

從本質(zhì)上來說，在FBGS中發(fā)生的是光核芯內(nèi)折射指數(shù)的階段性變化或調(diào)制，被高功率的激光器“寫”入“核芯”中（見圖 2.）這種操作最典型的要求是移動(dòng)光纖涂層（如聚酰亞胺），把核芯暴露在非常亮的光場內(nèi)，然后在光纖上重新涂上聚酰亞胺來恢復(fù)它的耐用性。通過至少4個(gè)因素中的一個(gè)，這一過程會(huì)減少光纖的內(nèi)部構(gòu)造力，但其結(jié)果能影響調(diào)諧的光過濾器。FBGS的調(diào)諧范圍大約為400–2000 nm，1300 nm波段時(shí)其帶寬為0.1 nm。這種設(shè)備首先用于氬離子激光器的外部調(diào)諧鏡，后來用于半導(dǎo)體激光器的外部調(diào)諧，還用于應(yīng)力和溫度感測。
作為傳感器功能來說，寬帶光源必須和光柵光纖結(jié)合。FBGS 僅僅反射（或過濾出）光柵間隔相應(yīng)的顏色。光纖受力后，光柵的間隔隨之變化，使不同的顏色被反射出來。在1300nm范圍內(nèi)的典型的FBGS操作是~1 nm/1000 m的波長變化會(huì)引起相應(yīng)的應(yīng)力變化。1.55 mm的光柵的波長應(yīng)力靈敏度為1.15 pm/µ應(yīng)力，溫度敏感度為1.3 pm/°C。

圖3. 在這個(gè)外置的光纖壓力傳感器中，外部壓力促使光彈性材料發(fā)生輕微變形。既而，變形又使光場的偏振狀態(tài)發(fā)生變化。另一個(gè)偏光器（分析器）把偏振旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化。最終的結(jié)果是輸出強(qiáng)度的變化即代表了所施加的壓力變化值。
偏振和相位調(diào)制的光纖感應(yīng)。偏振感應(yīng)可被認(rèn)為是強(qiáng)度感應(yīng)的一部分——這種傳感器調(diào)節(jié)（旋轉(zhuǎn)）光場的偏振狀態(tài)并利用光分析器測定所感受光場的旋轉(zhuǎn)量。對光排列類型的理解會(huì)導(dǎo)致光場旋轉(zhuǎn)中所需參數(shù)的抽取，這種旋轉(zhuǎn)本身通常反映了強(qiáng)度的變化。偏振調(diào)制的光纖傳感器中的一個(gè)例子就是在該傳感器中壓力場扭曲（壓縮）夾在兩個(gè)偏光器之間的光彈性材料。當(dāng)光彈性材料的壓力增長時(shí)，場域旋轉(zhuǎn)也增加，由此產(chǎn)生強(qiáng)度變化（見圖3.）
這些壓力傳感器已經(jīng)被安裝于水電廠的水壩上，測定逆流水壓對壩泄洪道產(chǎn)生的壓力。目前，性能優(yōu)良的偏振分析器系統(tǒng)都用于析取度量。
在相位調(diào)制感測中，所需參數(shù)改變光場的相位項(xiàng)。為獲得有用的測量值，利用解調(diào)干涉儀的某種形式探測相位的變化，通過解調(diào)刪去信號中的任何振幅和頻率的變化。雖然這類傳感器已被證明非常敏感和特殊，但各種優(yōu)異的計(jì)劃和設(shè)備已經(jīng)被開發(fā)和論證。
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Next month: “Photonic and Optical Components Used in Fiber-Optic Sensors.”