光纤感测元件的散热讨论

第一部分：光纤感应介绍
该系列文章的五部分是关于光纤感应的基本内容、光纤传感器的光电和光学器件、光电和光学器件的热效应、光过滤器以及热处理等问题的研究。
Peter Fuhr, San Jose State University
在光纤感应产业兴起时，工程师们面临着产品的设计不仅用于实验室系统，而且可在该系统中具有可靠性的作用。在该系列文章中，我们首先将在总体上回顾一下光纤感应技术，然后从细节上探讨用在这些传感器的主要元件的相关热问题；最后，再比较为这些元件提供温度稳定性的不同技术。
光纤感应介绍
光纤传感器产业处于光纤通信产业和光电产业的交叉点，由此产生了压缩型磁盘播放器、激光打印机及相关产品。通过利用为市场开发的元件，光纤传感器比传统电子和/或机电设备的基础上的设备更具有某些优势。其中许多优势源自于这一事实，即光纤是用绝缘材料制成的（如玻璃、塑料），信号传播“元素”是由光子组成的而不是电子。当建立于半导体光电探测器和激光二极管源基础上的系统趋向于更小、更轻时，绝缘体对电磁干扰(EMI)的免疫力具有重大价值。光纤传感器可在离强EMI源很近的地方（如动力发动机、电动机）或易于被雷击的建筑（如桥、塔、飞机）。另外，一根像头发丝一样细的弹性光纤具有的几何多功能性可以对恶劣环境进行隐蔽感测。

图1.光纤传感器可分为两种要么为外置的，在其中光在实际感应的地点离开光纤；要么为内部的，当外部光纤互相干扰时，光仍保持在光纤中。


以能测量60多个参数的各种传感器为例，光纤传感器具有广泛的应用[1-6] 。这类传感器一般可分为外置的和内置的。外部光纤充当传输/接收光管，信号调制发生在光纤的外部；作为其本质而言，外在干扰直接影响光纤，接着调制残留在光纤中的光信号（见图1）。外置光纤传感器是一种“黑匣子”结构，其中已知的参数值进入调制区域并在其出现的地方有一些特征变化（通常是因为外在干扰或环境信号的影响）。内部传感器是“全光纤传感器”，用于测量光调制，这种调制是由光纤的波导控制外部干扰的临界条件并引起局部变化产生的。
商业应用中的外置传感器包括直线和有角的位置传感器，用于依据光飞行系统的航行器、加工控制过程中的温度、压力、液体料位以及流量的测量。内置传感器用于测量旋转、加速度、应力、声学器具、压力以及振动。两种类别的传感器都有他们各自的优点和缺点。外置传感器的代表性特征是：
· 灵敏度较低
· 使用简单
· 更易多元化
· 适合用于进口/出口连接（进出光调节器）
内在传感器的特点：
· 灵敏度高
· 易受无关的外部信号干扰
· 因此“全光纤”可减少或消除外部传感器的感应区的连接器问题
· 通常依赖于更精细的信号检波系统
从商业角度来看，内置传感器将比外置传感器贵。但从另一方面来看，内置传感器更实用能适用于异常的安装现场。
在某一结构体中使用传感器的想法并不新鲜，但利用光纤传感器来显示测量细微之处是一种新想法。不管光纤传感器是什么类型，是外置的还是内置的，其运行原理都是相似的：环境信号或外部干扰沿着光纤运行，一旦遇到变得灵敏的区域就会调制光信号，改变其颜色、相位、强度或偏振性。测量光纤中出现的光，比较经过调制的信号和原始光区域就得出测量值。
感应原理。电磁波的基本描述明确地揭示了光纤传感器改变或调制的区域参数：
(1)
其中：
E(t) = 场域振幅
(=2 c/ ) = 频率
(t) =场域的时间变化相位
为探测和测量所需要的参数，传感器的设计必须允许其受外部激励能改变磁场表达式中的某一项。其中最常用的方法是只改变振幅（或强度），同改变一个强度调制的传感器一样。另一种技巧是以某种形式调制光的频率或波长，同改变频率或波长调制传感器（或简单的颜色传感器）一样。光场域相位的调制可能会更困难些，因为这一项位于余弦值中。因此在使用这种类型的传感器时，必须采用反余弦运算使整个相位角度（频率和相位）“合适”。一旦余弦值被“移去”了，就必须排除频率变量，只留下相位值，并从中推算出所需要的参数。这种技术要求采用某种频率跟踪的形式或频率“取消”技术，如用于外差应用。而另一种类型的调幅用于修改光场的偏振特征，并生产偏振传感器。
以振幅和强度为基础的传感器。大多工程师同时发现振幅和强度调制传感器最容易使用并/或进行开发，因为它不需要对光场进行频率追踪和/或相位追踪所要求的复杂性。更重要的是所需参数仅仅是调制光场的E(t)项，如方程式1. 有许多方法可达到这一点，从简单的光中断/反射开关传感器到微转换器件用于探测压力、温度或其它一些所需的参数。
频率和波长变化的传感器。另一种类型的传感器完全通过把所需参数的变化映射到光场的频率或波长的调制（改变）中来起作用。这种方案类似于FM对AM的收音机。FM和AM相比，提供了更大的信号变化（动态范围）和更好的信号逼真度，对振幅变化的灵敏度更小。然而从另一方面来看，它增加了接受器的复杂性，因为所需参数被“保持”在频率项中，并且在发送机器件上会出现更严厉的操作误差。
利用频率变化设备的事例之一是应力传感器，它改变了凹口过滤器的中心频率，通过这个过滤器宽带光场被传输出去。局部应力数据对设计用于监视结构的完整性和健康系统的成功运作至关重要。这些信息一般通过常规的电应变仪收集。虽然这些传感器相对便宜并且易于同所需参数设备组合，但它们不能用于长期（>1–2年）的监视操作，因为它们使用的电力线会逐渐损坏应力的结合能力。
应力也可用光纤传感器测量。光纤是完全绝缘的而且能提供将多路传感器合为单一光纤引线的相对简单的方法。光纤张力传感器的实验必须采用偏振计和干涉仪来改变光纤引线的光场，并且/或通过使用椭圆芯的光纤来改变强度。
过去几年里，已出现一种易于使用的光纤应力传感器，其已被广泛应用在各种设计中。被称为光纤Bragg光栅传感器(FBGS)或Bragg内芯光栅(BIG) 的这种设备，通过改变光纤（波长调制）中光场的颜色来进行操作。波长或颜色、调制绝大部分地已证明是更高级的参数解码配置，因为光源趋于改变（或冲掉）的颜色比其它参数（如强度、相位、偏振）慢得多。

图2. Bragg衍射光栅通过空间变化的高强度激光束照亮自己，可被写入单一模式的光纤核心中。这种光模式可通过使用全息光学排列或简单地通过光掩模产生。Bragg光栅从不同的角度分散不同的颜色（波长）。单模式的光纤仅允许一个精选的角度传播光，因此仅有有限的候选波长从这一角度通过。

从本质上来说，在FBGS中发生的是光核芯内折射指数的阶段性变化或调制，被高功率的激光器“写”入“核芯”中（见图 2.）这种操作最典型的要求是移动光纤涂层（如聚酰亚胺），把核芯暴露在非常亮的光场内，然后在光纤上重新涂上聚酰亚胺来恢复它的耐用性。通过至少4个因素中的一个，这一过程会减少光纤的内部构造力，但其结果能影响调谐的光过滤器。FBGS的调谐范围大约为400–2000 nm，1300 nm波段时其带宽为0.1 nm。这种设备首先用于氩离子激光器的外部调谐镜，后来用于半导体激光器的外部调谐，还用于应力和温度感测。
作为传感器功能来说，宽带光源必须和光栅光纤结合。FBGS 仅仅反射（或过滤出）光栅间隔相应的颜色。光纤受力后，光栅的间隔随之变化，使不同的颜色被反射出来。在1300nm范围内的典型的FBGS操作是~1 nm/1000 m的波长变化会引起相应的应力变化。1.55 mm的光栅的波长应力灵敏度为1.15 pm/µ应力，温度敏感度为1.3 pm/°C。

图3. 在这个外置的光纤压力传感器中，外部压力促使光弹性材料发生轻微变形。既而，变形又使光场的偏振状态发生变化。另一个偏光器（分析器）把偏振旋转转换为强度变化。最终的结果是输出强度的变化即代表了所施加的压力变化值。
偏振和相位调制的光纤感应。偏振感应可被认为是强度感应的一部分——这种传感器调节（旋转）光场的偏振状态并利用光分析器测定所感受光场的旋转量。对光排列类型的理解会导致光场旋转中所需参数的抽取，这种旋转本身通常反映了强度的变化。偏振调制的光纤传感器中的一个例子就是在该传感器中压力场扭曲（压缩）夹在两个偏光器之间的光弹性材料。当光弹性材料的压力增长时，场域旋转也增加，由此产生强度变化（见图3.）
这些压力传感器已经被安装于水电厂的水坝上，测定逆流水压对坝泄洪道产生的压力。目前，性能优良的偏振分析器系统都用于析取度量。
在相位调制感测中，所需参数改变光场的相位项。为获得有用的测量值，利用解调干涉仪的某种形式探测相位的变化，通过解调删去信号中的任何振幅和频率的变化。虽然这类传感器已被证明非常敏感和特殊，但各种优异的计划和设备已经被开发和论证。
References
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Next month: “Photonic and Optical Components Used in Fiber-Optic Sensors.”