饕1精传感技术学报。第3期每吾·综述·](1～智能材料中的光纤传感检测技术关铁梁B3(电子部四十六研究所)智能材料中的传感技术与传统传感技术的重要区别在于传感系统不是处于自由空间而是嵌埋在复合材料之中．因此对传感系统性能的要求，除一般要考虑的灵敏度、动态范围、抗干扰能力等因紊外，在传感器的构形、工作方式、信号处理等方面都要考虑传感器本身与基质材料的兼容性和相互作用．至今工业自动化控制中曾出现和使用的传感器主要有机械类、电工类、微电子类、光电子类及有机和生化类等．这些传感器大多为分立型器件，无法与复合材料集成，并且需要另外的信号传输载体．而光导纤维具有感测和传输双重功能r”，具有直径细小、柔韧易弯曲、质量轻、传输带宽高、便于渡分及时分复用等优点．用光纤组成的干涉型光纤传感器，可测量温度、压力、速度、流量、位移、电磁场等多种物理量并具有极高的灵敏度．因此光纤已成为当前智能材料首选的信息传感及传输的理想载体，而班棼螳感董则成为蟹能越塑垫术基础·进入90年代，在复合材料中埋入光纤传感器是智能材料研究的主要课题，也是传感技术领域研究的一个热点。1检测技术传感器埋入复合材料这一特点，给传感器信号的检测方案带来影响．以往的外差检测技术已不适用，它要求干涉仪两臂的光频不同，这就需要在其中一个臂上使用频率调制器．但通常使用的LiBbO电光调制器或布喇格盒声光调制器无法和光纤一起置入复合材料中．近几年智能材料中光纤传感信号的检测技术在原有传感技术的基础上发展很快，下面介绍目前经常使用的检测方法及特点．1．1无源零差检测技术零差检测技术要求在传感器的两输出端附加／2的相位偏置，这样可以消除信号衰落并提高检测灵敏度．为避免有源调制的不便，有效的解决办法是使用4x4光纤耦合器．它可以提供90。相移，在实际方案中也可用3x3耦合器得到近似的结果]．两个光检测器来稿日期≈1994年7月25日传感技术学报接收到具有9o。相移的信号，消去直流分量后可写为一Ⅱ~OS△(1)一sin△(2)将两个量微分、相乘、相减再积分，可得到』(j，／df—d／df)出一一d(△)(3)上式给出了所求的信号△．上述运算可由电路方便地完成．12零差相位开关技术调制激光波长，使其在两个固定值之间转换．如果这两个波长使干涉仪输出的相位移为／2的奇数倍，则可以从输出中提取待测信号．对法布里一泊罗传感器(F—P)，所要求的波长移动为△：(2N+1)／2工(4)其中Ⅳ为整数，为传播常数，，．为传感器探测长度．对L<10mm．所需波长移动△正好落入单纵模激光二极管的调谐范围内，即l△l一0．2ilm．1．3准外差相位检测在半导体激光器中，由注入电流的变化可引起输出波长的变化，因此激光器可直接给出光相位调制．用周期为2／％的锯齿波注入半导体激光器，在锯齿渡上升部分．由于输入频率的变化，干涉仪将给出变化速率恒定的相位变化信号：[‰·／2]·t(5)其中‰是相位调制深度，如果锯齿波的峰值振幅正好调节为2，即‰=2，则有=此时在锯齿渡调制的线性上升部分，归一化信号将是具有角额率‰的正弦函数，锯齿波的回扫部分将在正弦信号上叠加一个频率更高的正弦峰值．用适当的带通滤渡器，可以去掉这个回扫峰，对一级近似来说，可得到载频为的相位调制信号．归一化后为1／1o—COS[Cot+](6)经过相敏检波器，可使待测信号再现．上述方法特别适用于单根单端光纤传感器，并可用于智能结构中大的应变渊量．1．4光谱编码和解码技术在智能材料光纤传感技术中．可以使用宽带光源(如LED)，通过光谱编码的方法来调制和解调待测信号．这个方法可对感生的相位变化进行绝对测量，而且对光源、光纤引线和耦合器引起的光强度变化不敏感．光谱编码的原理可这样解释：设光源的频谱为(u)，u是光渡效．光纤引线认为是透明介质，而干涉型光纤传感器被看作是具有响应函数R(o，x)的滤波器，是被测量，并有，)一1+cos[2~·P)](7)其中尸()是被测量引起的光程差变化．如使用宽带光源LED和F．P传感器，则后向反第3期关铁粱t智能材料中的光野传感检测控木射谱形成传感器输出信号，它是光源光谱和干涉仪响应函数的卷积，即，0，)一R(u，)S(u)(8)当F—P干涉仪自由光谱范围大于光源谱宽时，后向反射传感器信号为单峰值信号．而被测量感生的光谱移动可以从峰值移动测出，这一方法十分适用于F-P传感器．2应用研究把光纤传感器埋入复合材料目的是对材料工作载荷和损伤程度进行实时评估，这是当前世界各国应用研究的目标，研究重点在下述几方面．2．1检稠材料应变光纤