光纖感測元件的散熱討論

第一部分：光纖感應介紹
該系列文章的五部分是關于光纖感應的基本內容、光纖傳感器的光電和光學器件、光電和光學器件的熱效應、光過濾器以及熱處理等問題的研究。
Peter Fuhr, San Jose State University
在光纖感應產業興起時，工程師們面臨著產品的設計不僅用于實驗室系統，而且可在該系統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技術，然后從細節上探討用在這些傳感器的主要元件的相關熱問題；最后，再比較為這些元件提供溫度穩定性的不同技術。
光纖感應介紹
光纖傳感器產業處于光纖通信產業和光電產業的交叉點，由此產生了壓縮型磁盤播放器、激光打印機及相關產品。通過利用為市場開發的元件，光纖傳感器比傳統電子和/或機電設備的基礎上的設備更具有某些優勢。其中許多優勢源自于這一事實，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。當建立于半導體光電探測器和激光二極管源基礎上的系統趨向于更小、更輕時，絕緣體對電磁干擾(EMI)的免疫力具有重大價值。光纖傳感器可在離強EMI源很近的地方（如動力發動機、電動機）或易于被雷擊的建筑（如橋、塔、飛機）。另外，一根像頭發絲一樣細的彈性光纖具有的幾何多功能性可以對惡劣環境進行隱蔽感測。

圖1.光纖傳感器可分為兩種要么為外置的，在其中光在實際感應的地點離開光纖；要么為內部的，當外部光纖互相干擾時，光仍保持在光纖中。


以能測量60多個參數的各種傳感器為例，光纖傳感器具有廣泛的應用[1-6] 。這類傳感器一般可分為外置的和內置的。外部光纖充當傳輸/接收光管，信號調制發生在光纖的外部；作為其本質而言，外在干擾直接影響光纖，接著調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”結構，其中已知的參數值進入調制區域并在其出現的地方有一些特征變化（通常是因為外在干擾或環境信號的影響）。內部傳感器是“全光纖傳感器”，用于測量光調制，這種調制是由光纖的波導控制外部干擾的臨界條件并引起局部變化產生的。
商業應用中的外置傳感器包括直線和有角的位置傳感器，用于依據光飛行系統的航行器、加工控制過程中的溫度、壓力、液體料位以及流量的測量。內置傳感器用于測量旋轉、加速度、應力、聲學器具、壓力以及振動。兩種類別的傳感器都有他們各自的優點和缺點。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
· 適合用于進口/出口連接（進出光調節器）
內在傳感器的特點：
· 靈敏度高
· 易受無關的外部信號干擾
· 因此“全光纖”可減少或消除外部傳感器的感應區的連接器問題
· 通常依賴于更精細的信號檢波系統
從商業角度來看，內置傳感器將比外置傳感器貴。但從另一方面來看，內置傳感器更實用能適用于異常的安裝現場。
在某一結構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，是外置的還是內置的，其運行原理都是相似的：環境信號或外部干擾沿著光纖運行，一旦遇到變得靈敏的區域就會調制光信號，改變其顏色、相位、強度或偏振性。測量光纖中出現的光，比較經過調制的信號和原始光區域就得出測量值。
感應原理。電磁波的基本描述明確地揭示了光纖傳感器改變或調制的區域參數：
(1)
其中：
E(t) = 場域振幅
(=2 c/ ) = 頻率
(t) =場域的時間變化相位
為探測和測量所需要的參數，傳感器的設計必須允許其受外部激勵能改變磁場表達式中的某一項。其中最常用的方法是只改變振幅（或強度），同改變一個強度調制的傳感器一樣。另一種技巧是以某種形式調制光的頻率或波長，同改變頻率或波長調制傳感器（或簡單的顏色傳感器）一樣。光場域相位的調制可能會更困難些，因為這一項位于余弦值中。因此在使用這種類型的傳感器時，必須采用反余弦運算使整個相位角度（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。這種技術要求采用某種頻率跟蹤的形式或頻率“取消”技術，如用于外差應用。而另一種類型的調幅用于修改光場的偏振特征，并生產偏振傳感器。
以振幅和強度為基礎的傳感器。大多工程師同時發現振幅和強度調制傳感器最容易使用并/或進行開發，因為它不需要對光場進行頻率追蹤和/或相位追蹤所要求的復雜性。更重要的是所需參數僅僅是調制光場的E(t)項，如方程式1. 有許多方法可達到這一點，從簡單的光中斷/反射開關傳感器到微轉換器件用于探測壓力、溫度或其它一些所需的參數。
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的變化映射到光場的頻率或波長的調制（改變）中來起作用。這種方案類似于FM對AM的收音機。FM和AM相比，提供了更大的信號變化（動態范圍）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雜性，因為所需參數被“保持”在頻率項中，并且在發送機器件上會出現更嚴厲的操作誤差。
利用頻率變化設備的事例之一是應力傳感器，它改變了凹口過濾器的中心頻率，通過這個過濾器寬帶光場被傳輸出去。局部應力數據對設計用于監視結構的完整性和健康系統的成功運作至關重要。這些信息一般通過常規的電應變儀收集。雖然這些傳感器相對便宜并且易于同所需參數設備組合，但它們不能用于長期（>1–2年）的監視操作，因為它們使用的電力線會逐漸損壞應力的結合能力。
應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驗必須采用偏振計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度。
過去幾年里，已出現一種易于使用的光纖應力傳感器，其已被廣泛應用在各種設計中。被稱為光纖Bragg光柵傳感器(FBGS)或Bragg內芯光柵(BIG) 的這種設備，通過改變光纖（波長調制）中光場的顏色來進行操作。波長或顏色、調制絕大部分地已證明是更高級的參數解碼配置，因為光源趨于改變（或沖掉）的顏色比其它參數（如強度、相位、偏振）慢得多。

圖2. Bragg衍射光柵通過空間變化的高強度激光束照亮自己，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排列或簡單地通過光掩模產生。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。

從本質上來說，在FBGS中發生的是光核芯內折射指數的階段性變化或調制，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光纖涂層（如聚酰亞胺），把核芯暴露在非常亮的光場內，然后在光纖上重新涂上聚酰亞胺來恢復它的耐用性。通過至少4個因素中的一個，這一過程會減少光纖的內部構造力，但其結果能影響調諧的光過濾器。FBGS的調諧范圍大約為400–2000 nm，1300 nm波段時其帶寬為0.1 nm。這種設備首先用于氬離子激光器的外部調諧鏡，后來用于半導體激光器的外部調諧，還用于應力和溫度感測。
作為傳感器功能來說，寬帶光源必須和光柵光纖結合。FBGS 僅僅反射（或過濾出）光柵間隔相應的顏色。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范圍內的典型的FBGS操作是~1 nm/1000 m的波長變化會引起相應的應力變化。1.55 mm的光柵的波長應力靈敏度為1.15 pm/µ應力，溫度敏感度為1.3 pm/°C。

圖3. 在這個外置的光纖壓力傳感器中，外部壓力促使光彈性材料發生輕微變形。既而，變形又使光場的偏振狀態發生變化。另一個偏光器（分析器）把偏振旋轉轉換為強度變化。最終的結果是輸出強度的變化即代表了所施加的壓力變化值。
偏振和相位調制的光纖感應。偏振感應可被認為是強度感應的一部分——這種傳感器調節（旋轉）光場的偏振狀態并利用光分析器測定所感受光場的旋轉量。對光排列類型的理解會導致光場旋轉中所需參數的抽取，這種旋轉本身通常反映了強度的變化。偏振調制的光纖傳感器中的一個例子就是在該傳感器中壓力場扭曲（壓縮）夾在兩個偏光器之間的光彈性材料。當光彈性材料的壓力增長時，場域旋轉也增加，由此產生強度變化（見圖3.）
這些壓力傳感器已經被安裝于水電廠的水壩上，測定逆流水壓對壩泄洪道產生的壓力。目前，性能優良的偏振分析器系統都用于析取度量。
在相位調制感測中，所需參數改變光場的相位項。為獲得有用的測量值，利用解調干涉儀的某種形式探測相位的變化，通過解調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，但各種優異的計劃和設備已經被開發和論證。
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Next month: “Photonic and Optical Components Used in Fiber-Optic Sensors.”