毕业设计（论文）-基于偏芯结构的全光纤干涉型传感器研究.docx

目录第一章 绪论21.1引言21.2 光纤传感器的基本原理31.3干涉型光纤传感器介绍51.3.1 光纤的分类51.3.2 几种传统干涉型光纤传感器71.3.3 干涉型光纤传感器的国内外研究现状81.3.4 干涉型光纤传感器的主要特点和问题91.4本设计的主要研究内容10第二章 干涉型光纤传感器的基本理论102.1 几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理102.1.1 mach-zehnder(m-z)干涉仪的基本原理102.1.2光纤法布里-玻罗（f-p）干涉仪的基本原理142.1.3迈克尔逊光纤干涉仪的基本原理152.1.4 sagnac 光纤干涉仪的基本原理182.2 干涉型光纤传感器中的几种结构21第三章 基于单模锥结构级联偏芯实现温度折射率双参量测量的传感器253.1锥结构级联偏芯结构的工作原理253.2传感实验253.2.1 传感器的制作253.2.2 温度特性试验253.2.3 折射率特性试验253.3 本章小结25第四章基于单模锥结构级联双错位熔接实现温度折射率双参量测量的传感器254.1锥级联双错位熔接结构的工作原理254.2传感实验254.2.1 传感器的制作254.2.2 温度特性试验254.2.3 折射率特性试验254.3本章小结26第五章 总结与展望26参考文献26致 谢30第一章 绪论1.1引言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能， 径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还 能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。偏芯熔接是近年来较为常见的实现模间干涉的方法。在对芯熔接时，信号光会在纤芯内传播，当偏芯熔接时，一部分光会直接耦合进包层，另一部分光仍然在纤芯内传播，当这两部分光进过耦合器时会发生干涉，进而可以实现传感。错位熔接节（core-offset joint，简称coj）具有结构紧凑、稳固和方便制作等优点，并能有效地激发和耦合光纤传播模式，容易构建一个模间干涉的干涉仪。1.2 光纤传感器的基本原理光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。众所周知，描述光波特征的参量很多(如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等)，这些参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化.光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。图1是光纤传感器的结构原理图。图1-1 光纤传感器的结构原理图光纤传感器按其作用不同可分为两种类型:传光型和敏感型。传光型光纤传感器中的光纤只是作为传光介质，其光路中必须另加其他的传感元件；敏感型光纤传感器中的光纤不仅传光，而且会随外界因素作用使传光特性发生相应变化。光纤传感器按其检测方法不同主要又可分为两种类型：强度型和相位型，强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光波的光强关系来检测相关物理量的，通常采用多模光纤,结构相对简单可靠。相位型光纤传感器是利用传感对象和光纤中光波相位变化关系,通过干涉的方法测得相移，从而来检测相关物理量，通常采用单模光纤组成双光路，结构和技术相对复杂，但灵敏度较高。此外，还有光频率调制型和光偏振调制型等类型的光纤传感器。光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量3，具体内容如表1所示：表1 光纤传感器的分类和测量的物理量注：sm单模；mm多模；pm偏振保持； 1、2、3功能型、非功能型、拾光型物理型光纤传感器原理：光纤对环境变化十分敏感，物性型光纤传感器是运用了这一特性，把输入的物理量转变成调制光信号。光纤的光调制效应是其基本工作原理，例如压力、温度、磁场、电场等发生改变时，其传光特性（如光照强度与相位会发生变化），以上均是光纤所受外界环境因素。根据这些因素，若能测量出通过光纤的光照强度与光相位变化，即可知晓需测得的变化物理量。激光器的点光源光束扩散为平行波，分光器把光束分成两路，分别为基准光路、测量光路。当外界参数如压力、温度、振动等引起光纤长度与相位的光相位变化时，从而产生了数量不同的干涉条纹，对其模向移动进行统计，则可以测量到温度、压力等参数。结构型光纤传感器原理：结构型光纤传感器是光检测功能的光敏元件和光纤传输回路以及测量电路组成的测量系统。其光纤作为光的传播媒介，故又称为传光型（非功能）光纤传感器，如图1-2所示。 图1-2 结构型光纤传感器工作原理示意图图1-3 拾光型光纤传感器工作原理示意图拾光型光纤传感器原理：拾光型光纤传感器把光纤作为探头，目的是接收被测对象所辐射的光以及被其所散射或反射的光。辐射式光纤温度传感器、激光多普勒速度计等均是具有代表性的例子。如图1-3所示。1.3干涉型光纤传感器介绍1.3.1 光纤的分类 光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯（芯层）包层涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。其中涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。光纤结构图如1-4所示。图1-4光纤结构全反射是一种特殊的折射现象，当光线从一种介质1射向另一种介质2时,本来应该有一部分光进入介质2，称为折射光。另一部分光反射回介质1，称为反射光。但当介质1的折射率大于介质2的折射率，即光从光密介射向光疏介质时，折射角是大于入射角的，所以当增大入射角,折射角也增大，但折射角先增大到90度，此时折射光消失(入射角叫临界角)，只剩下反射光,称为全反射现象。产生全反射的条件是：1、须由光密介质射向光疏介质。2、入射角必须大于临界角(c)。光纤通信利用的就是全反射的道理，光纤在结构上有纤芯和包层两种不同的介质,光从中心传播时遇到光纤弯曲处，会发生全反射现象，而保证光线不会泄漏到光纤外。光在均匀透明的，即使是弯曲的玻璃棒的光滑内壁上，借助于接连不断地全反射，可以从一端传导到另一端。当棒的截面直径很小，甚至到数微米数量级，传导的效果也不变，这种导光的细玻璃丝称光学纤维，简称光纤。光在光纤传输过程中，主要有两种模式：传导模和辐射模。根据光波导原理，要想形成传导模，必须具备条件：kn2设计样品的结构，可以方便地获得样品的几何厚度d和光学厚度 l如图所示，用一片两面平行的薄玻璃片0.8mm 和一片厚玻璃片把待测样品夹在中间，组成夹片结构，用光纤跳接线作为测量臂光纤，其测量端面与薄玻璃片平行接触，只要操作小心，光纤跳接线的使用对光纤端面和样品表面都不会造成损伤8这样，在测量臂上至少形成三个与光纤跳接线测量端面平行的反射面 a-a面b-b面和c-c参考臂扫描镜扫描一次后在显示屏上将可以获得三个反射峰 2.1.4 sagnac 光纤干涉仪的基本原理 sagnac光纤干涉仪最典型的应用是光纤陀螺，由于其具有灵敏度高体、积小且无转动部分的优点，受到广泛的关注。在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过干涉效应进行检测，就是sagnac光纤干涉仪的基本原理。它的误差来源主要有五个。一闭锁效应；二是互易性和偏振态；三是偏置和相位调制；四是光子噪声；五是寄生效应。下面逐个对其进行介绍。一、 基本原理下图是sagnac光纤干涉仪的原理图。用一长为l的光纤，绕成半径为r的光纤圈。从激光器1发出的激光束由分束镜分成两束，分别从光纤两个端面输入，再从另一个端面输出。两输出光叠加后将产生干涉效应，此干涉光强由光电接收器2检测。图2-8 sagnac 光纤干涉仪示意图当环形光路相对于惯性空间有一转动时，（设垂直于环路平面），则对于顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差 （2-11）式中a:光路所包含面积; c:光在真空中的速度;。当环形光路是由n圈单模光纤组成时，对应顺，逆时针光程差为式中，是真空中的波长。二、 误差来源1） 闭锁效应由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学元件对光束的后向散射等原因，有源环形腔内正、反向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一样，即存在一个可能达到的最小频差x，一旦频差小于x，就将变为0.因此当输入转速小到一定程度时，有源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于完全相同。上述现象即为激光陀螺进入锁区，此区域内输入转速不被敏感。缩小锁区、消除锁区及采用各种偏频方法克服锁区的影响是激光陀螺最为关键的技术。2） 互易性和偏振态为精确测量，需使光路中沿相反方向行进的两束相干光，只有因转动引起的非互易相移，而所有其他因素引起的相移都应互易。这样所对应的相移才可抵消，一般是采取同光路、同模式、同偏振的三同措施。3） 偏置和相位调制干涉仪所探测到的光功率为式中，p0为输入的光功率；为待测的非互易引起的相位差。可见对于慢转动（即小），检测灵敏度很低。为此，必须对检测信号加一个相位差偏置，其偏置量介于pd的最大值和最小值之间。 4）光子噪声在sagnac光纤陀螺中，各种噪声甚多，大大影响了信噪比s/n，一次这是一个必须重视的问题，其中光子噪声属基本限制。噪声的大小与入射到探测器上的光功率有关。现按直流偏置计算其大小。在时间t内探测器上收到的平均光子数为 （2-12） 其标准偏差按泊松分布。故相位噪声的根均方值为 （2-13） 式中为接收器带宽。 5）寄生效应的影响（1）直接动态效应：作用与光线上的温度及机械应力，会引起光纤中传播常数和光线的尺寸变化，这在接收器上引起相位噪声。互易定理只适用于是不变系统，若扰动元对系统中点对称，则总效果相消。因此应尽量避免单一扰动元靠一端，并应注意光纤圈的绕制技术。(2)反射及rayleigh背向散射：由于光纤中产生的rayleigh背向散射，以及各端面的反射会在光纤中产生次级波, 它们与初级波会产生相干叠加，这将在接收器上产生噪声。下图为回路中主波和反射波示意图。 (3)faraday效应：在磁场中的光纤圈由于faraday效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易圆双折射（光震动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折射上。这影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大小为10/h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。（4）光kerr效应：光kerr效应是由广场引起的材料折射率变化。在单模光纤中这意味着导波的传播常数时光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线性材料，当正、反两列广播的功率差10nw时，就足以引起（对惯性导航）不可忽略的误差。2.2 干涉型光纤传感器中的几种结构 光纤陀螺 光纤陀螺分干涉型、谐振型和布里渊型，干涉型光纤陀螺是第一代，技术上已经趋于成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段；谐振型光纤陀螺是第二代，处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；布里渊型是第三代，尚处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件方案已经基本消失，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺以工艺简单，总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。 光纤陀螺主要由光源、探测器等有源器件和光纤耦合器、相位调制器等无源器件以及光纤组成。国外从1976年开始研究，到90年代中期已经有各种精度的光纤陀螺出售，率先在航天及军事领域获得应用，目前许多产品已经应用于民用飞机和汽车工业。国内在保偏光纤、耦合器、多功能集成光学调制器（y波导）等领域已经取得较大成果， 接近或达到国际先进水平。在光源方面还在研究，在实验室条件下超发射激光二极管能够满足要求，在工程应用还存在可靠性和温度特性等问题。限于半导体技术，目前国内主要研究集中在1300nm波段。国内和国外差距主要是在产品化上，技术不成熟，没有形成大规模生产能力；元器件的性能和生产能力有待提升。 西安飞秒光电研发主管米磊对光纤在线表 示：“我国已经量产千分之一精度的光纤陀螺，目前主要用于导弹等中低精度领域，用于机载的高精度光纤陀螺正在研发。航天时代集团光纤陀螺年销售额已经超过 2亿元，全国有不少企业在这个领域发展，主要集中在中精度领域。目前核心器件的相位调制器，主要由北京世维通公司生产，重庆44所也在生产，西安光机所也 在研发。光纤绕环一般是各家厂商自产，武汉长盈通公司专门做光纤绕环。led光源主要是武汉光迅，深圳飞康等厂商生产。” 可以预计，光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐渐取代传统的机电陀螺，未来在航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展潜力。 光纤水听器 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传 至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发 展潜力。 光纤水听器按原理可分为干涉型，强度型，光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。 光纤水听器研究始于上世纪70年代末美国海军实验室，各发达国家相继投入了大量人力物力做研究，取得了很多成果。在军事应用上，随着潜艇噪 声降低，电声纳探测灵敏度接近极限值，光纤水听器将大有用武之地。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在一些技术指标上达到国际水平，但主要处于理论 和实验阶段，实用化、工程化光纤水听器还未见报道。光纤光栅传感器 光纤光栅传感器尤其是光纤bragg光栅传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热点。传统光纤传感器绝大部分属于光强型和干涉型，光强型传感器存在光源不稳定，光纤损耗和探测器老化等问题，干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强相等需要固定参考点应用不便。以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器传感信号为波长调制以及复用能力强，避免了上述传统光纤传感器存在的问题。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中有广泛的应用。 光纤光栅传感器研究方向主要有：（1）对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；（2）开发低成本、小型化、可 靠且灵敏的探测技术系统研究；（3）实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，但在性能和功能方面需要提高。但可以说，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近。我国对光纤光栅传感器研究相对较晚，但已经有较大发展，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感器将有广阔的发展前景。 北京拓普光研的沈旷轶经理表示，光纤光栅传感器主要应用于油罐测温、土方测应力，电力设备测温等市场，处于小公司割据的状态，理工光科和品傲光电等公司做的相对较大。以拓普光研10年行业经验分析，今后35年光纤光栅传感器市场将是分行业、分地域的中小型公司占据。大型电信设备制造商目前兴趣主要在广电的宽带市场，暂时不会考虑进入这一领域。 光纤电流传感器 电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，不得不面临强大电流的测量问题。 在高电压、大电流和强功率的电力系统中，以电磁感应为基础的传统电流传感器（简称ct）暴露出一系列严重缺点：爆炸引起灾难性事故；大故障电流引起铁芯磁 饱和；铁芯共振效