（电路与系统专业论文）白光fp光纤传感器的研制.pdf

摘要 摘要 f a b r y p e r o t ( f p ) 光纤传感器是一种结构简单、成本低、测量精度高、 检测范围大的光纤传感器，易于产品化，有着广泛的应用前景。其中采用 宽光谱光源的白光干涉型f p 光纤传感器解决了传统f p 光纤传感器只能 进行相对测量的问题，被认为是一种最有发展前途的用于智能结构的灵巧 型传感器。本文的工作是依据白光干涉原理研制了一种低反射率、微腔长 的非本征f p 光纤传感器。 ( 1 ) 本文首先利用光干涉理论和白光干涉理论对光纤f p 腔的工作原理 和光纤f p 腔的应力应变效应进行了详细分析，建立了非本征f p 光纤传 感器的数学模型。在此基础上研究了通过干涉光波峰位置计算光纤f p 腔 腔长的方法并对光纤f p 腔内部损耗对干涉条纹可见度的影响进行了讨论 和分析。 ( 2 ) 对非本征光纤f p 腔的结构参数进行了详细的理论分析和计算，给 出了光纤f p 腔的具体结构参数。通过理论计算确定了光纤f p 腔端面的 反射率，并根据光源的特点设计了1 5g m 长的光纤f p 腔。 ( 3 ) 设计了用于制作微小光纤f p 腔的半自动光纤f p 腔调节台，详细 设计半自动光纤f - p 腔调节台的各个部件。对应用半自动光纤f p 腔调节 台进行非本征光纤f p 传感头制作的具体工艺进行了说明，完成了整个光 纤传感头的制作过程。为扩大f p 光纤传感头的工作范围，本文提出了用 光纤熔接机对非本征f p 光纤传感头标距进行标定的设计方案。 本文最后指出了非本征f - p 光纤传感器在制作方面需要改进的地方及 进一步研究的方向和措施。 关键词光纤传感器；f - p 腔；腔长；端面反射率；调节台：工艺 燕山人学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x t r i n s i cf a b r y p e r o t ( f p ) o p t i c a lf i b e rs e n s o rh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，h i g hm e a s u r ep r e c i s i o na n db r o a dm e a s u r e r a n g ea n ds oo n i tc o u l db ee a s yt op u ti n t o f u l lp r o d u c t i o na n dh a sal o to f p l a c e s t ou s e n l ew h i t e l i g h t i n t e r f e r o m e t r i cf p o p t i c a l f i b e rs e n s o rw i t h b r o a ds p e c t r u ml i g h ts o u r c es o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a l f i b e rf - ps e n s o rc a no n l ym e a s u r e sr e l a t i v e l y , t h e r e f o r et h i sk i n do fs e n s o ri s c o n s i d e r e da sad e l i c a t eo n ew i t hb r o a dd e v e l o p m e n tt h a tc a nb eu s e di ns m a r t s t r u c t u r e t h ew o r ko ft h i sp a p e ri st od e v e l o pal o w r e f l e c t i v i t ya n dt i n yf p c a v i t yl e n g t he x t r i n s i co p t i c a lf i b e r f ps e n s o ra c c o r d i n gt ot h ew h i t el i g h t i n f e r o m e t r i cp r i n c i p l e ( 1 ) t h eo p t i c a lf i b e rf - pc a v i t yw o r k i n gp r i n c i r l ea n dt h ee f f e c to f s t r a i n o no p t i c a lf i b e rf p c a v i t y a r ea n a l y s i s e di nd e t a i lu s i n gt h eh a t e f e r o m e t r i c p r i n c i p l ea n dw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t r i cp r i n c i p l e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f e x t r i n s i cf - po p t i c a lf i b e rs e n s o ri sd e d u c e d b a s e do nt h e s ep r i n c i p l e ，t h e o p t i c a lf i b e rf pc a v i t yl e n g t hi s c a l c u l a t e db yt h ep o s i t i o no fi n t e f e r o m e t r i c w a v ec r e s t ，a n dt h e nt h ei m p a c to fw a s t ei n o p t i c a lf i b e rf pc a v i t yo nt h e v i s i b i l k yo f i n t e r f e r o m e t r i cf r i n g ei sd i s c u s s e da n d a n a l ) 7 s i s e d ( 2 ) t h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r o fe x t r i n s i c o p t i c a l f i b e rf - p c a v i t y i s p a r t i c u l a r l ya n a l y s i s e da n d c a l c u l a t e di nt h e o r ya n dt h e ns t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f e x t r i n s i cf - po p t i c a lf i b e rc a v i t yi so f f e r e d t h er e f l e c t i v j t yo fs u r f a c e si n o p t i c a l f p c a v i t y i se n s u r e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , a n da15 1 x ml e n g t h o p t i c a lf i b e rf - pc a v i t yi sd e s i g n e da c c o r d i n g t ol i g h ts o u r c e st r a i t ( 3 ) t h es e m i a u t o m a t i ca d j u s t i n gd i s ko f o p t i c a lf i b e rf pc a v k y i sd e s i g n e d ， w h i c hi su s e dt om a n u f a c t u r et h et i n yo p t i c a lf i b e rf - pc a v i t y , a n de v e r y p a r to f t h ed e s ki si n v e s t i g a t e da tl a r g e t h em a n u f a c t u r a lt e c h n i c so ff - p o p t i c a lf i b e r t t a b s t r a c t s e n s o rh e a dw i t ht h es e m i a u t o m a t i ca d j u s t i n gd i s ko f o p t i c a lf m e rf - pc a v f i yi s i l l u m i n a t e da t l e n g t h ，a n d w h o l em a n u f a c t u r a l p r o c e s s o fs e n s o rh e a di s c o m p l e t e d f o rb r o a d e n i n g t h e w o r k i n gr a n g e o fs e n s o rh e a d t h ed e s i g n s c h e m eo f s c a l i n gt h el e n g t ho f f - po p t i c a lf i b e rs e n s o rb yf u s i o ns p l i c e ri s o f f e r e d a tt h ee n d ，t h ep l a c e sn e e di m p r o v i n gi nm a n u f a c t u r i n gt h ef - po p t i c a l f i b e rs e n s o ra r ep o i n t e do u ta n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na n ds t e p sa r e i n d i c a t e d k e y w o r d so p t i c a lf i b e rs e n s o r ；f pc a v i t y ；c a v i t yl e n g t h ；s u r f a c er e f l e c t i v i t y ； a d j u s t i n gd e s k ；t e c h n i c s i i l 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 传感器技术作为现代信息技术的重要内容，是2 1 世纪人们在发展高新 技术方面争夺的制高点之一。在国外，各发达国家都将传感器技术视为现 代高新技术发展的关键，从2 0 世纪8 0 年代起，日本就将传感器技术列为 优先发展的高新技术之首，美国等各西方国家也将此技术列为国家科技和 国防技术发展的重点内容。 我国在2 0 世纪8 0 年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展 的重点。从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这 些信息转换成可用信号的装置；从狭义上讲，传感器就是能将外界信息转 换成电信号的装置【2 j 。 光纤传感器是传感器家族中的一支新秀，它是以光波为载体、以光纤 为媒介的新型传感器。它利用光纤的许多物理特性，如双折射、偏振特性、 传播常数和衰减等会随着外界因素的变化而变化的特性来进行测量。 结合新型光学材料的物理特性，如透光性、声光效应、应力应变效应、 电致伸缩效应、法拉第磁光效应及其它材料的物理特性，制成种类繁多、 功能各异的光纤传感器。可用于测量温度【3 】、压力【4 j 、流量【5 】、位移 6 、振 动1 7 1 、转动璐1 、弯t 9 1 、液位”l 、速度、加速度、声场1 1 3 】、电流【1 4 】、 电压【1 5 】、磁场【1 6 】及辐射 1 7 】等上百种物理量，这些物理量分布在工业、农业、 科研、国防、建筑、环境、航天航海等不同的领域i l ”。如桥梁或大型建筑 结构安全监测系统中动态应变、温度、加速度等物理量【1 9 】；电力系统的 发电、输电、变电、配电等各个阶段必须进行的计量、控制、保护、监测 和维护等1 2 “。 随着科学技术的飞速发展，电子与通信产品向高精度、小型化发展， 对传感器提出了更高的要求【2 3 】。2 1 世纪是人类全面进入信息电子化的时 代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展。 1 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 光纤传感器 1 2 1 概述 光纤传感器是自7 0 年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技术而飞速 发展起来的新型传感器【2 4 i 。 与传统的传感器相比，其主要差别在二f ：传统的传感器是以应变一电量 为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时 受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、 易爆环境中容易引起事故等：而光纤传感器是以光信号为变换和传输的载 体，利用光纤传输信号。它具有许多独特的优点 2 5 l ： ( 1 ) 不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产 生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，使其特别适合于 电力系统： ( 2 ) 绝缘性能高。现在普遍使用的光纤是由石英玻璃制成的，是一种不 导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，很方便测量带高压 电设备的各种参数； ( 3 ) 防爆性能好，耐腐蚀。由于在光纤内部传输的是能量很小的光信息， 不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此，光纤传感器的安全性能 好，适合于有强腐蚀性对象的参数测量； ( 4 ) 导光性能好，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽 略不计，利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视其火焰的状态： ( 5 ) 可挠。光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器，用于测量特 殊对象及场合的参数； ( 6 ) 光纤传感器的载体是光，其频率数量级为1 0 1 4 h z ，从而使传感器频 带范围很宽，动态范围很大； ( 7 ) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤 传感网络： ( 8 1 成本低。 光纤传感器的优越性使其在军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 2 第1 章绪论 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔 的市场 2 6 2 8 1 。 现今，光纤传感器正处于发展阶段，人们在探索新的方法和新的结构。 同时，也存在着许多问题需要人们解决。本文就是对光纤传感器的制作进 行了研究。 1 2 2 光纤传感器的工作原理 当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振态、 波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等) 的作用会 直接或间接地发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得到作用在光纤 外面的物理量的大小，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。 光纤传感器的基本原理如图1 1 所示。 光纤一光波传播的媒质 。1 。 入射光波， _ 上一7 、出射光波 、 入射光波的特征参量： j二 ”振幅、相位、偏振态等、 ” 图1 1 光纤传感原理示意图 f i g 1 - 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f e 。p t i c a lf i b e rs e n s o r 1 2 3 光纤传感器的分类 光纤传感，包含对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所谓感 知，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如 强度( 功率) 、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化 即可“感知”外界信号的变化。这种感知实质上是外界信号对光纤中传播 的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光 3 燕山大学工学硕十学位论文 探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按照需要进行数据处理， 也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界 信号( 被测量) 如何调制光纤中的光波参量的调制技术( 或加载技术) 及如何 从已被调制的光波中提取外界信号( 被测量) 的解调技术( 或检测技术) 。 光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分 类。 从光纤作用角度可分为非功能型传感器和功能型传感器【2 9 ，3 0 】。非功能 型传感器中光纤仅起到传光的作用：而功能型传感器中光纤既起到传光的 作用又起到传感的作用。在目前开发的高精度、高分辨力及结构小型化的 传感器中多以功能型传感器为主。 从光信号调制方式角度分类，主要有光强调制型、偏振调制型和相位 调制型。其中光强调制型在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而多 应用在精度要求不太高的场合；而在对测量精度要求较高的场所则采用偏 振和相位调制型。随着科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及 小型化的要求越来越高。因此偏振调制型和相位调制型传感器是目前研究 和开发的主要对象。 1 3 光纤传感器的研究状况及发展趋势 自九十年代初以来，国内外许多研究机构都对白光干涉型f p 光纤传 感器进行了研究并取得了丰硕的成果。在1 9 9 0 2 0 0 2 年间，英国科学文摘 i n s p e c 上就发表了8 0 多篇关于光纤传感器的论文，1 9 9 8 2 0 0 2 年就有十 几篇；1 9 9 0 2 0 0 0 年问，美国发表了2 5 篇关于f p 光纤传感器的硕士或博 士论文；1 9 9 4 - 2 0 0 0 年间，国内也有十几篇相关的论文发表；加拿大的多 伦多大学，美国的德克萨斯大学、斯坦福大学，对测量温度、应变、压力 等物理量的光纤传感器进行了应用研究；英国、韩国、澳大利亚等一些国 家的研究机构以及国内的上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、重 庆大学也进行了相应的应用研究，但多数还处于实验室研究中，随着科学 技术的飞速发展，电子与通讯产品向高精度、小型化发展，对传感器提出 了更高的要求。 4 第1 苹绪论 当前光纤传感器的发展趋势为： ( 1 ) 全光纤小型化近年来使传感：头全由光纤构成且只用一根光纤已 成为发展趋势。全光纤传感头的体积t j x 3 l 】且工作可靠。目前光纤之间的熔 接损耗为0 1d b 左右，这样的损耗不影响传感头的正常工作。但目前光纤 之f 司的粘接技术及光纤端面抛光、镀膜等相关技术还有待迸一步研究。 ( 2 ) 多参量智能化它是指一个传感器可以同时测量多个参量，这样既 可减少测量装置的元件，又提高了测量精度，为此近年来多参量传感器的 研究备受关注，很有发展前途。 ( 3 ) 高精度实用化高精度传感器是科学技术发展的需要，实用是研究 的目的。光纤传感器在研究过程中各组成元件都线性理想化，与实际有一 定的差距。为此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实用阶段 的基础。 1 4 本文的主要研究内容 相对于传统的传感器件而言，光纤传感器的制作技术还很不完善，由 于制作工艺直接影响传感器的性能和重复性，因此本课题的主要工作是对 白光f p 光纤传感器进行制作方面的研究。研究工作主要从以下几个方面 开展： ( 1 ) 对基于白光干涉的f 。p 光纤传感器的原理进行研究； ( 2 ) 设计光纤f - p 腔的结构参数； ( 3 ) 研制f p 光纤传感头的制作设备； ( 4 ) 对f p 光纤传感头的制作方法进行研究。 5 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章基于白光干涉的f p 光纤传感器的原理 2 1 光的干涉 当两束或多束光波在空间叠加时，叠加区域内出现的稳定的强度重新 分布现象，叫光的干涉现象”】。光波是电磁波，可用麦克斯韦方程组来描 述。由于仅仅电场强度矢量e 引起人眼视觉效应，使照相底片感光，并使 各种光电器件反应，因此在研究光学问题时，通常只考虑e 并称之为光矢 量。由于在各向同性介质中e 的振动方向总是与光波的传播方向垂直，因 此光波呈现横波性。 光的干涉理论实质上是建立在电磁场的线性叠加原理上的，按线性叠 加原理，由几个不同的电磁波源在真空中一点上所产生的电场强度矢量为 e = 臣1 ) + e ( 2 ) + e ( 3 ) + ( 2 1 ) 式中e ( 。) ，e ( ：) ，e ( ，) 是不同波源在该点产生的电场强度矢量。 2 1 1 光干涉的基本理论 2 1 1 1 干涉条纹的强度分布理想的频率和初始相位角稳定的光波可用 式( 2 - 2 ) 和式( 2 3 ) 表示。 e = e 1e x p i ( k l ，一耐一) )( 2 2 ) e ( 2 1 = e 2e x p i ( k 2 ，一r o t 一吒) )( 2 - 3 ) 考虑角频率同为的两列线偏振平面波的叠加，即 e ( 】) + e ( 2 ) = e 1e x p i ( k 1 ，一c o t 一文) + e 2e x p i ( k 2 ，一r o t 一岛) ( 2 - 4 ) 式中，为场点的位置矢量；| ，( f _ 1 ，2 ) 为波矢量；4 和最分别为两列平面波 的初相位。 应用三角函数变换得 e = e ( 1 】+ 乓2 ) = a c o s ( o x 一占) ( 2 - 5 ) 式中 6 第2 章基于白光干涉的f - p 光纤传感器的原理 a 2 = d ? + d ：+ 2 a l a 2c o s ( * 1 6 2 ) ( 2 6 ) 6 ：a r c t a n a ，s - i n 6 立生兰罢拿 ( 2 7 ) 口1s l n o 【+ 口2s i n 0 2 式中口i ，a 2 分别为e ，e ( 2 ) 的振幅；4 为合成振幅。 由于场中任一点处的光强正比于该点上的电矢量振幅的平方，即 1 = i = 去坩蚓2 ( 2 8 ) 上 式中i 为坡印廷矢量的时间平均值；y 为波的传播速度；s 为介电常数。当 仅考虑，的相对值时，可以认为，= ej 2 ，因此，两单色平面波叠加后的光 强为 i = l e l 2 = e e + = ( 。，+ 日：) ) ( 臣。) + 臣：j ) + = i 1 f 2 + l 2 l2 + 2 e l e 2c o s 0 = 1 l + 1 2 + 2 ，1 厶c o s 0 ( 2 9 ) 式中日= t ，一k ：，+ ( 6 。一占：) = ，( 露、一j ：) + ( 氓一占：) ，2 i i c o s0 项称 为干涉项：0 项称为相位差。当( 曩一占：) 为常数时，两个波源是互相干的。 式( 2 9 ) 的最后一步是在假定e ，和e ，的振动方向相同的情况下得出 的。此项表示：依赖，的不同，使0 变化，因而使在空间产生周期性的 变化，这种变化就形成干涉条纹。显然，光强的极大值条件为： ，( k l k 2 ) + ( 6 1 6 2 ) = 2 m t r ， ( ，”2 0 ，1 ，2 ，)( 2 - 1 0 ) 光强的极小值条件为： ，( k l k 2 ) + ( 占1 6 2 ) = ( 2 m + 1 ) 石， ( m = 0 ，l ，2 ，)( 2 - 1 1 ) 如果初相位差( 6 一6 ，) 以无规则方式随机变化，两个波源就互不相干， 结果使c o s 0 的平均值为零，因而不发生干涉。这就是用两个独立的( 普通 的) 光源不能观察到干涉条纹的原因。 如果两列波为偏振波，则干涉项将取决于偏振状态。当偏振态互相正 交时，e ，e ，= 0 ，也同样无干涉条纹。，这不仅对线偏振波，而且对圆偏 振波以及椭圆偏振波及其分量也同样适用。 若，。= ，：= ，。，并且6 。= 6 ：，则在p 点的相位差0 = r - 体，一k 2 ) ，因而 p 点的光强为 7 燕山大学工学硕士学位论文 ，：4 ，0c o s 2 丛生掣( 2 _ 1 2 ) 可见p 点的光强由两光波到p 点的光程差决定。 2 1 1 2 干涉条纹的方向、间隔和空间频率在式( 2 1 0 ) 中，我们可以假定 p ，一5 2 户o ，则光强极大值形成的条件为 ，( 膏l j 2 ) = 2 m t r ， ( ， 一0 ，1 ，2 , - - - )( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 是垂直于矢量 = 积。一 ：) 的平面族方程式，即极大值的空间 分布，表明干涉条纹的方向垂直于丘，如图2 1 所示。 y 图2 - 1两同频平面波的干涉 f i g 2 - 1t h ei n t e r f e r e n c eo f t w ow a v e sw i t hs a m ef r e q u e n c y n n n g n n ，有1 | 。i = | | ：l = 2 石肛，所以k 是以露和丘2 为两边的等 腰三角形的底边。这样，极大值平面就平行于屯和以之间的内角平分线。 从第m 级极大值平面到坐标原点0 的距离是a 。= 2 m 衫h ，干涉级次为m 和m + l 的相邻平面间的距离是 e = a 。一a 。= 2 r r l k i = 2 1 r i k ，- k ：l ( 2 1 4 ) 由图2 1 可得 | j | = 2 1 k 枷差= 等s i l l 考( 2 - 1 5 ) 因此，干涉条纹的间距是 e = z 2 s i n ( y 2 ) 】( 2 1 6 ) r 至：量至王旦垄王鲨盟! ：垄茎生壁堡塑鉴堡 当y 很，j 、时，s i n yzy ，所以有 e ：兰 f 2 1 7 ) 式中y 是两相干光线之间的夹角，或两平面波阵面之间的夹角，叫相干光 束的会聚角。 由于式( 2 1 7 ) 与干涉仪的具体结构的几何参数无关，因此是一个普通 公式。干涉条纹的空间频率为 v ：! ：盟：噬i ：茎：上亿1 8 1 e2 z2 石aa 、7 2 1 1 3 干涉条纹的可见度干涉场中某一点p 附近的条纹的清晰程度可 用干涉条纹的可见度来度量，它的定义是： ；= 等老 p 柳 式中j 。和，一分别为p 点附近条纹强度的极大值和极小值。 由式( 2 - 9 ) 得 ；2 褊2 糌嘎， p z 。， 或 = 兰) ( 2 - 2 1 ) a + i 式中a = i e ，i2 1 e ：1 2 = 1 1 1 ：是两相干光波的强度比；巳= e 。l i e 1 是沿矢量 e 1 方向的单位矢量；p ：= e ：l i e ：l 是沿矢量f ：方向的单位矢量。 2 1 2 光干涉的基本条件 2 1 2 1 产生干涉的条件光的干涉，只有满足一定的条件才能发生，这 些条件为： 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 两叠加光波的频率相同； ( 2 ) 两叠加光波有相同的振动分量； ( 3 ) 两叠加光波的位相差恒定。 这是产生光波干涉的基本条件。满足这三个条件的光波称为相干光波， 相应的光源称为相干光源。但仅满足上述三个条件，不一定能观察到清晰 的干涉条纹，由式( 2 1 9 ) 所定义的干涉条纹可见度知，要想观察到清晰的 干涉条纹，一般还需满足补充条件：两叠加光波的光强不能相差过大。 2 1 - 2 2 影响干涉条纹可见度的因素由前面干涉条纹的可见度的定义及 式f 2 1 9 ) 矢h 当，。= o 时， = 1 ，可见度有最大值，条纹最清晰，这种情况称为完 全相干； 当，一= ，一时， = o ，条纹消失在背景光中，这是非相干情况； 一般0 i m m k 时，条纹的可见度0 1 ，称为部分相干。 条纹的可见度主要与以下几个因素有关。 ( 1 ) 光源的大小； ( 2 ) 光源的单色性； ( 3 ) 两相干光波的振幅比： ( 4 ) 两相干光的偏振状态； ( 5 ) 漫反射。 2 1 _ 3 白光干涉 2 1 3 1白光干涉现象 白光光源的辐射包含了整个光谱区域的光谱成 分，为连续光谱。发生干涉时，各波长将各自产生一组干涉条纹。当光程 差a = o ( 零级条纹处) 时，各波长的零级条纹完全重合，随着光程差及干涉 级数的增加，各条纹的干涉级数逐渐彼此错开，这种错开会使干涉条纹的 可见度逐渐下降，而到一定程度时，干涉条纹完全消失，如图2 2 所示。 光源的波长范围越宽，这种现象就越明显。 图2 - 3 所示为白光干涉光强变化的一般规律曲线，在零光程差位置( 零 级条纹处) 附近的条纹可见度最大，此处可以认为是最佳干涉位置。 1 0 第2 章基下白光干涉的f - p 光纤传感器的原理 光 光程差 图2 - 2 宽带光光强合成曲线示意图 f i g 2 - 2t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f b r o a d l i g h ti n t e n s i t yc o m p o u n d c h a r t 随级数的增加，干涉条纹的可见度迅速下降，直到条纹消失”】。显然 由白光光源产生的两束相干光波之间的允许光程差极小，基本上要在等光 程附近才能观察到干涉条纹，而且条纹也只有为数不多的几条。 光强。 l 删 l 图2 - 3 冉光干涉光强变化曲线 f i g 2 - 3t h ei n t e n s i r yc u r v eo f w h i t el i g h ti n t e r f e r e n c e 2 1 3 2白光干涉仪利用相干长度很短的光源的干涉仪可以扩展干涉仪 的测量范围。 这种技术既需要测量相位大小，又要测量条纹可见度。虽然这里采用 了白光干涉仪来表示这种技术，一般来说，它代表所有采用短相干长度光 源的干涉仪。当一个干涉仪由一个短相干长度光源照射时，干涉现象只有 在干涉仪中的光程差被补偿或平衡时才能出现。 采用白光方法，干涉仪的输出曲线是余弦曲线，并且该曲线的周期仅 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 与光程差有关，与光强无关。这是因为波长曲线的周期只与曲线极值点的 位置有关，而曲线的极值点的位置是不随光强的变化而变化的，当光程差 发生变化时，对应的输出余弦波长曲线的周期将发生变化，因此只要通过 测量波长曲线周期的改变量，即可获得对直的光程差的变化量，进而可以 求出相应的应变。 这时由于测量系统与光强无关，系统对光隔离和光强的稳定性的要求 大大降低，从而使整个系统的抗干扰能力：得到提高。 采用短相干长度的非平衡( 光程差大于相干长度) 传感干涉仪，如与另 一个参考干涉仪相连接，它的零光程差的位置是可以唯一确定的。这种技 术的基本要求是传感干涉仪的光程差大于光源的相干长度，为了得到干涉 条纹，则需将参考干涉仪的光程差与它调成一样大小，这样在传感干涉仪 中的光程差的变化可由参考干涉仪来跟踪测量。经过白光干涉仪后的光强 可表示为 r ，= 詈 4 + 4 7 ( t 。) c o s r 。+ 4 7 ( r 6 ) c o s ( d t 6 + 2 y ( r 。一z - b ) c o s ( r 。一t b ) + 2 y ( r 。+ ) c o s ( 0 ( t 。+ ) ( 2 - 2 2 ) 式中r 。和r b 分别为参考和传感干涉仪中两臂之间的光程差。 光源的相干时间r 。与相干度的关系为： y 0 ) = e x p ( 一卜i r 。) ( 2 2 3 ) 因此为了得到干涉条纹，必须满足下列条件中的一个 f 。，r 。一f 6 ，r 。+ f 6 r 。( 2 - 2 4 ) 2 2 f p 光纤传感器光调制原理 2 2 1相位调制型光纤传感器的工作原理 在光纤传感器中，将被测量的变化转为光程差的变化，从而使光波相 位发生变化的方法称为相位调制法。在实际测量中，可以通过检测相位的 1 2 第2 章基于白光干涉的f - p 光纤传感器的原理 变化来测量外界被测参量。 与其它调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的 检测灵敏度，对温度为1 0 6r a d m ，对压力为1 0 r a d m p a ，对应变( 轴向) 为1 1 4r a d m l t t m 。 如果信号检测系统可以检测a d 的相位移，那么，每米光纤的检测灵 敏度对温度为1 0 一8 ，对压力为1 0 _ 7p a ，对应力为1 0 _ 7 微应变。动态测 量范围大，且探头形式灵活多样，可适用于不同的测试环境，同时响应速 度也快。 常用的相位调制型光干涉仪有四种。 ( 1 1 马赫一曾德尔( m a t h z e h n d e r ) 干涉仪； ( 2 ) 麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 二1 = 涉仪： ( 3 ) 法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t ，简写为f - p ) 干涉仪； ( 4 ) 塞格奈克( s a g n a c ) 干涉仪。 图2 4 图2 7 为各种干涉仪的简要结构图。 此外还有利用相位关系检测的布拉格光栅( b r a g g g r a t i n g ) 型、模间干 涉型等。这些传感器各具特色，发展到今天已经取得了很多理论成果，形 成了进行深入研究和应用的基础。 图2 - 4 麦克尔逊干涉仪 f i g 2 - 4m i c h e l s o ni n t e r f e r o r n e t e r 反 射 镜 参考臂 图2 - 5 马赫曾德尔干涉仪 f i g 2 - 5m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 半反射镜 图2 - 6 法布里珀罗干涉仪 f i g 2 - 6f a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r 投 - - ) g 射 镜 图2 7 塞格奈克干涉仪 f i g 2 - 7s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 2 2 1 1 麦克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉型光纤传感器m i c h e l s o n 光纤传感器 的原理结构如图2 8 所示【3 4 】。 l 图2 8 麦克尔逊光纤传感器结构 f i g 2 - 8f i b e r - o p t i cs e n s o rs t r u c t u r eo f m i c h e l s o n 光源s 发出的光经分光镜b s 后分成两路，一路经反射镜m 。、透镜 l t 耦合进入光纤( 粘在被测面上) ，再由反射镜m 2 反射返回形成信号光；另 一路经透镜l 2 耦合进入光纤，再由反射镜m 3 返回形成参考光，两束光相 遇时发生干涉，干涉光的相位差为两束光的光程差。当被测表面变形时传 感光纤长度发生变化，则干涉光的相位差也发生变化。干涉光的光强也随 之发生变化。即干涉光光强的变化受被测i 酊应变的调制。干涉后的光信号 经光探测器变成电信号。根据光强的变化可知应变的大小。 1 4 第2 章基于自光干涉的f - p 光纤传感器的原理 这种传感器的特点：一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境 的影响小；二是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。使用时可放在被 测体的内部( 与两侧材料粘成一体) 形成智能材料 3 卯，也可放在被测体的外 部。 目前，m i c h e l s o n 光纤传感器最大测量范围达1 5 0 0 雌，最高分辨力达 2u 。这种传感器在制作时的难题是如何保证两束光的强度相等及如何保 证两个信道感受同一环境且不感受同一应变。 2 2 1 2 马赫一曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 光纤传感器m a c h - z e h n d e r 光纤传感 器与m i c h e l s o n 干涉仪结构相似l ”1 ，都是由信号光纤和参考光纤组成，如 图2 9 所示。 图2 - 9马赫增德光纤传感原理结构 f i g 2 - 9t h ep r i n c i p l es t r u c t u r eo f m a c h - z e h n d e r ss e n s o r 光源发出的光经光纤耦合器分两路至参考光纤和信号光纤中。信号光 纤中的光信号在传输过程中受被测信号调制成为信号光：参考光纤的光不 经过调制直接作为参考光。两束光再次相遇时发生干涉形成干涉光，此干 涉光经光电转换变为与被测信号成比例的电信号。马赫一曾德尔型与麦克尔 逊干涉仪不同点在于： ( 1 ) 信号光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其它环境中； ( 2 ) 光的发射与接收在传感器的两端，属双端操作。 这种传感器的最大测量范围为1 2 0 0 “，最高分辨力为2 雌。 研究结果表明这种应变传感器有两个缺点，其一是这种结构所用的光 纤较多，使用及安装都比较麻烦；其二是它需要一个参考光纤，而一般情 况下参考光纤不和测量光纤安放在同一位置，这就使得输入臂和输出臂不 对称，从而导致 9 1 4 量的不稳定、环境对：兵影响较大，限制了这种应变传感 器的应用。 1s 燕山人学上学硕士学位论文 2 2 1 3 法布里一珀罗( f a b r y - p e r o t 简写为f p ) 光纤传感器f p 光纤传感器 的特点是：采用单根光纤利用多光束干涉来检测应变。这样就避免了前两 种传感器所需双根光纤配对的问题，且比m i c h e l s o n 型更适合于低频应变 信号的测量。 f - p 光纤传感器的原理结构如图2 - 6 ( c ) 所示。典型的应用结构如图2 1 0 所示【3 9 3 9 1 ，常用f - p 腔的结构如图2 1 1 所示，其中的f - p 腔是由两根光纤 端面构成的空气腔，也称为非本征f p 干涉腔( e x t r i n s i cf pi n t e r f e r o m e t e r ， 可简写为e f p i ) 。 医圃 、f - p i 弪 习垄堑塑皇堡e = _ ( ：= i 堂堡塑墨 _ 图2 - 1 0f - p 光纤传感器的原理 f i g 2 - 1 0t h ep r i n c i p l eo f f - pf i b e rs e n s o r 当光纤中的光遇到光纤两个端面后分别产生两束反射光( 幅度分别为 i ，匠) ，这两束反射光相遇后产生干涉。当f p 腔腔长发生变化，两反射 光的相位差( 毋) 也随之变化，光电探测器接收到的光强为 k = e ? + 霹+ 2 e l e 2c o s ( a )( 2 - 2 5 ) 由于西= k n l ，则 了a4,：丝+竺+竺。竽(2-26)l 一一 西nk上 因此，光电探测器输出的电信号随应变的变化而变化。 葫署 q 三三兰= = 三三三杪一 _ jlk 应变传感耋兰三三三三三重三二二l 季 空芯光纤 - _ 2 2 1 4 布拉格( b r a g g ) 光栅型光纤传感器光纤b r a g g 光栅的研究与应用 是近年研究的热点1 4 3 , 4 4 。光纤b r a g g 光栅是在长度上应用特殊技术制作成 一般来说，除满足b r a g g 波长条件的入射光外的其它光波均被滤掉。 峨：九芦+ _ a a ) ( 2 - 2 8 ) a n 。n 。相对a a 的变化较小，所以通过测k 的变化可得被测应变量。 燕山大学工学硕士学位论文 与波长的解调。 v f 帆f ) ) ) 图2 - 1 3b r a g g 光栅测应变结构框图 f i g 2 1 3t h eb l o c kd i a g r a mo f f i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s o r 2 2 2 光纤f p 腔的工作原理 在上述的几种干涉结构中，以f p 干涉结构最为简单。它的主要优点 在于： ( o f 。p 干涉结构只用一根光纤就可以实现传感与传光两种功能，光路 体积小，调整较为方便： ( 2 ) f p 干涉结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因此若对腔体 合理设计，它的抗干扰能力要比其它干涉仪高； ( 3 ) f p 干涉结构测量时灵敏度高，简单的后续处理电路就可以满足测 试要求，所以整个系统调整简单，价格相对较低。 f p 干涉结构的主要特征为：光路中有近距离相对的两个平行反射端 面，当入射光进入f - p 腔后发生多次反射，透过腔体同一外侧面的多束光 由于满足相干条件便产生干涉【4 鲥。 如图2 1 4 所示，f p 腔是由平行放置的两块平板组成。入射光射入f p 腔后，在两平行板间进行多次反射，构成多条平行的透射光和反射光。下 面分析一下光纤f p 腔的工作原理。 设图2 1 4 中入射光的振幅为e ，频率为，初相为九；干涉腔的反射 面m l 在介质1 侧反射比为吖，介质2 侧反射比为r 。，= 一；反射面m 2 1 r 第2 章基于白光干涉的f - p 光纤传感器的原理 在介质2 侧反射比为 ，介质3 侧反射比为一，r 2 = 一；由介质1 到介质2 的透射比为t 。，由介质2 到介质1 的透射比为f i ，由介质2 到介质3 的透 射比为，。 图2 1 4 光射入f p 腔后的折射与反射 f i g 2 - 1 4t h e r e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no f t h ei n c i d e n tl i g h ti nf - pc a v i t y 由图2 1 4 可知，反射光中任何两束光的光程差或相位差是相同的，设 第一束反射光的初相为虫，任何两束相邻的反射光之间的相位差为毋，则 反射光合成振幅的复数形式为 e r =