基于白光干涉的光纤传感技术

1、基于白光干涉的光纤传感技术基于白光干涉的光纤传感技术Page 2目录目录1.引言2.白光干涉式光纤传感器的优点3.用于光纤应变、温度传感测量的光程变量表征方法4.光纤白光干涉仪5.基于光纤白光干涉方法的应变、温度测量技术6.表观应变与温度补偿技术Page 31.引言引言应变温度光纤白光干涉技术M-Z干涉仪迈克尔逊干涉仪Page 4白光干涉测量使用低相干、宽谱带光源，同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。1975年提出原理1976年在光纤通信领域中实现了可能方案1983年首次报导其在传感技术中的应用1984年报导第一个完整的白光干涉技术位移传感系统1985-1989年，

2、白光干涉原理传感器广泛应用于研究压力、温度和应变测量Page 5利用低相干技术的光纤传感器，其最基本的结构如图所示：相对于传感干涉仪串接的第二个问询干涉仪对于获得干涉条纹信息来说是必须的，这个串接的结构将取决于处理干涉信号的方法，选用分光计还是第二干涉仪的结构，要取决于频谱分析还是相位分析。Page 6小结小结 自从1990年以后，光纤白光测量技术已经持续发展 白光干涉测量技术提供了更多的绝对测量的解决方案 近十余年来，白光干涉测量技术得到了较大发展 光纤白光干涉仪的另外一个优点就是可以容易的实现多路复用Page 72.白光干涉式光纤传感器的白光干涉式光纤传感器的优点优点光纤智能结构是指结构中

3、集成了光纤传感器的遥测系统。通过光纤传感器实现“应变”监测；在需要时，也可以进行“温度”的测量。通常与结构兼容，嵌于结构内部，以便进行监测；有时也将传感器黏附结构表面。简介Page 8Page 9由于白光干涉光纤应变传感器具有长度可灵活改变、柔韧性好和结构简单等特点，对于形变测量特别适合。一种典型的白光光纤应变传感器由右图给出。它由一段标准的单模光纤组成。L作为传感器的标称长度，应变测量时通过直接测量这段光纤的伸长L实现的。Page 10小结白光光纤传感器主要优点如下：小尺度；几何形状可变；本质安全；高灵敏度；抗电磁场干扰；与材料和结构兼容；制作安装方便；结构简单，低造价；易于多路复用；传感器

4、长度可变。Page 113.用于用于光纤传感光纤传感测量的光程变量表征测量的光程变量表征方法方法假设感兴趣的被测量是应变，但是测量任何应变都无法避免温度变化带来的干扰，所以必须同时测量温度变化。热膨胀、温度对光纤折射率的影响以及纯粹机械应变都将包含在被测量中。因而，温度补偿技术是一个重要组成部分。另外一个常常做的假设是，光纤传感应变测量的应变是纯粹的轴向应变。事实上，光纤本身所感知应变与基体结构应变相关，但不完全一致。我们将重点研究传输机制，即通过对沿光纤传播光波特性变化来对局域应变和温度值进行求解。Page 12标定过程：施加一个已知的温度和应变在基体结构上光纤因此产生相关参数（例如光程差）

5、的变化变化结果通过干涉解调单元（例如迈克尔逊干涉仪或M-Z干涉仪）的机械位移而解调得到系统参数在未知应变施加于基体结构上时，使系统以一个对应信号作为输出Page 13光纤芯折射率光纤传感器的标称长度Page 14Page 15Page 16Page 17Page 18用下标1来表示沿着光纤的z方向，2和3分别表示处于光纤横向截面内的两个正交的方向x和y，如下图所示：Page 19Page 20Page 21Page 22Page 234.光纤白光光纤白光干涉仪干涉仪单色或者长相干长度光源干涉仅能实现2弧度相位内光程差的测量，超过此范围，将对应一个周期性的输出信号干涉条纹信号中主干涉中央条纹的位

6、置可被精确判定白光干涉仪主要困难Page 24光纤迈克尔逊干涉仪结构：Page 25当两个光束之间光程差小于光源相干长度的时候，就会产生一个白光干涉图。当两光束的光程绝对相等时，光程精确匹配，干涉图中出现中央条纹，该中央条纹位于干涉图中心，具有振幅极大。部分相干传输函数，可以用描述光源光谱特性的自相关函数进行表示。对于LED光源，光谱分布可以用一个高斯函数进行描述，如下图：Page 26Page 27下表给出了典型的1300nm波长LED光源各参数值物理量中心波长光谱半宽（FWHM）相干长度光谱系数相对强度系数符号数值1310nm35nm49m2.80.37w/mPage 28Page 29P

7、age 30用上表中的数据替换上式中的常数。并设计耦合器的插入损耗=0.95和反射率R=91%，白光干涉图样如图所示。Page 31传感臂：光纤光程长S=2nL1参考臂：光程总和2nL2+2X调整扫描镜的位置，使传感臂和参考臂的光程可以发生匹配，也就是说满足2nL1=2nL2+2X。在该位置附近，出现与上图类似的白光干涉图纹。其中，零级条纹近似在干涉条纹的中央，具有最大的振幅，对应于两臂光程精确相等处。Page 32Page 335.基于光纤白光干涉方法基于光纤白光干涉方法的测量技术的测量技术用于实际测量中的光纤白光迈克尔逊干涉仪的组成与上图所示的结构相比存在一些差别。如下图所示，Page 34传感器两个端面上产生两个传感信号：一个信号来自于传感器前端面的部分反射。这部分反射光通过长度为L0的传感器。第二个光信号在传感器的后端面反射。当参考臂的反射器扫描时，两臂光程差发生匹配，白光干涉条纹出现。反射器前后两次获得白光干涉中心条纹的位置的差值（X=X2-X1）与传感器的长度相对应：X= X2-X1=nL0Page 35Page 365.1 应变测量Page 37