光纤Michelson白光干涉传感研究

光纤Michelson白光干涉传感研究西安石油大学本科毕业论文题目:光纤Michelson白光干涉传感研究学院：理学院专业：光信息科学与技术班级：光学1001班姓名：宁元波学号：201001040115指导教师：傅海威摘要：光纤传感器以抗电磁干扰能力强、耐高温、耐高压、抗化学腐蚀能力强、轻巧、灵敏度高、损耗低及易于实现分布传感等优势得到了广泛应用，传统光学干涉原理研制出的相位调制型光纤传感器，其突出的优点是灵敏度高，但却只能进行相对测量，即只能用作变化量的测量，而不能用于状态量的测量。而白光型迈克尔逊干涉仪克服了这一缺点，通过参考臂对信号臂的补偿作用，即可探测由待测物理量引起的光程的变化，从而得知待测量。本文对光纤白光干涉传感技术的研究现状和背景进行介绍，由于白光干涉技术因其具有的优点在越来越多的行业里得到了广泛的应用，所以白光干涉技术在以后很长时间会处于高速发展阶段。基于此，文章介绍了光纤白光干涉传感技术，尤其是光纤Michelson白光干涉传感器的原理，及它的各种优点。在此基础上，设计了几种不同光纤的迈克尔逊白光干涉传感器，本文中所用结构是迈克耳逊干涉仪的传感臂为单模光纤末端熔接一段5mm的多模光纤，而补偿臂为光纤微腔（单模光纤与多模光纤构成的），用该结构测量其折射率并对其进行试验研究。实验结果表明：液体折射率在1.333-1.402变化范围内，传感器灵敏度为100nm/RIU；温度在20-110℃变化范围内，传感器灵敏度为25pm/℃。关键字：Michelson白光干涉；白光干涉；折射率；光纤；温度 白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置，避免了干涉级次不确定的问题。而且白光干涉仪的一个主要优点就是可以容易地实现多路复用，因此光纤传感器的发展非常迅速[1-2]。在精密测量条件下，以激光波长为标准量的传统单模激光检测设备具有很高的相干性，测量精度可达纳米级至亚纳米级；受光学传递函数的周期影响，这类系统的单值动态范围一般很小。而当测量系统在重新启动时无法识别出干涉级的级数，只能进行相对测量。与此同时，该类系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，其结构复杂，且成本高。比较之下，其中的一些难题可被低相干光源的白光干涉仪解决，该系统不但对物理量能绝对测量，还能使传感器的动态范围得以扩大，同时提高分辨率。而且低相干光源与多模光纤价格便宜。在未来的航天、医疗、建筑、军事等领域，越来越需要灵巧、实时、准确的传感器，而光纤传感器就是如此。而且容易地实现多路复用是白光干涉仪的一个主要优点。随着时代的进步,光纤白光干涉传感技术会不断发展，该技术日趋完善的同时也发展了越来越多的应用。1.2国内外现状从光纤传感器作为新一代传感器迅速发展开始，现在几乎所有的物理参量都有与之相应的光纤传感器。1987年，Youngquist等[10]展示了一种光学相干域反射计的光学评估新技术，后来被简称为光学低相干反射计(OLCR)。在1985一1989年其间，基于白光干涉原理的传感器被广泛用于压力，温度和应变，折射率的测量研究中。1987年，TAKADA［5］等人首次提出光纤白光干涉技术，由于其成本低、精度高，广泛应用于光纤器件的色散、延时等参量的测量[7]。在信号处理方面，一些新方案的提出，提高了光纤白光干涉仪的性能。发展了高速机械扫描技术，扫描速度从21m/s而，提高到了176m/s。自从1880年发明干涉仪之后，Michelson干涉仪一直被用来测量微小的空间位移。而第一个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统是在1984年报道的。该工作显示出白光干涉测量技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理量的测量，并且具有很高的测量精度。1978年ButterandHocker［8］证明了光纤干涉法测量机械载荷对结构产生的应变，可以看作光纤结构传感领域最早的里程碑之一。1983年，BrianCulshaw课题组[9]首次报道了基于白光干涉原理在光纤传感中的应用，开启了光纤白光干涉传感技术的研究方向以其测量速度快、非接触和大范围等优势被广泛应用[3]。特别是在MEMS技术中，白光扫描干涉术已经成为了一种标准的测试方法。据由美国光学工程师学会(OSA)主办的一年一度的国际光纤传感会议(OFS)第15届会议统计,应力光纤传感器以28%的市场份额成为光纤传感器市场的领航者[6]。同样在1983年，英国曼彻斯特举行的欧洲传感器展览会上展出了用于压力、温度、速度测量的传感器，全光纤干涉仪以及适用于危险地区、电磁噪声恶劣的环境过程控制用的高分辨率长冲位移传感器。德国的西门子公司早在1980年便制成了高压光纤电流互感器的实验机样品。日本在20世纪80年代便制定了“光应用计划控制系统”的规划，该计划投资70亿美元旨在将光纤传感器应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息传输和生产过程的过程控制问题。20世纪90年代，由东芝、日本电器等15家公司和研究机构研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。近年来，伴随着光电技术、计算机技术和集成电路技术的发展、具有抗腐蚀、抗环境干扰、无电磁辐射、传输传感合一、无中继传输距离长等优点的光纤传感技术，在安防系统中得到了应用[4]。2005年天津大学精密仪器与光电子工程学院利用集成光学原理设计研制了迈克尔逊干涉芯片，并与光纤质量简谐振子、光源、光电探测器制成迈克尔逊干涉型加速度地震检波器，设计参数相位检测灵敏度为1.1*10-2rad/(m.s-2)，测试结果表明，在工作频带0-1065Hz内，振动与检波器输出信号吻合良好，达到设计要求。2007年5月，南京大学，用光纤白光干涉技术测量晶体的弹光系数，通过测量石英晶体在不同外力下折射率的变化情况，确定了晶体的弹光系数，石英晶体的弹光系数P33和P13分别为0.110和0.279，其准确度达到0.001。国外光纤传感器目前主要应用在以下几方面：1光纤传感器系统，其主要研究方向是水声，磁强计等。2.现代数字光线控制系统，如使用光纤译码的系统代替直升机驾驶员的控制等研究。3.光纤陀螺，这是目前进展最快，最好的领域之一，包括理论的研究，器件及模型，全袖珍结构的研究。4核辐射监控，主要内容是核弹实验中的等离子诊断及有关光纤对辐射灵敏度的研究，并为核污染区提供具有遥控性能的化学传感器。5飞机发动机监控，使用光纤将发动机的信息如温度，叶尖故障，叶尖振动，及油量等信息送到监控器上，从而对发动机进行监控。6民用研究计划，主要研究店里，公用事业等用的光纤传感器，实现对电流，磁场，温度等的监控。白光干涉方法以其结构简单和成本低廉等优点，近年来已被广泛应用到光学元件的色散测量中，Murphy等人最早将基于窗口傅里叶变换的白光干涉方法用于高色散材料的群折射率测量中［11］。随后，Reolon等人提出利用小波变换算法从干涉信号的小波脊中提取相位，进而得到材料的群折射率［12］。但是这两种方法均不能克服相位求导过程中引入的误差放大效应。最近，Kim等人提出将白光干涉仪和共焦扫描显微镜相结合来同时测量材料的群折射率和厚度，但是需要机械扫描来测试宽波段的色散，因而测量过程比较复杂［13］。随着生物化工产业的蓬勃发展,国内外科研学者越来越多地关注生化传器。在环境监测、临床检验、食品检测等众多领域中，新型生化探测技术成为重要的研究课题。作为反映液体本质的折射率，在生产实践中具有非常重要的地位。因此探究折射率检测方法有着重要的研究意义与价值。目前有很多关于折射率的测量方法，其一就是光纤传感技术,其具有灵敏度高、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、尺寸小和快速响应等特点。在折射率传感领域引起了人们的广泛兴趣，目前已广泛的研究基于光纤的各种折射率传感器。如各种基于光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、倾斜光纤布拉格光栅、光子晶体光纤和单模光纤(SMF)宏弯折射率传感器。但在折射率1.4以下液体，测量结果的灵敏度不是很理想。测量液体折射率的方法有全反射原理的阿贝折射法、分光计掠入射法，用干涉法测量液体折射率的有瑞利干涉仪法。本文介绍了用光纤迈克尔孙白光干涉测定液体折射率原理与方法。其结构主要由一段5mm多模光纤(MMF)与单模光纤组成,基本原理主要基于耦合模在多模光纤中形成的模场干涉。以上说明随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术日趋完善，同时也发展了越来越多的应用，因此值得研究。1.3光纤白光干涉传感技术在当今高新技术迅速发展的信息时代，获取工作机器和工作环境内准确而可靠的信息，已经成为做好一切工作的前提，而获得这些重要的信息，并利用这些信息去控制机器，以便于改善机器的性能和提高工作环境的质量，于是一种被称为传感器的装置就逐渐应用开来。在传感器中包含着两个必不可少的概念：一是采集信息，而是把采集到的信息进行变换，变换成一种与被测物理量有确定函数关系的而且便于传输和处理的物理量(一般为电量)，比如，利用温度传感器把温度转变为与被测温度有确定关系的电流或电阻的变化；利用化学传感器把被测液体中的pH值转换为电压的变化等。近二十多年来，随着科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术！微计算机技术！信息处理技术以及材料技术的发展，使得综合着各种先进技术的传感技术进入了一个前所未有的飞速发展阶段，并在国民经济的各个相关领域中的应用日益广泛。传感器作为信息采集和信息转换的重要部件是测量和控制系统的首要环节，这使传感技术成为测试计量和工业自动化！智能化的关键技术。传感技术的新发展和广泛应用，有力地促进了军事，航空，工业，农业，环保以及民用电器等技术水平的提高。用于洲际导弹惯性制导的加速度传感器的精度可达万分之一，使之可以准确地测出所需的坐标位置；空对空导弹的前端的红外探测传感器可以灵敏地跟踪敌机；利用光注入电荷耦合传感器和计算机可以使巡航导弹按设定路线找到攻击目标。在工业中，现代化的大型化工厂的集中管理，装配生产线的运行都需要在各种环节上安装传感器以实现自动化管理与控制。目前在装配线上工作的机器人多半是从事焊接及喷漆类的简单操作，如果增加视觉及触觉传感器就可以使目前的机器人变成具有判断能力的智能机器人，能在多样化的柔性生产系统中灵活地进行作业；汽车工业的发展也将需要更多的传感器，例如测震传感器,探测前后方向障碍物的传感器等。白光干涉测量也称为低相干测量方法，在经典的玻璃光学中已有详尽阐述。同所有的干涉原理一样，光纤白光干涉测量技术的光程改变可以通过干涉条纹来进行分析。这类方法的特点是，它不但具有高的测量分辨率，而且可绝对测量物理量，同时具有宽测量范围。1984年，报道了第一个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统，其显示出白光干涉测量技术的优点,即可以测量可以转换成绝对位移的物理量，并且测量精度很高。在随后的五年里，压力温度和应变的测量中，以白光干涉原理的传感器被大量使用。光相位调制型光纤传感器即干涉型光纤传感器，其原理是：通过被测物理量的作用，使光纤内的光发生相位变化，接着用干涉测量技术把相位变化转化为光强变化，从而检测出待测物理量。光纤中的光相位由传播常数、折射率及其分布、波导几何尺寸所决定，可以表示为k0、n、L，其中k0为光在真空中的波数；n为传播路径上的折射率；L为传输路径的长度。一般来说，折射率、温度等外界物理量能使上述参数直接改变，进而传输光相位发生变化，实现相位调制。但是由于光的频率非常高，目前没有具有这样高的响应速度的各类光探测器，所以不能直接探测光的相位变化，因此用干涉测量技术，可以将光纤中传输的光的相位变化检测出来。光纤传感技术中最基本的传感技术是相位调制型传感技术。因为这种检测技术是以波长为度量单位，所以其最灵敏，可测量到的最小相位变化的精度为。例如，对于波长为1550nm的光，波相位变化所对应的光程差为：接近一个原子核的大小。因此高精度的长度检测要用相位调制传感技术光纤是利用光的全反射原理来引导光波的。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、波长等）会由于被测参量（如温度、压力、加速度、电场、磁场等）对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。在光纤中传输的光波可用如下方程描述：式中，E0为光波的振幅、ω为圆频率、Ψ为初相角。式包含五个参数，即强度E0、频率ω、波长λ0=QUOTE（c为光速）、相位（QUOTE）和偏振态，在被测量的敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的相位，那么就叫做相位调制型光纤传感器，其他诸如强度调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、波长（颜色）调制光纤传感器依次类推。其中的相位调制光纤传感器因其灵敏度高，便于实现全光纤传感等优点而在近年来得到了深入的研究。总之，现代科学技术的进步促进了传感技术的发展，同样，传感技术的发展也促使相关领域的技术得到发展。1.4论文主要内容本论文的主要内容是光纤迈克耳逊白光干涉传感研究，在阅读了许多国内外文献后，对能光纤迈克耳逊白光干涉传感做了详细的介绍，根据实验室的条件做了相关实验，设计了几种不同光纤的迈克耳逊传感器。第一章首先介绍了光纤白光干涉目前的一些研究现状和各自的特点，然后着重介绍了对白光干涉应用于折射率的研究现状。第二章首先介绍了光的干涉条件和光纤白光干涉传感技术，下来介绍了传统迈克耳逊干涉基本结构原理，重点介绍了光纤Michelson白光干涉原理。第三章首先介绍了传感器的主要制作，首先简单介绍了光纤的分类，然后介绍了光纤传感器，即介绍了光纤耦合器，光纤的切割与光纤的熔接，尤其是对光纤的切割和熔接作了详细的介绍。第四章根据设计的传感器方案，进行实验，主要作了折射率响应实验及其实验过程和结果分析，同时还作了温度响应试验研究及其实验过程和结果分析。第五章论文总结。光纤Michelson白光干涉原理当我们在阳光下洗衣服时,盆里的肥皂或洗衣粉泡上会出现各种彩色花纹,并且随泡的大小变化,花纹的形状和颜色也不断的变化；还有炎热的夏天，雨过天晴，柏油路的积水面上浮着一层油膜会呈现出五颜六色；用手把两片无色透明的玻璃片捏在一起,阳光下也能看到彩色花纹。以上现象的产生，是因为光产生了干涉现象。本章在介绍光的干涉条件的基础上，主要说明光纤Michelson白光干涉原理。2.1光的干涉条件当满足一定的条件,才会发生光的干涉现象，我们把这些条件称之为相干条件，若光发生干涉现象,必须具备以下的相干条件为：(1)两叠加光波的振动分量必须相同，两束光相遇时，其振动方向大致要相同，并且振幅也要相差比较小，否则的话,在干涉条纹中，明暗条纹的对比度太小，很难观察到清晰的干涉现象。(2)两波相干的基本条件一两叠加的光波的频率必须相同。(3)两叠加光波必须具有恒定的相位差,相位差的稳定时间至少要等于观察时间，只有这样才能被观察到干涉现象。凡是满足以上三个相干条件的光波,我们称之为相干光波,相对应的光源称为相干光源。但是，如果仅仅满足上述的三个条件，还不一定能够观察到清晰的条纹，想要得到比较清晰的干涉条纹，还需要一个补充条件:两束叠加光波的光强也有一定的要求，就是光强不能相差过大。2.2光纤传感原理及分类应用光纤传感原理光纤传感技术是20世纪70年代中期伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界待测信号的新型传感技术。光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来检测。量度它所受到环境的变化通过被测物理量的变化来调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测物理量的变化而改变，从而求得被测信号的大小。根据调制区域与光纤的关系，可将调制分为两大类：一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。同光源耦合的发射光纤与同光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称为全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区域在光纤之外，外界信号通过。外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用,称为传光光纤。不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称为传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器，相位调制光纤传感器，频率调制光纤传感器，偏振调制光纤传感器和波长(颜色)调制光纤传感器。光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器，光纤位移传感器，光纤浓度传感器，光纤电流传感器，光纤流速传感器等。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径通常为5-10QUOTEm，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式的传输。一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。为了获得适宜的灵敏度，可将普通光纤“增敏”或者“去敏”，为满足特殊需求还专门研制了保偏光纤！低双折射光纤，高双折射光纤等。光纤传感器进行物理量的测量具有以下优点。1、适用范围广。光纤传感器是用光纤作为光波载体来探测被测量的，因而能在质量差的环境下工作，如强磁场，强电场，高温，高压，强腐蚀性等传统传感器难以胜任的地方。因其具有适用范围广的优点。2、灵活性。由于光纤及其细，可塑性好，可以做成各种形状的探测器，以适应各种不同的应用场合。所以其灵活性非常好。3、灵敏度高。光纤传感器技术在许多物理量的测量中表现出极高的灵敏度，尤其是干涉型光纤传感器在当今是最灵敏的一种探测技术。用于位移测量的光纤传感器，其灵敏度可达10-9的数量级。4、可实现远距离测量。光纤传感器用光纤作为传输介质，光纤具有很好的传导性能，其具有很小的光波损耗，使远距离传输成为现实。本文设计的测量装置中，采用了一根5mm的石英多模光纤作为传感介质。光纤传感应用光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通讯拥有一个广阔的市场，能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。光纤传感技术由于相对于传统传感技术有着多方面的优势，从而在各个领域得到普遍的应用。下面就列出几个它的主要应用领域[3]，并加以简单说明。过程控制用的物理传感器和化学传感器许多工厂的电磁环境和周围空气中含有的物质，如重金属，化学物！燃化油蒸汽等，都不利于常规电传感器和仪器的操作。因此，对高可靠性和安全性的非导电传感器的需求很强烈。由于独特的电绝缘性，赋予光纤传感器的抗电磁干扰能力，还有其在易燃易爆场合的本征安全性，以及快速响应和对腐蚀液体的抗拒性，使得光纤传感器得到了很好的发展。在工矿企业中，光纤传感器主要用于检测温度，位移，压力，液位，加速度和流量等参数，也可用于爆炸性和可燃性油气泄漏等场合。在过程控制中使用的，目前绝大部分是外在式(非本征)的光纤传感器。典型的应用有:开一关型传感器，温度传感器，机械传感器(检测压力，位移量等)，化学传感器(检测液泄漏气体等)。化学，生物化学和医用传感器在这个测量应用领域中，使用的基本换能手段大部分都可以归结在常规的化学测量传感方法的范畴内。由光激发的原子或分子的各种可能态之间的跃迁具有相当明确的特征，可以给出与该分子与周围介质耦合关系有关的丰富信息。因此，与化学结构相关的信息，可以通过对光吸收系数，荧光和拉曼光谱或斯托克斯频移光的测量来获取。化学反应的测定，通常可借助比色试剂或指示剂观察某一反应产物，从而对直接参与反应的各类物质进行光测量来完成。由于光纤的应用，使得远程测量成为可能。首先，低损耗的光纤能使光在光纤内传播几公里远而不需要任何中继放大，这样，光源和分析仪器可以放置在与样品保持相当距离的清洁环境中，无需前往现场取样即可获得检测信号；其次，光纤探头相当小，可以安置在其他类型的探头难以到达的测定点处，同时细小的探头也使试剂!原料的消耗更少。目前，这类传感器的主要应用有：气体分光仪，折射率和液位传感器，浊度(或散射)的测量，pH值传感器，血氧测定计，C02传感器，葡萄糖分传感器，医用物理传感器等。光纤传感器在航空和航海中的应用航空工业是光纤传感器最有潜力的用户之一，这主要是因为光纤传感器具有重量轻，以及相应的传导线具有抗辐射特性的有点。光纤通讯在飞机上的应用就充分表明了这一点，由于相邻光纤之间绝对无串话干扰，所以，整个布线就非常简单。但是，由于航空工业在接受新型仪器系统方面向来很保守，所以光纤传感器的广泛应用还需要相当长的时间。不过，环形激光陀螺仪作为导航仪的使用，已表明了光学仪器在航空工业应用的开端。光纤在航海工业的应用潜力主要在军事方面，而大多为海底应用，但光纤在航海安全方面的应用也在增加，其中最大的应用潜力大概是在烃的勘探和运输方面，比如，有的勘探平台已安装了可燃气体传感器，使用相当成功。在航空和航海这两个领域，光纤传感器的主要应用有：航空方面；光纤惯性传感器（光纤陀螺仪），监测控制表面位置的位移传感器，用于碳素纤维复合材料制作性能监测的植入式光纤传感器，燃烧式涡轮发动机的先进检测；航海方面：水听器（尤其是后托式多元阵列），地磁仪。光纤传感器的其他应用除了以上介绍的三个主要应用领域外，光纤传感器还有几个比较重要的应用，如安全保险系统，结构检测等领域。总之，光纤传感器已经深入到很多的行业领域，发挥着日益重要的作用，给人们的工作和生活带来了很大的便利。2.3传统迈克耳逊干涉迈克耳逊干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。如2-1图迈克耳逊干涉结构图。图2-1迈克耳逊干涉结构图若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。G1是一面镀上半透半反膜，G2为补偿板(未画出)，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和精密丝相连，使其可以向前后移动，M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M2和M2’(未画，M2移动一定距离后)严格平行时，M2会移动，表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M2’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离d与条纹移动数N的关系满足，λ为入射波波长。而经M2反射的光三次穿过G1分光板，而经M1反射的光通过G1分光板只一次。G2补偿板的设置是为了消除这种不对称。在使用复色光源时，由于玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可或缺的。如果要观察到白光干涉条纹，则两相干光的光程差要非常小，此时就可看到彩色条纹。2.4光纤Michelson白光干涉测量系统的光路结构如2-2图所示，由一个光纤迈克尔逊干涉仪构成。该干涉仪中，由一个的3dB耦合器和光纤组成,光纤连接在耦合器上组成参考臂和信号臂,耦合器对光进行了分路和合路，干涉仪的光程差通过液体浓度来改变。当二个光束之间光程差小于光源相干长度的时候，就会产生白光干涉图。当两光束的光程绝对相等时，光程精确匹配，干涉图出现中央条纹，该中央条纹位于干涉图中心，具有振幅极大，可精确测量物理量。光纤白光干涉技术作为一种有效的方法可以对温度导致的光程变化进行测量。光纤干涉主要是通过对光进行先“分流”再“汇流”(耦合器)，使不同光路中光所走的光程差不同，光场相位不一样，从而在“汇流”处叠加时产生干涉相长或干涉相消。而光纤干涉传感，主要是由于被测物理量变化会引起光场变化(强度、相位)进而导致汇流处光波相长或相消，最终导致干涉条纹变化。反过来根据干涉条纹的变化就可以探测出被测物理量。光纤干涉式传感器根据其引入光路差异的方式主要有四种：光纤马赫曾德干涉(MZI)传感器、光纤珐珀干涉(FPI)传感器、光纤迈克尔逊传感器和光纤萨格纳克干涉传感器，但是在本论文中我们只涉及一种，即光纤迈克尔逊传感器。图2-2光纤Michelson白光干涉测温原理当光纤温度变化QUOTE时，由于热胀冷缩而引起光纤信号臂长度发生变化，温度变化又引起光纤折射率以及光纤横断面的尺寸发生变化，使经过该光纤的光的光程发生变化，进而干涉信号相位将变化QUOTE，导致干涉峰值的位置改变。通过调整步进电机(本论文中是调整光纤微腔长度)找到干涉峰值，使信号臂的长度变化了QUOTE，从而可进行温度测量。由于光纤横断面的尺寸变化非常微小可以忽略，这样就可得到光程改变量：（2-1）对上式求微分有QUOTE（2-2）其中QUOTEQUOTE（2-3）代入上式QUOTE（2-4）即QUOTE（2-5）因为石英的热膨胀系数极小（约5.5×10-7/oC），长度随温度变化量是微不足道的。感知温度引起的光程变化主要取决于式（2-5）前项，可见折射率的变化在这里其主要作用。单光纤的长度与测温装置的灵敏度密切相关，可根据所要求的灵敏度ΔT来确定传感光纤的长度。2.5白光干涉型传感器的优点绝对测量—可测绝对光程。强抗干扰—系统抗干扰能力强，系统分辨率与光源波长稳定性、光源功率波动光纤的扰动等因素无关；测量精度仅由干涉条纹中心位置决定。白光与激光光源相比，以白光为代表的宽光谱光源具有短相干长度的特点，使只有在光程差极小的情况下两光束才能发生干涉，因此避免了干扰条纹的产生。与此同时，白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置，不出现干涉级次不确定的问题。而且白光干涉仪的一个主要优点就是多路复用，其传感信息可以远距离测量,且能实现多路复用或准分布式测量。多段传感光纤连在一条或多条光纤总线上，只需要扫描一个干涉仪就可以对全部传感器进行调解，所需信号处理比较简单。光源，干涉仪及处理电路等可以放在离传感区域很远的地方，两者通过传输光纤相连，且测试性能不受传输光纤长度等变化的影响。作为传感光纤，其长度可以从几十微米到几十公里变换，根据具体的应用情况选择相应的长度。尺寸短的应变传感器主要应用于材料的局域应变状态的测量，且应该放置在高应变临界点处。而对于大型结构，如悬拉桥，需要空间的稳定性，对于变形的测量非常重要，而且要求传感器的长度应具有米量级或更大。光纤Michelson干涉仪系统是众多干涉仪的一类，因为其参考臂与信号臂可以分开间隔很远，所以测量比较方便，用途很广泛。当然,光纤Michelson干涉仪系统还有别的用途，这有待于进一步研究、开发。综上，白光干涉型传感器的优点：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，传感器长度可变。传感器的制作“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”，这就是传感器的概念。传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。尤其是对于自动化系统和信息系统，传感器更是关键性基础器件，其技术水平直接影响到自动化系统与信息系统的水平。在信息社会中，为推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许多非电量信息，如压力、流量、速度、温度、湿度、以及生物体成分等等。本章是在学习了光纤Michelson白光干涉原理后，根据毕业设计要求设计几种不同光纤的传感器，为毕业设计实验部分做准备。其中涉及到光纤种类，及制作过程中所使用的工具和实验仪器。3.1光纤结构种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3-1-1所示。图3-1-1光纤结构光纤种类光纤种类石英系列光纤(以SiO2为主要材料)多组分光纤(材料有由多组成分组成)液芯光纤(纤芯呈液态)塑料光纤(以塑料为材料)突变型光纤(GIF)阶跃型光纤（SIF）W型光纤按光纤纤芯折射率分按光纤传输模式分多模光纤（MMF）单模光纤（SMF）按组成材料分按组成材料分按组成材料分 3.2单模光纤的传输原理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<<kn1，其中n1，n2分别是纤芯和包层的折射率，是光在纤芯中的传播常数假设光信号被束缚在纤芯中，并且沿光纤轴向无衰减地传播，则须满足包层中的相速度大于纤芯中光的相速度。如果激励源，光纤本身形状，缺陷等因素使传导模的条件不能成立时，光信号便会形成在包层中衰减传播的辐射模。在光纤中光的传播规律符合麦克斯韦方程，通过求解方程，传导模和辐射模都可以精确地用贝塞耳函数和汉克尔函数表示，但是这种方法分析起来复杂，计算比较繁琐。因此，常被用来计算光波的模式的方法有以下几种：微扰法、变分法、幂级数展开法等近似方法。由于单模光纤的优点，所以，我们传输光时通常使用单模光纤。高斯近似法常被用来描述单模光纤的传播模式。3.3光纤耦合器光纤耦合器的原理是基于光纤的消逝场耦合的模式理论，在耦合段光纤的包层合并成同一个包层，光纤的纤芯相互靠近，通常用耦合器的分光比来表示。于是根据实际需要可以改变分光比来制作想要的耦合器。耦合器的功能就是把一个输入的光信号分配给多个输出，或者把多个输入光信号分配给一个输出。它是最基本的光无源器件，具有体积小、插入损耗小、便于操作等优点，在光纤通信中被广泛使用。按照耦合器的类型可以分为四种：T型耦合器，例如的三端耦合器，其功能是把一端的信号按照一定的比例分给两个端口；星型耦合器，例如耦合器，它的功能是把n个信号组合在一起分配给m个端口；定向耦合器，例如的三端或者四端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的信号；波分复用器，它与波长有关，它的功能是把多个不同波长的光组合在一起输入到同一根光纤中去，相反的是解复用器。3.4使用工具光纤的切割机图3-4-1光纤的切割机使用方法：光纤切割刀用于切割头发一样细的光纤，切出来的光纤用几百倍的放大镜可以看出来是平的，切后且平的两根光纤才可以放电对接。目前使用光纤的材料为石英，所以光纤切割刀所切的材质是有要求的，适应光纤：单芯或多芯石英裸光纤，适应光纤包层直径为：100-150um。操作方法：

用剥纤钳去除表层的涂覆层,用蘸酒精的脱脂棉将光纤擦干净。放入载纤槽中，切割光纤。注意，切割后的光纤端面要非常小心，不要碰触任何物体，否则，影响切割效果。如3-3图所示光纤端面对准图。图3-4-2光纤端面对准图光纤熔接机图3-4-3光纤熔接机其使用如下：开剥光缆，用剥线钳前端的钳口剥断光纤外面的黄色保护套，露出里面的涂覆层。2、制备光纤端面。当用剥线钳前端的钳口剥去保护套后，接着用剥线钳靠里面的钳口剥去光纤外面的涂覆层(钳口与光纤倾斜放置)，再用沾用酒精的清洁麻布或棉花在光纤上擦试几次，再用光纤切割刀切割光纤，光纤端面制作的好坏将直接影响熔接质量，所以在熔接前必须制备合格的端面。3、放置光纤。制备好光线断面后,将光纤放在熔接机的V形槽中，小心压上光纤压板和光纤夹具，要根据光纤切割长度设置光纤在压板中的位置，并正确地放入防风罩中。4、接续光纤。光纤放置好后，选择合适的熔接方式，按下接续键后，准备妥当后(光纤相向移动，移动过程中，产生一个短的放电清洁光纤表面，当光纤端面之间的间隙合适后溶接机停止相向移动，设定初始间隙，熔接机测量，并显示切割角度。在初始间隙设定完成后，开始执行纤芯或包层对准，然后熔接机减小间隙)，两根电极棒释放瞬间高压（几千伏，不过是很短的瞬间），达到击穿空气的效果，击穿空气后会产生一个瞬间的电弧，电弧会产生高温，将已经对准的两条光纤的前端融化，由于光纤是二氧化硅材质，也就是通常说的玻璃，很容易达到熔融状态的，然后两条光纤稍微向前推进，于是两条光纤就粘在一起了。图3-5所示光谱分析仪的其相关参数如下：型号：MS9740A适用光纤：SM光纤，GI光纤测试波长范围：600nm~1750nm波长精度：±20pm（1520nm~1620nm）最大输入功率：＋23dB图图3-4-4MS9740A光谱分析仪图3-4-5AES宽带光源AES宽带光源：输出波长：1528nm~1610nm输出功率：≥10dBm输出光谱稳定度：≤±0.05dBm/nm(15min)图3-4-6电子天平如图电子天平，在本论文中配置蔗糖溶液时使用的实验仪器，每次使用前，需要按下‘去皮’按钮，方可称量，将物品放在纸上，切勿直接将物品放在电子天平上，以下是电子天平的一些参数：电子天平：最大称重：500g精度：0.001g3.5本实验所用的传感器鉴于实验室的具体条件，本次折射率和温度传感器选择如图3-5-1所示测量方法。图3-5-1实验结构图如图3-5-1所示，参考臂由单模光纤与多模光纤构成光纤微腔组成，在图3-5-1上用一个平面镜组成，而信号臂是在单模光纤末端接一段5mm的多模光纤（光纤型号105/125-22/250）组成。光源是中心波长在1550nm处的ASE红外宽带光源（1550nm处于低损耗的通信窗口）。高分辨率的光谱分析仪和3dB耦合器。耦合器在3.4节已作了介绍，ASE红外宽带光源和光谱分析仪的相关参数在3.4节已说明，这里就不再介绍了。用于实际测量中的光纤Michelson白光干涉仪的组成与图3-5-1所示的结构相比存在一些差别。如图3-5-1所示，在补偿臂的两个端面上，产生两个信号。一个信号来自于单模光纤端面的部分反射信号，这部分反射光通过补偿臂，第二个反射信号在多模光纤的端面反射。当调节光纤微腔的长度（通过调节单模光纤和多模光纤的相对位置），两臂光程发生匹配，发生白光干涉。第4章实验过程与结果分析本章是在以上章节理论学习的基础上，开始本论文的实验部分，在这部分主要是将设计的传感器与光纤迈克尔逊干涉仪结合起来使用，使用其来探测折射率和温度，所幸的是都出现良好的实验光谱图。光源光谱仪光源光谱仪3dB耦合器5mmMMF信号臂光纤微腔参考臂图4试验系统图4.1折射率响应实验折射率是材料的一个基本参数，是研究材料其它光学性质的基础，即使用相同材料，不同波长也对应不同的折射率，其测量值对器件设计是至关重要的。对新研制生长的材料往往需对其折射率进行测量以研究其光学特性，传统的折射率测量必须要较大尺寸或特殊形状的材料，这对于新材料的研制来说是困难的！不经济的；又如对材料在红外波段和紫外波段的折射率，传统的折射率测量方法就无能为力，干涉法因具有精度高！测量范围广且没有破坏性等特点，近年来成为研究热点，但一些技术手段的不足限制了其发展。因此，探求一种精确测量折射率的方法，提高折射率的测量精度和自动化程度，对于分析晶体各向异性性质和晶体材料的实际应用，无疑有重要意义，本文结合迈克尔逊干涉仪的高精密度优势，实现测量液体折射率。4.1.1实验过程本试验使用的光纤传感器型号为105/125-22/250的阶跃多模光纤，折射率响应实验过程如下：1、用光纤线钳剥好光纤后，用脱脂棉蘸无水酒精擦拭光纤端头，再用切割机切割,之后,与迈克耳逊干涉仪中的一臂放入熔接机熔接，最后留下5mm（距离熔点5mm）多模光纤，组成传感臂。另一臂接光纤微腔组成补偿臂。2、打开光谱仪，将脱脂棉蘸无水酒精擦拭跳线头，在空气中放置约半分钟，待酒精挥发完毕后，再接入光谱仪，设置好参数后，开始进行实验。3、先测量传感器在空气中的现象，用光谱仪记录下后，再用蔗糖溶液来代替，本实验用的蔗糖溶液浓度为5%，7%，9，11%，13%，15%，17%，19%等。每隔五分钟，进行一次光谱扫描，保存数据后，再用脱脂棉吸干净传感头上的蔗糖溶液，换下一浓度的蔗糖溶液。以此类推，直到实验完所配的蔗糖溶液。4.1.2实验结果分析记录完实验数据后，最后将记录的数据用Origin数据分析软件进行分析，Origin是美国OriginLab公司研发的数据分析和科技作图软件，是目前广泛应用的一款数据分析和作图软件，也是国际科技出版界公认的标准作图工具，功能强大操作简单，是科学研究和科研工作者常用软件之一。以下是传感器使用该软件得出的分析结果。图4-1-1迈克耳逊传感器在不同浓度蔗糖溶液下的光谱图4-1-2迈克耳逊传感器在不同浓度蔗糖溶液下的局部放大光谱图如图4-1-1所示，迈克耳逊传感器在不同浓度蔗糖溶液下的光谱实验图，图4-1-2所示为其局部放大图。当蔗糖溶液浓度从5%升到19%时，从4-1-2局部放大图中可以看出，随着蔗糖溶液浓度的增大，波峰处的能量基本保持不变，波长向长波方向漂移。图4-1-3波长与折射率变化图图4-1-3是波长与折射率的变化规律，当折射率变换了0.0148/RIU时，波长变化了2.12518nm，图中黑色点为实验中得到的实测值，直线是对这些实测点进行线性拟合而得到的，由此直线可以得到传感器的灵敏度为144.56981nm/RIU。4.2温度响应实验用光纤迈克尔逊白光干涉仪进行温度测量实验研究。这种干涉仪的主要特征是，在输出光强分布中有一个最大的光强输出值（具有最大光强的干涉条纹称为中间条纹），它只有在两干涉条纹的光程差相等时才能产生，这时所对应的条纹对比度最大。因此可以通过测量步进电机的移动量直接得到干涉仪光程差的变化值，从而实现对被测量变化值的绝对测量。通过温度变化使光纤的折射率发生改变，从而根据迈克尔逊原理对两干涉条纹的光程差进行测量，以此对温度进行标定。该传感器具有系统结构简单、性能稳定、容易校准的优点，实验结果表明是成功的。4-2-1实验过程实验过程如下：1、用光纤线钳剥好光纤后，用脱脂棉蘸无水酒精擦拭光纤端头，再用切割机切割,之后,与迈克耳逊干涉仪中的一臂放入熔接机熔接,最后留下5mm（距离熔点5mm）多模光纤，组成传感臂。另一臂接光纤微腔组成补偿臂。2、打开光谱仪，将脱脂棉蘸无水酒精擦拭跳线头，在空气中放置约半分钟，待酒精挥发完毕后，再接入光谱仪，设置好参数后，开始进行实验。3、将光纤迈克尔逊传感器放入温箱进行高温加热，来去除传感器头的可挥发杂质（如水）以消除其对光谱温度特性的影响。将温箱温度升高到100℃（如温度过高会将光纤涂覆层彻底破坏而大大降低传感器的机械强度）并持续30分钟。然后开始对传感器进行降温过程的温度特性试验。温度每降10℃记录一次数据。实验所记录的温度范围为50℃到100℃4.2.2实验结果温度的变化对波长也有影响，为了得到传感器的温度响应特性，本设计对传感器的温度特性也进行了实验研究。在此过程中所测得的相应光谱如图4-2-1所示。可以看出随着温度的增加，光谱向长波方向漂移。同时从图中可以看出，在不同温度下，波峰处的能量也发生了一些微小变化。图4-2-1传感器对温度的光谱实验图图4-2-2波长与温度的变化规律图4-2-2是波长与温度的变化规律，当温度变化了50℃时，波长变化了9.316695nm，图中黑色点为实验中得到的实测值，直线是对这些实测点进行线性拟合而得到的，由此直线可以得到传感器的灵敏度为0.18667nm/℃。第五章总结与展望在光学测量领域中，基于干涉原理的测量系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。光的干涉计量与测试本质上是以光波的波长作为单位来进行计量的，现代的干涉测试与计量技术己能达到一个光波的几百分之一的测量精度，干涉测量的更大特点是它具有更高的灵敏度(或分辨率)和精度，日前用激光干涉仪可测量小于一个原子量级的变化量，可以说，干涉仪已成为最灵敏的光学系统。在这些测量系统中，最常使用的是以各类单模、窄带高相干激光作为光源的长相干测量系统。这类系统采用激光波长为标准量，在精密测量条件下，可达纳米级至埃米级的测量精度，但是，由于受光学传递函数的周期性影响，这类系统致命的缺陷是单值动态范围一般很小，而且动态范围的扩大是非常困难的，由于测量系统在重新启动时无法对干涉条纹的级数进行识别，只能作为物理量相对测量的一种手段。另外，激光要求光学元件具有极端的精确性，往往使系统更为复杂。所以，这类系统对温度