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<<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。1.3.2 几种传统干涉型光纤传感器 光纤传感器分为传光型（非功能型）和传感型（功能型）两类，而干涉型光纤传感器就属于传感型的光纤传感器，它同时具有光纤传感器和干涉测量的优点。外部信号作用到干涉型光纤传感器的传感探测部位（通常是单模光纤）会引起干涉信号的相位变化，通过检测光信号相位变化引起的输出效果（例如：光强度）变化，就能够获得被探测对象的相关信息。目前常见的干涉型光纤传感器有如下四种：1 Michelson干涉型光纤传感器2 Mach-Zehnder干涉型光纤传感器3 Sagnac干涉型光纤传感器4 Fabry-Perot干涉型光纤传感器目前常见的干涉型光纤传感器概况介绍如下：一、Michelson干涉型光纤传感器它是由激光器、耦合器、2根单模光纤（一根作为参考臂，另一根作为测量臂）、2个反射镜（一个与参考臂相连，另一个与测量臂相连）、光电探测器和信号处理系统组成。激光器发出的激光经耦合器被分为强度相同的两束后，分别进入参考臂和测量臂。2根单模光纤中的光束经反射镜反射后，重新回到光纤中。当参考臂和测量臂之间的光程差是光源半波长的整数倍时，产生相位增或相位减的干涉条纹。测量臂在被测对象的信号（例如“温度”）的作用下，其传输的光波相位会发生变化，导致参考臂和测量臂所形成的干涉条纹发生光强变化。通过检测光强的强弱变化，获得被测对象的信号量信息。二、Mach-Zehnder干涉型光纤传感器它由激光器、扩束器、2个显微物镜、2根单模光纤（一根作为参考臂，另一根作为测量臂）、光电探测器和信号处理系统组成。激光器发出的激光经过扩束器扩束后，再经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。将两根光纤的输出端合在一起，两束激光将产生干涉，形成明暗相间的一组条纹后，由光电探测器接收。在测量过程中将参考臂置于恒温器中，参考臂的光程会保持不变，而测量臂在被测对象的信号（例如“温度”）的作用下，其传输的光波相位发生变化，使两条光纤中传输光的相位差发生变化，导致干涉条纹发生移动。通过对干涉条纹的判向和计数，获得被测对象的信号量信息。三、Sagnac干涉型光纤传感器它由激光器、分束器、多个反射镜、多根单模光纤、光电探测器和信号处理系统组成。根据探测部分形状，反射镜和单模光纤的数量有所不同。例如：探测部分的形状为矩形时，由3个反射镜和4根单模光纤，与分束器一起组成矩形。激光器发出的激光经过分束器分为反射和透射两部分，两束激光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合回路。两束激光经各反射镜反射后，在分束器上会合产生干涉，并送入光电探测器。在被测对象的信号（例如“温度”）的作用下，光波相位会发生变化，导致反射光束和透射光束所形成的干涉条纹光强变化。通过检测光强的强弱变化，获得被测对象的信号量信息。四、Fabry-Perot干涉型光纤传感器它是由激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器、1根单模光纤、光电探测器和信号处理系统组成。激光器发出的激光经显微物镜进入单模光纤，光纤两端构成多光束干涉腔。将单模光纤的一部分绕在加有50 Hz正弦电压的压电变换器上，使激光受到调制。在被测对象的信号（例如“温度”）的作用下，光波相位会发生变化。通过检测激光的相位变化，获得被测对象的信号量信息。1.3.3 干涉型光纤传感器的国内外研究现状 国内外发展状况：2012年，程华奇8利用迈克尔逊干涉仪原理，结合单模光纤SMF偏芯熔接结构，实现了一种干涉型的折射率传感器。这种传感器最主要的特征是结构简单，制作方便，并有较高的灵敏度。 2013年，韩伟9提出了一种偏芯熔接的方法对传统光纤传感器进行了改进。该方法主要依靠将光纤偏芯熔接，激发包层模，利用这一点来形成两种不同类型的干涉峰并使其叠加，依靠这两种干涉峰对待测参量的不同敏感度来实现双参量同时测量。 2014年，童峥嵘、韩伟、曹晔10提出一种偏芯熔接的多模光纤传感器，将两端纤芯直径相同的多模光纤偏芯熔接，利用多模光纤纤芯模耦合形成的干涉谷以及纤芯模和包层模耦合成的干涉谷对温度和折射率进行测量。2015年5月，张颖、李晓林、高云磊等人11根据光纤光学传输理论建立了偏芯结构的理论计算模型，通过菲涅耳公式推导出偏芯光纤倏逝波的表达式，进而求出了倏逝波的穿透深度。最后仿真出偏芯光纤中纤芯偏移距离对其模场分布、倏逝波场以及基模有效折射率的影响，为偏芯光纤传感应用提供了理论依据。 2015年10月,曹晔、赵晨、童峥嵘12提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器，其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成，起分光器和耦合器的作用分析了各项结构参量对灵敏度的影响，结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同。 1.3.4 干涉型光纤传感器的主要特点和问题 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。1.4本设计的主要研究内容 本论文基于干涉型光纤传感器的基本理论，查找相关资料，总结干涉型光纤传感器分类和国内外发展的情况，并且更进一步地，对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和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相关的原理和实验进行了总结和实施。论文针对基于偏芯结构的全光纤传感器进行了研究和展望，并且根据对应传感器进行实验，总结实验数据。论文展望基于偏芯结构的全光纤传感器的发展趋势和应用前景，在将来其具有广泛的应用前景和应用优势。第二章 干涉型光纤传感器的基本理论 2.1 几种典型的干涉型光纤传感器的基本原理 光纤传感器分为传光型（非功能型）和传感型（功能型）两类，而干涉型光纤传感器就属于传感型的光纤传感器，它同时具有光纤传感器和干涉测量的优点。外部信号作用到干涉型光纤传感器的传感探测部位（通常是单模光纤）会引起干涉信号的相位变化，通过检测光信号相位变化引起的输出效果（例如：光强度）变化，就能够获得被探测对象的相关信息。2.1.1 Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪的基本原理 Mach-Zehnder干涉仪原理图如图2-1所示。结构上，Mach-Zehnder干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵法分析可得输出端的光强为（2-1）（2-2）图2-1 Mach-Zehnder干涉仪的结构来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经信号臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。当信号臂光纤因温度、应力等原因相对另一条参考臂光纤发生变化，引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测量,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可得到测量被测量的目的。光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。光纤传感器就调制方式来分有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中Mach-Zehnder干涉仪传感器属于相位调制型传感器1。各种光纤传感器中，Mach-Zehnder干涉仪由于有抑制光源噪声和模式噪声的特点，在高精度测量中越来越受到重视2。Mach-Zehnder干涉仪传感器主要是应用于温度和应力传感，由于温度变化可有电流、电压的变化引起，应力的变化可由磁场、电场引起，故Mach-Zehnder干涉仪传感器也可以应用于磁场、电流、电压等领域的传感。利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图2-2。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。其中，参考臂光纤不受外场作用，信号臂放在需要探测的温度场中。同时，采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据Mach-Zehnder干涉仪的原理，由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉，产生干涉条纹，经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器，通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化3。图2-2 全光纤Mach-Zehnder干涉仪温度传感器原理图Mach-Zehnder干涉型磁传感器包含2条光纤：一条作为参考臂，另一条作为传感臂。在传感臂光纤上外贴一条（或几条）或涂敷一层磁致伸缩材料，如镍条、金属玻璃等。在外界待测磁场中，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致光纤中光程及折射率改变，使得光的相位产生位移，通过对信号光纤与参考光纤中的两路光进行相干检测得出光相位位移，经过数据处理最终测得外界磁场大小4。图2-3 光纤磁传感器系统简图全光纤Mach-Zehnder干涉仪电流传感器的一个臂通过细金属套管，并接入电路，通过控制流过金属套管电流的热效应调节其温度，干涉仪的两臂长差进行调谐，引起干涉光相位的改变，实现了对电流的传感5。图2-4 非等臂Mach-Zehnder干涉仪的电流调谐实验示意图全光纤Mach-Zehnder干涉仪电压传感器的一个臂粘贴在压电陶瓷上，通过压电陶瓷电致伸缩效应，拉伸（或压缩）光纤，引起干涉光相位的改变，实现了对电压的传感。其基本原理图与基于Mach-Zehnder干涉仪电流传感器原理图类似2。Mach-Zehnder干涉仪传感器具有结构简单、造价低廉、灵敏度高等优点，因此具有很大的应用价值。研究表明，光纤材料，尤其是护套和外包层材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大。比如，利用固定在光纤上的电致伸缩材料（如压电陶瓷），可构成压电传感器；若在光纤上镀以特殊的涂层，则可构成作为特定的化学反应或生物作用的光纤化学传感器或光纤生物传感器等等。Mach-Zehnder干涉仪传感器具有广泛的应用前景，未来的发展值得期待。2.1.2光纤法布里-玻罗（F-P）干涉仪的基本原理F-P干涉仪主要由平行放置的两块平面玻璃板构成（图2-5）、两块玻璃板相对的内表面有极高的平面度（一般要求表面上各处距理想平面误差不得超过），两内表面上各处镀有反射率很高的金属膜层或多层介质膜。为了避开板未镀膜外上反射光产生的干扰，两块板都做成稍微有点楔形（楔角一般为）。使用时可利用每块板外套压圈上的三个螺钉，将两块板相对的内表面调成相互平行，在两内表面间形成一平行平面空气层。如果两板内表面的间距是固定的，则称为FP标准具；若的间距可变，则称为FP干涉仪。图2-5 光纤法布里-玻罗（F-P）干涉仪示意图 如图2-5所示，单色的扩展淘汰位于透镜的物方焦面上，光源上某点S发出的光经后成为平行光以小角度入射到板上，在两板镀层平面间来回多次反射和透射，分别形成一系列反射光束及透射光束，这一系列相互平行关有一定光程差的透射光束经会聚，在的像面上发生多光束干涉。 在透射的诸光束中，相邻两光束的光程差为 （2-3）相应的相位差为 （2-4）式中，为镀层平面的间距，是两镀层平面物质的折射率（现为空气，），为在两镀层平面间反射光与平面的夹角。 当相邻两光束的光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值（亮纹） （2-5）这些条纹的形状与迈克耳孙干涉仪产生的等倾条纹相似，也是同心圆环，每个亮环各对应一定的倾角。但由于迈克耳孙干涉是由两光束干涉，而FP干涉仪是多光束干涉，所以后者的亮环比前者细锐。 若待测光源中包含有两个波长十分接近的光谱成分，其值分别为和，则处于FP干涉仪的自由光谱范围内。用集距为的消色差透镜，将FP干涉仪的干涉条纹成像在后焦面上，获得一组同心圆环，每个亮环对应一定的倾角，干涉亮环的直径和倾角有如下关系： （2-6）将（4）式代入（3）式，当时，可得 （2-7）令表示对应于波长为的第级和第级的环直径，由上式得（2-8）（2-9）两式相减得 （2-10）2.1.3迈克尔逊光纤干涉仪的基本原理 图2-6 迈克尔逊光纤干涉仪示意图如图2-6所示， He-Ne激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分成强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传播。两干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜Ml、M2反射重新返回光纤中，当干涉仪两个臂问的光程差小于光源的相干长度时，两束光在光纤耦合器的另一输出端将发生干涉。输出的干涉信号进入光电探测器D。这样光电探测器D就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系，这就是干涉图。图2-7光纤迈克尔逊干涉相位差与光强的关系图其中，用3 dB耦合器和光纤环路反射器分别代替传统迈克尔逊干涉仪的分束器和全反射镜。此干涉仪最大特点是光路全封闭，光纤两臂可绕成任意形状，结构灵活，不像分立元件迈克尔逊干涉仪有极高的环境和调整要求。图2-8改进型的Michelson干涉仪利用的则是Michelson干涉仪的对称性结构，传感光路定在待测结构中，参考光路由套管保护起来，两光路共用一个双面反射，移动这个反射镜可以同时调节两光路中的光程若采用低相干光源人射，移动反射镜使两光束光程差为零施加应力作用后，移动反射镜使两光路重新达到等光程，从移动的距离中即可获得施加应力的大小外界温度发生变化时，由于两光路靠得很近，可认为两束光的相位随着温度发生相同的变化，从而实现了温度自动补偿图是带有偏振控制器的Michelson干涉仪光纤偏振控制器用来控制参考臂中传播的参考光的偏振态，使参考光和信号光的偏振态相互匹配，因为传输光偏振态对于相干光通信和光纤干涉仪以及干涉型光纤传感器的影响非常明显。步进电机用来改变传感臂中传输的信号光的光程，以此来改变信号光与参考光的相位差，进而改变从耦合器出来的干涉光的光强。从光电探测器出来的干涉光如果送入示波器则可以用电信号演示由于步进电机的移动导致干涉光的强弱呈现有规律的变化，这点可以代替传统的Michelson干涉仪，可以形象地演示两束光的干涉过程；如果从光电探测器出来的光送入PC机，可以直接观察两束光的干涉动态过程；另外，配合相关软件可以测量微位移、折射率、压力、磁场强弱、应力应变等。光纤迈克耳孙干涉仪测量折射率 实验所用的设备为 hp8504精密反射仪，其结构简图如图 1所示，它主要由一个光纤迈克耳孙干涉仪组成8 干涉仪中参考臂光纤尾端的反射镜可在 400mm的范围内移动扫描 以改变参考臂的长度8干涉仪中测量臂光纤尾端连接待测的器件或样品8干涉仪所用的光源为宽带发光二极管中心波长为1300mm，由于光源是白光，所以只有当扫描反射镜移动到一定的位置，使参考臂中从反射镜反射回光纤的光（ 参考反射光） 经过的光程与测量臂中从被测样品界面反射回测量臂的光（信号反射光）所经过的光程相同时，两臂中的反射光才能发生干涉，确定探测到干涉信号时扫描反射镜的位置，就可以确定样品界面的位置，白光干涉技术的定位精度或空间分辨率取决于光源的相干长度hp8504精密反射仪的空间分辨率在 25um以下8采用更宽的光源，白光干涉技术的空间分辨率达到 0.1um以下，根据干涉信号的强度，仪器可以给出样品界面的回程损耗8本实验中>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10º/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；铁芯共振效应；滞后效应；精度不高；易受干扰；体积大、重量大、价格昂贵等，已经难以满足新一代数字电力网的发展需要。光纤电流传感器成为解决上述 难题的最好办法。 沈经理认为光纤电流传感器衍生自光纤陀螺仪的技术方案，是军用技术民用化的例子，现在技术方案还都没有定型，处于摸索-定型-再摸索阶段。武汉长盈通技术总监汪洪海博士表示，光纤电流传感器市场目前国内有34个厂家有小批量出货，今年的国家电网招标情况大概在1000个左右。相对来说，用量还是很小。当前阻碍真正规模使用的还是其稳定性，尤其是温度稳定性。 未来发展趋势 雷建设博士认为，光纤通信的迅猛发展带动新型光器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。光纤传感技术30多年来的发 展已经取得了长足的进步，主要体现在：进入了实用化阶段；新的传感原理不断出现。但是发展现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多待研究的课题：（1）实 用化研究，尤其是性价比；（2）应用研究；（3）新型光纤传感器的研究；（4）新型敏感材料的研究，新型专用光电子器件研究。因此，光纤传感器的可能发展