【正文】 全光纖的器件，可以使干涉儀做的非常簡單，省去了復(fù)雜的調(diào)解過程。 本文 對光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)的研究現(xiàn)狀和背景進行介紹，由于白光干涉技術(shù)因其具有的優(yōu)點在越來越多的行業(yè)里得到了廣泛的應(yīng)用，所以白光干涉技術(shù)在以后很長時間會處于高速發(fā)展階段。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。此后，人們開始研究各種干涉測量技術(shù)，逐步形成了一種高靈敏度的測量方法。 如果拿光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器作比較，光纖傳感器具有優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點。而這些是采用優(yōu)良的相干光源的傳統(tǒng)光纖干涉儀所無法解決的。而且低相干光源與多模光纖價格便宜。在信號處理方面，一些新方案的提出，提高了光纖白光干涉儀的性能。據(jù)由美國光學(xué)工程師學(xué)會 (OSA)主辦的一年一度的國際光纖傳感會議 (OFS)第 15屆會議統(tǒng)計 ,應(yīng)力光纖傳感器以 28%的市場份額成為光纖傳感器市場的領(lǐng)航者 [6]。 國外光纖傳感器目前主要應(yīng)用在以下幾方面： 1 光纖傳感器系統(tǒng)，其主要研究方向是水聲，磁強計等。 但是這兩種方法均不能克服相位求導(dǎo)過程中引入的誤差放大效應(yīng)。如各種基于光纖布拉格光柵、長周期光纖光柵、傾斜光纖布拉格光柵、光子晶體光纖和單模光纖 ( SMF) 宏彎折射率傳感器 。 近二十多年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微電子加工技術(shù)！微計算機技術(shù)！信息處理技術(shù)以及材料技術(shù)的發(fā)展，使得綜合著各種先進技術(shù)的傳感技術(shù)進入了一個前所未有的飛速發(fā)展階段，并在國民經(jīng)濟的各個相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。這類方法的特點是，它不但具有高的測量分辨率，而且可絕對測量物理量，同時具有寬測量范圍。因為這種檢測技術(shù)是以波長為度量單位，所以其最靈敏，可測量到的最小相位變化的精度為 rad710? 。 論文主要內(nèi)容 本論文的主要內(nèi)容是光纖邁克耳遜白光干涉?zhèn)鞲醒芯浚陂喿x了許多國內(nèi)外文獻后，對能光纖邁克耳遜白光干涉?zhèn)鞲凶隽嗽敿毜慕榻B，根據(jù)實驗室的條件做了相關(guān)實驗，設(shè)計了幾種不同光纖的邁克耳遜傳感器。本章在介紹光的干涉條件的基礎(chǔ)上，主要說明 光纖 Michelson 白光干涉原理。量度它所受到環(huán)境的變化通過被測物理量的變化來調(diào)制波導(dǎo)中的光波，使光纖中的光波參量隨被測物理量的變化而改變，從而求得被測信號的大小。 光纖傳感器按被測對象的不同，又可分為光纖溫度傳感器，光纖位移傳感器，光纖濃度傳感器，光纖電流傳感器，光纖流速傳感器等。因其具有適用范圍廣的優(yōu)點。光纖傳感器用光纖作為傳輸介質(zhì)，光纖具有很好的傳導(dǎo)性能，其具有很小的光波損耗，使遠距離傳輸成為現(xiàn)實。由于獨特的電絕緣性，賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力，還有其在易燃易爆場合的本征安全性，以及快速響應(yīng)和對腐蝕液體的抗拒性，使得光纖傳感器得到了很好的發(fā)展。 由于光纖的應(yīng)用，使得遠程測量成為可能。在航空和航海這兩個領(lǐng)域，光纖傳感器的主要應(yīng)用有：航空方面；光纖慣性傳感 器（光纖陀螺儀），監(jiān)測控制表面位置的位移傳感器，用于碳素纖維復(fù)合材料制作性能監(jiān)測的植入式光纖傳感器，燃燒式渦輪發(fā)動機的先進檢測；航海方面：水聽器（尤其是后托式多元陣列），地磁儀。 G1 是一面鍍上半透半反膜， G2 為補償板 (未畫出 )， M M2 為平面反射鏡， M1是固定的， M2 和精密絲相連，使其可以向前后移動， M1 和 M2 后各有幾個小螺絲可調(diào)節(jié)其方位。 光纖 Michelson 白光干涉 測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如 22 圖所示，由一個光纖邁克爾遜干涉儀構(gòu)成。光纖干涉式傳感器根據(jù)其引入光路差異的方式主要有四種：光纖馬赫曾德干涉 (MZI)傳感器、光纖琺珀干涉 (FPI)傳感器、光纖邁克爾遜傳感器和光纖薩格納克干涉?zhèn)鞲衅?，但是在本論文中我們只涉及一種，即光纖邁克爾遜傳感器。 白光與激光光源相比，以白光為代表的寬光譜光源具有短相干長度的特點 ， 使只有在光程差極小的情況下兩光束才能發(fā)生干涉，因此避免了干擾條紋的產(chǎn)生。 光纖 Michelson 干涉儀系統(tǒng)是眾多干涉儀的一類，因為其參考臂與信號臂可以分開間隔很遠，所以測量比較方便，用途很廣泛。其中涉及到光纖種類，及制作過程中所使用的工具和實驗儀器。 圖 311 光纖結(jié)構(gòu) 單模光纖的傳輸原理 全反射是一種特殊的折射現(xiàn)象，當光線從一種介質(zhì) 1 射向另一種介質(zhì) 2 時 ,本來應(yīng)該有一部分光進入介質(zhì) 2，稱為折射光。 光在光纖傳輸過程中，主要有兩種模式：傳導(dǎo)模和輻射模。于是根據(jù)實際需要可以改變分光比來制作想要的耦合器。注意，切割后的光纖端面要非常小心，不要碰觸任何物體，否則，影響切割效果。 光 纖 放 置 好 后 ， 選 擇 合 適 的 熔 接 方 式按下接續(xù)鍵后，準備妥當后 (光纖相向移動，移動過程中，產(chǎn)生一個短的放電清潔光纖表面，當光纖端面之間的間隙合適后溶接機停止相向移動，設(shè)定初始間隙，熔接機測量，并顯示切割角度。耦合器在 節(jié)已作了介紹， ASE 紅外寬帶光源和 光譜分析儀的相關(guān)參數(shù)在 節(jié)已說明，這里就不再介紹了。對新研制生長的材料往往需對其折射率進行測量以研究其光學(xué)特性，傳統(tǒng)的折射率測量必須要較大尺寸或特殊形狀的材料，這對于新材料的研制來說是困難的 ！ 不經(jīng)濟的；又如對材料在紅外波段和紫外波段的折射率，傳統(tǒng)的折射率測量方法就無能為力，干涉法因具有精度高！測量范圍廣且沒有破壞性等特點，近年來成為研究熱點，但一些技術(shù)手段的不足限制了其發(fā)展。 實驗結(jié)果分析 記錄完實驗數(shù)據(jù)后，最后將記錄的數(shù)據(jù)用 Origin 數(shù)據(jù)分析軟件進行分析， Origin是美國 OriginLab 公司研發(fā)的數(shù)據(jù)分析和科技作圖軟件，是目前廣泛應(yīng)用的一款數(shù)據(jù)分析和作圖軟件，也是國際科技出版界公認的標準作圖工具，功能強大操作簡單，是科學(xué)研究和科研工作者常用軟件之一。通過溫度變化使光纖的折射率發(fā)生改變，從而根據(jù)邁克爾遜原理對兩干涉條紋的光程差進行測量，以此對溫度進行標定。溫度每降 10℃ 記錄一次數(shù)據(jù)。在這些測量系統(tǒng)中，最常使用的是以各類單模、窄帶高相干激光作為光源的長相干測量系統(tǒng)。諸如白光干涉測量技術(shù)，尤其是邁克爾遜白光干涉，傳感 器的設(shè)計與制作等展開了學(xué)習與使用。激光學(xué)報， 20xx，21( 12 ):1813。 隨著科技的進步， 光纖傳感器會深入到越來越多的行業(yè)領(lǐng)域 ，繼續(xù) 發(fā)揮著日益重要的作用，給人們的工作和生活帶來了很大的便利。另外，激光要求光學(xué)元件具有極端的精確性，往往使系統(tǒng)更為復(fù)雜。在此過程中所測得的相應(yīng)光譜如圖 421 所示。 421 實 驗過程 實驗過程如下： 用光纖線鉗剝好光纖后，用脫脂棉蘸無水酒精擦拭光纖端頭，再用切割機切西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 22 割 ,之后 ,與邁克耳遜干涉儀中的一臂放入熔接機熔接 ,最后留下 5mm（距離熔點 5mm）多模光纖 ，組成傳感臂。 1520 1540 1560 1580 1600 16202 82 62 42 22 01 8 Power/dBwa ve le ng th/ nm 空氣 0 % 5 % 7 %9 % 1 1 % 1 3 % 1 5 % 1 7 % 1 9 % 圖 411 邁克耳遜傳感器在不同濃度蔗糖溶液下的光譜 1575 1580 15851 9 .21 8 .9 Power/dBwa ve le ng th/ nm 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 21 圖 412 邁克耳遜傳感器在不同濃度蔗糖溶液下的局部放大光譜圖 如圖 411 所示，邁克耳遜傳感器在不同濃度蔗糖溶液下的光譜實驗圖，圖 412所示為其局部放大圖。 實驗過程 本試驗使用的光纖傳感器型號為 105/12522/250 的階躍多模光纖，折射率響應(yīng)實驗過程如下： 用光纖線鉗剝好光纖后，用脫脂棉蘸無水酒精擦拭光纖端頭，再用切割機切割 ,之后 ,與邁克耳遜干涉儀中的一臂放入熔接機熔接，最后留下 5mm（距離熔點 5mm）多模光纖 ，組成傳感臂。如圖 351 所示，在補償臂的兩個端面上，產(chǎn)生兩個信號。 圖 35 所示光譜分析儀的其相關(guān)參數(shù)如下： 型號： MS9740A 適用光纖： SM 光纖， GI 光纖 測試波長范圍： 600nm~1750nm 波長精度： 177。 圖 342 光纖端面對準圖 光纖熔接機 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 圖 343 光纖熔接機 其使用如下： 開剝 光纜 ，用剝線鉗前端的鉗口剝斷光纖外面的黃色保護套，露出里面的涂覆層。它是最基本的光無源器件，具有體積小、插入損耗小、便于操作等優(yōu)點，在光纖通信中被廣泛使用。如果激勵源，光纖本身形狀，缺陷等因素使傳導(dǎo)模的條件不能成立時，光信號便會形成在包層中衰減傳播的輻射模。但當介質(zhì) 1 的折射率大于介質(zhì) 2 的折射率，即光從光密介射向光疏介質(zhì)時，折射角是按組成材料分 光纖種類 石英系列光纖 (以 SiO2 為主要材料 ) 多組分光纖 (材料有由多組成分組成 ) 液芯光纖 (纖芯呈液態(tài) ) 塑料光纖 (以塑料為材料 ) 突變型光纖 (GIF) 階躍型光纖（ SIF） W 型光纖 按光纖纖芯折射率分 按光纖傳輸模式分 多模光纖（ MMF） 單模光纖（ SMF） 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 大于入射角的，所以當增大入射角 ,折射角也增大，但折射角先增大到 90 度，此時折射光消失 (入射角叫臨界角 )，只剩下反射光 ,稱為全反射現(xiàn)象。傳輸原理是 “ 光的 全反射 ” 。 綜上 ， 白光干涉型傳感器的優(yōu)點：小尺度，幾何形狀可變，本質(zhì)安全，高靈敏 度，抗電磁場干擾，與材料和結(jié)構(gòu)兼容，制作安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，低造價，易于多路復(fù)用，傳感器長度可變。而且白光干涉儀的一個主要優(yōu)點就是多路復(fù)用 ， 其傳感信息可以遠距離測量 ,且能實現(xiàn)多路復(fù)用或準分布式測量。通過調(diào)整步進電機 (本論文中是調(diào)整光纖微腔長度 )找到干涉峰值，使信號臂的長度變化了 ， 從而可進行溫度測量。當二個光束之間光程差小于光源相干長度的時候，就會產(chǎn)生白光干涉圖。兩平面鏡之間的 “ 空氣間隙 ” 距離增大時，中心就會 “ 吐出 ” 一個個條紋；反之則 “ 吞進 ” 。 總之，光纖傳感器已經(jīng)深入到很多的行業(yè)領(lǐng)域 ， 發(fā)揮著日益重要的作用，給人們的工作和生活帶來了很大的便利。 目前，這類傳感器的主要應(yīng)用有 ： 氣體分光儀，折射率和液位傳感器，濁度 (或散射 )的測量， pH 值傳感器，血氧測定計， C02 傳感器，葡萄糖分傳感器，醫(yī)用物理傳感器等。 在過程控制中使用的 ， 目前絕大部分是外在式 (非本征 )的光纖傳感器。 光纖傳感應(yīng)用 光纖傳感技術(shù)優(yōu)于其他傳感技術(shù)的原因在于它是在光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展的。由于光纖及其細，可塑性好，可以做成各種形狀的探測器，以適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場合。單模光纖的芯徑通常為 510 m，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式的傳輸。這類光纖傳感器稱為功能型或本征型光纖傳感器，也稱內(nèi)調(diào)制型傳感器，光纖同具 “ 傳 ”和 “ 感 ” 兩種功能。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 (2)兩波相干的基本條件一兩疊加的光波的頻率必須相同。 第二章 首先介紹了光的干涉條件和光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，下來介紹了傳統(tǒng)邁克耳遜干涉基本結(jié)構(gòu)原理 ，重點介紹了光纖 Michelson 白光干涉原理。因此高精度的長度檢測要用相位調(diào)制傳感技術(shù) 光纖是利用光的全反射原理來引導(dǎo)光波的。在隨后的五年里 ， 壓力溫度和應(yīng)變的測量中 ， 以白光干涉原理的傳感器被大量使用。傳感技術(shù)的新發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有力地促進了軍事，航空，工業(yè)，農(nóng)業(yè)，環(huán)保以及民用電器等技術(shù)水平的提高。 測量液體折射率的方法有全反射原理的阿貝折射法、分光計掠入射法，用干涉法測量液體折射率的有瑞利干涉儀法。 隨著生物化工產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展 ,國內(nèi)外科研學(xué)者越來越多地關(guān)注生化傳器。 ，這是目前進展最快，最好的領(lǐng)域之一，包括理論的研究，器件及模型，全袖珍結(jié)構(gòu)的研究。德國的西門子公司早在 1980 年便制成了高壓光纖電流互感器的實驗機樣品。 自從 1880年發(fā)明干涉儀之后， Michelson干涉儀一直被用來測量微小的空間位移。而且容易地實現(xiàn)多路復(fù)用是白光干涉儀的一個主要優(yōu)點。同時，由于白光干涉產(chǎn)生的干涉條紋具有明顯的零光程差位置，避免了干涉級次不確定的問題。 光纖傳感器研究領(lǐng)域中的一個重要分支就是利用低相干技術(shù)的光纖傳感器。然而伴隨著光纖的出現(xiàn)，使光可以在柔軟可彎曲的低損耗光波導(dǎo)中傳播，代替在空間傳播。而白光型邁克爾遜干涉儀克服了這一缺點，通過參考臂對信號臂的補償作用，即可探測由待測物理量引起的光程的變化，從而得知待測量。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。 作 者 簽 名：