【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 率調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 傳感器、波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器依次類推。其中的相位調(diào)制光纖傳感器因其靈敏度高，便于實(shí)現(xiàn)全光纖傳感等優(yōu)點(diǎn)而在近年來(lái)得到了深入的研究 。 總之，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了傳感技術(shù)的發(fā)展，同樣，傳感技術(shù)的發(fā)展也促使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)得到發(fā)展。 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?，在閱讀了許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)后，對(duì)能光纖邁克耳遜白光干涉?zhèn)鞲凶隽嗽敿?xì)的介紹，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了幾種不同光纖的邁克耳遜傳感器。 第一章 首先介紹了光纖白光干涉目前的一些研究現(xiàn)狀和各自的特點(diǎn)，然后著重介紹了對(duì)白光干涉應(yīng)用于折射率的研究現(xiàn)狀。 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(lái)介紹了傳統(tǒng)邁克耳遜干涉基本結(jié)構(gòu)原理 ，重點(diǎn)介紹了光纖 Michelson 白光干涉原理。 第三章 首先介紹了傳感器的主要制作，首先簡(jiǎn)單介紹了光纖的分類，然后介紹了光纖傳感器，即介紹了光纖耦合器，光纖的切割與光纖的熔接，尤其是對(duì)光纖的切割和熔接作了詳細(xì)的介紹。 第四章 根據(jù)設(shè)計(jì)的傳感器方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要作了折射率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析，同時(shí)還作了溫度響應(yīng)試驗(yàn)研究及其實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析。 第五章 論文總結(jié)。 第 2章 光纖 Michelson 白光干涉原理 當(dāng)我們?cè)陉?yáng)光下洗衣服時(shí) ,盆里的肥皂或洗衣粉泡上會(huì)出現(xiàn)各種彩色花紋 ,并且隨泡的大小變化 ,花紋的形狀和顏色也不斷的變化；還有炎熱的夏天，雨過(guò)天晴，柏油路的積水面上浮著一層油膜會(huì)呈現(xiàn)出五顏六色；用手把兩片無(wú)色透明的玻璃片捏在一起 ,陽(yáng)光下也能看到彩色花紋。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)楣猱a(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。本章在介紹光的干涉條件的基礎(chǔ)上，主要說(shuō)明 光纖 Michelson 白光干涉原理。 光的干涉條件 當(dāng)滿足一定的條件 ,才會(huì)發(fā)生光的干涉現(xiàn)象 ， 我們把這些條件稱之為相干條件，若光發(fā)生干涉現(xiàn)象 ,必須具備以下的相干條件為 ： (1)兩疊加光波的振動(dòng)分量必須相同，兩束光相遇時(shí)，其振動(dòng)方向大致要相同，并且振幅也要相差比較 小，否則的話 ,在干涉條紋中，明暗條紋的對(duì)比度太小，很難觀察到清晰的干涉現(xiàn)象。 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。 (3)兩疊加光波必須具有恒定的相位差 ,相位差的穩(wěn)定時(shí)間至少要等于觀察時(shí)間，只有這樣才能被觀察到干涉現(xiàn)象。凡是滿足以上三個(gè)相干條件的光波 ,我們稱之為相干光波 ,相對(duì)應(yīng)的光源稱為相干光源。但是，如果僅僅滿足上述的三個(gè)條件，還不一定能夠觀察到清晰的條紋，想要得到比較清晰的干涉條紋，還需要一個(gè)補(bǔ)充條件 :兩束疊加光波的光強(qiáng)也有一定的要求，就是光強(qiáng)不能相差過(guò)大。 光纖傳感原理及分類應(yīng)用 光纖傳感原理 光纖傳感技術(shù)是 20世紀(jì) 70年代中期伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界待測(cè)信號(hào)的新型傳感技術(shù)。 光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來(lái)檢測(cè)。量度它所受到環(huán)境的變化通過(guò)被測(cè)物理量的變化來(lái)調(diào)制波導(dǎo)中的光波，使光纖中的光波參量隨被測(cè)物理量的變化而改變，從而求得被測(cè)信號(hào)的大小。 根據(jù)調(diào)制區(qū)域與光纖的關(guān)系，可將調(diào)制分為兩大類：一類為功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)位于光纖內(nèi)，外界信號(hào)通過(guò)直接改變光纖的某些傳輸特征參量對(duì)光波實(shí)施 調(diào)制。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。同光源耦合的發(fā)射光纖與同光探測(cè)器耦合的接收光纖為一根連續(xù)光纖，稱為傳感光纖，故功能型光纖傳感器亦稱為全光纖型或傳感型光纖傳感器。 另一類為非功能型調(diào)制，調(diào)制區(qū)域在光纖之外，外界信號(hào)通過(guò)。外加調(diào)制裝置對(duì)進(jìn)入光纖中的光波實(shí)施調(diào)制，這類光纖傳感器稱為非功能型或非本征型光纖傳感器 ，發(fā)射光纖與接收光纖僅起傳輸光波的作用 ,稱為傳光光纖。不具有連續(xù)性，故非功能型光纖傳感器也稱為傳光型光纖傳感器或外調(diào)制型光纖傳感器 。 光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器，相位調(diào)制光纖傳感器，頻率調(diào)制光纖傳感器，偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng) (顏色 )調(diào)制光纖傳感器。 光纖傳感器按被測(cè)對(duì)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。 光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的芯徑通常為 510 m，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式的傳輸。一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多 采用多模光纖。為了獲得適宜的靈敏度，可將普通光纖 “ 增敏”或者 “ 去敏 ” ，為滿足特殊需求還專門研制了保偏光纖！低雙折射光纖，高雙折射光纖等。 光纖傳感器進(jìn)行物西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 理量的測(cè)量具有以下優(yōu)點(diǎn)。 適用范圍廣。光纖傳感器是用光纖作為光波載體來(lái)探測(cè)被測(cè)量的，因而能在質(zhì)量差的環(huán)境下工作，如強(qiáng)磁場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)，高溫，高壓，強(qiáng)腐蝕性等傳統(tǒng)傳感器難以勝任的地方。因其具有適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。 靈活性。由于光纖及其細(xì)，可塑性好，可以做成各種形狀的探測(cè)器，以適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。所以其靈活性非常好。 靈敏度高。光纖傳感器技術(shù)在許多物理 量的測(cè)量中表現(xiàn)出極高的靈敏度，尤其是干涉型光纖傳感器在當(dāng)今是最靈敏的一種探測(cè)技術(shù)。用于位移測(cè)量的光纖傳感器，其靈敏度可達(dá) 109 的數(shù)量級(jí)。 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。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(yuǎn)距離傳輸成為現(xiàn)實(shí)。 本文設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置中，采用了一根 5mm的石英多模光纖作為傳感介質(zhì)。 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。光纖通訊擁有一個(gè)廣闊的市場(chǎng)，能提供一系列低價(jià)格的器件，更重要的是，它形成一門能為光纖傳感器所使用的基礎(chǔ)科學(xué)。光纖傳感技術(shù)由于相對(duì)于傳統(tǒng)傳感技術(shù)有著多方面的優(yōu)勢(shì)，從而在各個(gè)領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用。下面就列出幾個(gè)它的主要應(yīng)用領(lǐng)域 [3]，并加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。 1. 過(guò)程控制用的物理傳感器和化學(xué)傳感器 許多工廠的電磁環(huán)境和周圍空氣中含有的物質(zhì)，如重金屬，化學(xué)物 ！ 燃化油蒸汽等，都不利于常規(guī)電傳感器和儀器的操作。因此，對(duì)高可靠性和安全性的非導(dǎo)電傳感器的需求很 強(qiáng)烈。由于獨(dú)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(chǎng)合的本征安全性，以及快速響應(yīng)和對(duì)腐蝕液體的抗拒性，使得光纖傳感器得到了很好的發(fā)展。 在工礦企業(yè)中，光纖傳感器主要用于檢測(cè)溫度，位移，壓力，液位，加速度和流量等參數(shù)，也可用于爆炸性和可燃性油氣泄漏等場(chǎng)合。 在過(guò)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。典型的應(yīng)用有 :開一關(guān)型傳感器 ， 溫度傳感器，機(jī)械傳感器 (檢測(cè)壓力，位移量等 )，化學(xué)傳感器(檢測(cè)液泄漏氣體等 )。 2. 化學(xué)，生物化學(xué)和醫(yī)用傳感器 在這個(gè)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域中，使用的基 本換能手段大部分都可以歸結(jié)在常規(guī)的化學(xué)測(cè)量傳感方法的范疇內(nèi)。 由光激發(fā)的原子或分子的各種可能態(tài)之間的躍遷具有相當(dāng)明確的特征，可以給出西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 與該分子與周圍介質(zhì)耦合關(guān)系有關(guān)的豐富信息。因此，與化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，可以通過(guò)對(duì)光吸收系數(shù)，熒光和拉曼光譜或斯托克斯頻移光的測(cè)量來(lái)獲取?；瘜W(xué)反應(yīng)的測(cè)定，通常可借助比色試劑或指示劑觀察某一反應(yīng)產(chǎn)物，從而對(duì)直接參與反應(yīng)的各類物質(zhì)進(jìn)行光測(cè)量來(lái)完成。 由于光纖的應(yīng)用，使得遠(yuǎn)程測(cè)量成為可能。首先，低損耗的光纖能使光在光纖內(nèi)傳播幾公里遠(yuǎn)而不需要任何中繼放大，這樣，光源和分析儀器可以放置在與 樣品保持相當(dāng)距離的清潔環(huán)境中，無(wú)需前往現(xiàn)場(chǎng)取樣即可獲得檢測(cè)信號(hào)；其次，光纖探頭相當(dāng)小，可以安置在其他類型的探頭難以到達(dá)的測(cè)定點(diǎn)處 ， 同時(shí)細(xì)小的探頭也使試劑 !原料的消耗更少。 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(cè)量， pH 值傳感器，血氧測(cè)定計(jì)， C02 傳感器，葡萄糖分傳感器，醫(yī)用物理傳感器等。 3. 光纖傳感器在航空和航海中的應(yīng)用 航空工業(yè)是光纖傳感器最有潛力的用戶之一，這主要是因?yàn)楣饫w傳感器具有重量輕，以及相應(yīng)的傳導(dǎo)線具有抗輻射特性的有點(diǎn)。光纖通訊在飛機(jī)上的應(yīng)用就充分表明了這 一點(diǎn)，由于相鄰光纖之間絕對(duì)無(wú)串話干擾，所以，整個(gè)布線就非常簡(jiǎn)單。但是，由于航空工業(yè)在接受新型儀器系統(tǒng)方面向來(lái)很保守，所以光纖傳感器的廣泛應(yīng)用還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。不過(guò)，環(huán)形激光陀螺儀作為導(dǎo)航儀的使用，已表明了光學(xué)儀器在航空工業(yè)應(yīng)用的開端。 光纖在航海工業(yè)的應(yīng)用潛力主要在軍事方面，而大多為海底應(yīng)用，但光纖在航海安全方面的應(yīng)用也在增加，其中最大的應(yīng)用潛力大概是在烴的勘探和運(yùn)輸方面，比如，有的勘探平臺(tái)已安裝了可燃?xì)怏w傳感器，使用相當(dāng)成功。在航空和航海這兩個(gè)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(cè)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(cè)的植入式光纖傳感器，燃燒式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)檢測(cè)；航海方面：水聽器（尤其是后托式多元陣列），地磁儀。 4. 光纖傳感器的其他應(yīng)用 除了以上介紹的三個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域外 ， 光纖傳感器還有幾個(gè)比較重要的應(yīng)用，如安全保險(xiǎn)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)檢測(cè)等領(lǐng)域。 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(lái)了很大的便利。 傳統(tǒng)邁克耳遜干涉 邁克耳遜干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對(duì)應(yīng)的平面鏡反射回來(lái)，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。干涉中兩束光的不同 光程 可以通過(guò)調(diào)節(jié)干涉臂長(zhǎng)度以及西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 改變介質(zhì)的 折射率 來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而能夠形成不同的干涉圖樣。干涉條紋是等光程差點(diǎn)的軌跡，因此，要分析某種干涉產(chǎn)生 的圖樣，必求出相干光的光程差位置分布的函數(shù)。如 21 圖邁克耳遜干涉結(jié)構(gòu)圖。 反 射 鏡 M2 反 射 鏡 M1接 收 屏 分 光 鏡光 源G1 圖 21 邁克耳遜干涉結(jié)構(gòu)圖 若干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，一定是場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光程差發(fā)生了變化，引起光程差變化的原因，可能是光線長(zhǎng)度 L 發(fā)生變化，或是光路中某段介質(zhì)的折射率 n 發(fā)生了變化，或是薄膜的厚度 e 發(fā)生了變化。 G1 是一面鍍上半透半反膜， G2 為補(bǔ)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(dòng)， M1 和 M2 后各有幾個(gè)小螺絲可調(diào)節(jié)其方位。當(dāng) M2 和 M2’(未畫， M2 移動(dòng)一定距離后 )嚴(yán)格平行時(shí)， M2 會(huì)移動(dòng) ， 表現(xiàn)為等傾干涉的圓環(huán)形條紋不斷從中心 “ 吐出 ” 或向中心 “ 吞進(jìn) ” 。兩平面鏡之間的 “ 空氣間隙 ” 距離增大時(shí)，中心就會(huì) “ 吐出 ” 一個(gè)個(gè)條紋；反之則 “ 吞進(jìn) ” 。 M2 和 M2’不嚴(yán)格平行時(shí)，則表現(xiàn)為等厚干涉條紋，在 M2 移動(dòng)時(shí)，條紋不斷移過(guò)視場(chǎng)中某一標(biāo)記位置， M2 平移距離 d 與條紋移動(dòng)數(shù) N 的關(guān)系滿足 Nd ??2? ， λ 為入射波波長(zhǎng)。 而 經(jīng) M2 反射的光三次穿過(guò) G1 分光板，而經(jīng) M1 反射的光通過(guò) G1 分光板只一次。G2 補(bǔ)償板的設(shè)置是為了消除這種不對(duì)稱。在使用復(fù)色光源時(shí)，由于玻璃和空氣的色散不同，補(bǔ)償板則是不可或缺的。如果要觀察到白光干涉條紋，則兩相干光的光程差要非常小，此時(shí)就可看到彩色條紋。 光纖 Michelson 白光干涉 測(cè)量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)如 22 圖所示，由一個(gè)光纖邁克爾遜干涉儀構(gòu)成。該干涉儀中，由一個(gè) 22? 的 3dB 耦合器和光纖組成 ,光纖連接在耦合器上組成參考臂和信號(hào)臂 ,耦合器對(duì)光進(jìn)行了分路和合路，干涉儀的光程差通過(guò)液體濃度來(lái)改變。當(dāng)二個(gè)光束之間光程差小于光源相干長(zhǎng)度的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生白光干涉圖。當(dāng)兩光束的光程絕對(duì)相等西安石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 時(shí)，光程精確匹配，干涉圖出現(xiàn)中央條紋，該中央條紋位于干涉圖中心，具有振幅極大，可精確測(cè)量物理量。 光纖白光干涉技術(shù)作為一種有效的方法可以對(duì)溫度導(dǎo)致的光程變化進(jìn)行測(cè)量。光纖干涉主要是通過(guò)對(duì)光進(jìn)行先“分流”再“匯流” (耦合器 )，使不同光路中光所走的光程差不同，光場(chǎng)相位不一樣，從而在“匯流”處疊加時(shí)產(chǎn)生干涉相長(zhǎng)或干涉相消。而光纖干涉?zhèn)鞲校饕怯捎诒粶y(cè)物理量變化會(huì)引起 光場(chǎng)變化 (強(qiáng)度、相位 )進(jìn)而導(dǎo)致匯流處光波相長(zhǎng)或相消，最終導(dǎo)致干涉條紋變化。反過(guò)來(lái)根據(jù)干涉條紋的變化就可以探測(cè)出被測(cè)物理量。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。 s o u r c ec o u p l ed e t e c t o rL1 L2 R e f e r e n c e a r m r e f l e c t i v i t y r e f l e c t i v i t y S i g n a l a r m