【文章內(nèi)容簡介】 率調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖西安石油大學本科畢業(yè)論文 6 傳感器、波長（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，便于實現(xiàn)全光纖傳感等優(yōu)點而在近年來得到了深入的研究 。 總之，現(xiàn)代科學技術(shù)的進步促進了傳感技術(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。 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，然后著重介紹了對白光干涉應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。 第三章 首先介紹了傳感器的主要制作，首先簡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，尤其是對光纖的切割和熔接作了詳細的介紹。 第四章 根據(jù)設(shè)計的傳感器方案，進行實驗，主要作了折射率響應實驗及其實驗過程和結(jié)果分析，同時還作了溫度響應試驗研究及其實驗過程和結(jié)果分析。 第五章 論文總結(jié)。 第 2章 光纖 Michelson 白光干涉原理 當我們在陽光下洗衣服時 ,盆里的肥皂或洗衣粉泡上會出現(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，雨過天晴，柏油路的積水面上浮著一層油膜會呈現(xiàn)出五顏六色；用手把兩片無色透明的玻璃片捏在一起 ,陽光下也能看到彩色花紋。以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為光產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。本章在介紹光的干涉條件的基礎(chǔ)上，主要說明 光纖 Michelson 白光干涉原理。 光的干涉條件 當滿足一定的條件 ,才會發(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)兩疊加光波的振動分量必須相同，兩束光相遇時，其振動方向大致要相同，并且振幅也要相差比較 小，否則的話 ,在干涉條紋中，明暗條紋的對比度太小，很難觀察到清晰的干涉現(xiàn)象。 西安石油大學本科畢業(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)定時間至少要等于觀察時間，只有這樣才能被觀察到干涉現(xiàn)象。凡是滿足以上三個相干條件的光波 ,我們稱之為相干光波 ,相對應的光源稱為相干光源。但是，如果僅僅滿足上述的三個條件，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，還需要一個補充條件 :兩束疊加光波的光強也有一定的要求，就是光強不能相差過大。 光纖傳感原理及分類應用 光纖傳感原理 光纖傳感技術(shù)是 20世紀 70年代中期伴隨著光導纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界待測信號的新型傳感技術(shù)。 光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來檢測。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。 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)，外界信號通過直接改變光纖的某些傳輸特征參量對光波實施 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，外界信號通過。外加調(diào)制裝置對進入光纖中的光波實施調(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 (顏色 )調(diào)制光纖傳感器。 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。 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。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。 光纖傳感器進行物西安石油大學本科畢業(yè)論文 8 理量的測量具有以下優(yōu)點。 適用范圍廣。光纖傳感器是用光纖作為光波載體來探測被測量的，因而能在質(zhì)量差的環(huán)境下工作，如強磁場，強電場，高溫，高壓，強腐蝕性等傳統(tǒng)傳感器難以勝任的地方。因其具有適用范圍廣的優(yōu)點。 靈活性。由于光纖及其細，可塑性好，可以做成各種形狀的探測器，以適應各種不同的應用場合。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今是最靈敏的一種探測技術(shù)。用于位移測量的光纖傳感器，其靈敏度可達 109 的數(shù)量級。 可實現(xiàn)遠距離測量。光纖傳感器用光纖作為傳輸介質(zhì)，光纖具有很好的傳導性能，其具有很小的光波損耗，使遠距離傳輸成為現(xiàn)實。 本文設(shè)計的測量裝置中，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。光纖通訊擁有一個廣闊的市場，能提供一系列低價格的器件，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。光纖傳感技術(shù)由于相對于傳統(tǒng)傳感技術(shù)有著多方面的優(yōu)勢，從而在各個領(lǐng)域得到普遍的應用。下面就列出幾個它的主要應用領(lǐng)域 [3]，并加以簡單說明。 1. 過程控制用的物理傳感器和化學傳感器 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，對高可靠性和安全性的非導電傳感器的需求很 強烈。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。 在工礦企業(yè)中，光纖傳感器主要用于檢測溫度，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合。 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。典型的應用有 :開一關(guān)型傳感器 ， 溫度傳感器，機械傳感器 (檢測壓力，位移量等 )，化學傳感器(檢測液泄漏氣體等 )。 2. 化學，生物化學和醫(yī)用傳感器 在這個測量應用領(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)的化學測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明確的特征，可以給出西安石油大學本科畢業(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，與化學結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，可以通過對光吸收系數(shù)，熒光和拉曼光譜或斯托克斯頻移光的測量來獲取?；瘜W反應的測定，通?？山柚壬噭┗蛑甘緞┯^察某一反應產(chǎn)物，從而對直接參與反應的各類物質(zhì)進行光測量來完成。 由于光纖的應用，使得遠程測量成為可能。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 樣品保持相當距離的清潔環(huán)境中，無需前往現(xiàn)場取樣即可獲得檢測信號；其次，光纖探頭相當小，可以安置在其他類型的探頭難以到達的測定點處 ， 同時細小的探頭也使試劑 !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。 3. 光纖傳感器在航空和航海中的應用 航空工業(yè)是光纖傳感器最有潛力的用戶之一，這主要是因為光纖傳感器具有重量輕，以及相應的傳導線具有抗輻射特性的有點。光纖通訊在飛機上的應用就充分表明了這 一點，由于相鄰光纖之間絕對無串話干擾，所以，整個布線就非常簡單。但是，由于航空工業(yè)在接受新型儀器系統(tǒng)方面向來很保守，所以光纖傳感器的廣泛應用還需要相當長的時間。不過，環(huán)形激光陀螺儀作為導航儀的使用，已表明了光學儀器在航空工業(yè)應用的開端。 光纖在航海工業(yè)的應用潛力主要在軍事方面，而大多為海底應用，但光纖在航海安全方面的應用也在增加，其中最大的應用潛力大概是在烴的勘探和運輸方面，比如，有的勘探平臺已安裝了可燃氣體傳感器，使用相當成功。在航空和航海這兩個領(lǐng)域，光纖傳感器的主要應用有：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。 4. 光纖傳感器的其他應用 除了以上介紹的三個主要應用領(lǐng)域外 ， 光纖傳感器還有幾個比較重要的應用，如安全保險系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)檢測等領(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應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。干涉中兩束光的不同 光程 可以通過調(diào)節(jié)干涉臂長度以及西安石油大學本科畢業(yè)論文 10 改變介質(zhì)的 折射率 來實現(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，一定是場點對應的光程差發(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。當 M2 和 M2’(未畫， M2 移動一定距離后 )嚴格平行時， M2 會移動 ， 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 ” 。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 ” 。 M2 和 M2’不嚴格平行時，則表現(xiàn)為等厚干涉條紋，在 M2 移動時，條紋不斷移過視場中某一標記位置， M2 平移距離 d 與條紋移動數(shù) N 的關(guān)系滿足 Nd ??2? ， λ 為入射波波長。 而 經(jīng) M2 反射的光三次穿過 G1 分光板，而經(jīng) M1 反射的光通過 G1 分光板只一次。G2 補償板的設(shè)置是為了消除這種不對稱。在使用復色光源時，由于玻璃和空氣的色散不同，補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，此時就可看到彩色條紋。 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。該干涉儀中，由一個 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臂 ,耦合器對光進行了分路和合路，干涉儀的光程差通過液體濃度來改變。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。當兩光束的光程絕對相等西安石油大學本科畢業(yè)論文 11 時，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溫度導致的光程變化進行測量。光纖干涉主要是通過對光進行先“分流”再“匯流” (耦合器 )，使不同光路中光所走的光程差不同，光場相位不一樣，從而在“匯流”處疊加時產(chǎn)生干涉相長或干涉相消。而光纖干涉?zhèn)鞲?，主要是由于被測物理量變化會引起 光場變化 (強度、相位 )進而導致匯流處光波相長或相消，最終導致干涉條紋變化。反過來根據(jù)干涉條紋的變化就可以探測出被測物理量。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