光纤Michelson白光干涉传感研究毕业论文.docx

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1、西安石油大学本科毕业论文 题目:光纤Michelson白光干涉传感研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计

2、（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学

3、校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的

4、科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教

5、师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日西安石油大学本科毕业

6、论文 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格

7、3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘要：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

8、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；

9、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；温度目 录第1章 绪论-1.1课题背景与意义-1.2国内外现状-1.3光纤白光干涉传感技术- 1.4论文主要内容-第2章 光纤Michelson白光干涉原理-2.1光的干涉条件-2.2光纤传感原理及分类应用- 2.3传统迈克耳逊干涉-2.4光纤Michelson白光干涉-2.5光纤白光干涉型传感器的优点-第3章 传感器的制作-3.1光纤种类-3.2单模光纤的传输原理-3.3光纤耦合器 -3.4光纤的切割与熔接-3.5本实验设计的传感器第4章 实验过程与结果-4.1折射率响应实验-

10、 4.1.1 实验过程- 4.1.2 实验结果-4.2 温度响应实验- 4.2.1实验过程- 4.2.2 实验结果-第5章 总结与展望-参考文献第一章 绪论1.1 课题背景与意义 19世界初，Young用干涉实验证明了光具有波动性，这就是著名的杨氏干涉实验。此后，人们开始研究各种干涉测量技术，逐步形成了一种高灵敏度的测量方法。当激光的出生，使得到高强度的相干光源变得简单，致使该测量技术得到了迅猛的发展应用。然而伴随着光纤的出现，使光可以在柔软可弯曲的低损耗光波导中传播，代替在空间传播。尤其使用全光纤的器件，可以使干涉仪做的非常简单，省去了复杂的调解过程。这样的系统稳定可靠，大大降低了外界干扰引

11、入的噪声，大幅度提高干涉测量的灵敏度，从而发展出了一类光纤传感器，就是高灵敏度的干涉型光纤传感器。 界面反射光在空间的分布可被精确测量，那就是白光干涉技术。而且测量过程对被测器件和样品没有破坏性。当前，该技术已经被广泛用于厚度、折射率、色散、半导体器件和光纤光栅的空间分布特性等方面的测量。如果拿光纤传感器与传统传感器作比较，光纤传感器具有优于传统传感器的优点。如具有抗电磁干扰能力强、耐高温、耐高压、轻巧、抗化学腐蚀能力强、灵敏度高、损耗低及易于实现分布传感等优势。光纤传感器研究领域中的一个重要分支就是利用低相干技术的光纤传感器。低相干技术与全相干技术相比，在静态参量的测量中，其具有的优点为：1

12、) 可以检测出被测参量的绝对相位变化；2) 较低对光源频率及功率稳定度的要求，使测量精度不依赖于光源的稳定度；3) 避免了全干涉技术中信号衰落的问题，有较高的工作稳定性；4)可以在恶劣的条件下工作，降低对工作环境的要求。20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中的用于长距离传递信息。但是光导纤维不仅可以作为光波的传播介质，而且光波在光纤的传播时表征的特征参量（振幅，相位，偏振态，波长等）因外界因素（如温度，压力，磁场，电场，位移，转动等）的作用而直接的间接地发生变化。20 世纪七十年代后期，光纤传感器作为新一代传感器开始迅速发展。现在几乎所有的物理参量都有与之相应的光纤传感器，且白

13、干涉测量技术提供了更多的绝对测量的解决方案。而这些是采用优良的相干光源的传统光纤干涉仪所无法解决的。与激光光源相比，以白光为代表的宽光谱光源由于具有短相干长度的特点使得两光束只有在光程差极小的情况下才能发生干涉，因此不会产生干扰条纹。同时，由于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

14、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

15、的物理参量都有与之相应的光纤传感器。 1987 年，Young quist 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，TAKADA5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

16、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Butter and Hocker8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，Brian Culshaw 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

17、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

18、，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- 2 rad/ ( m.s- 2 )，测试结果表明， 在工作频带0-1065 H z 内，振动与检波器输出信号吻合良好，达到设计要求。

19、 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。

20、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

21、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

22、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

23、，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

24、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。

25、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

26、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

27、，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

28、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、为圆频率、为初相角。式包含五个参数，即强度E0、频率、波长0=（c 为光速）、相位（）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

29、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

30、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。第2章 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.

31、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，

32、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

33、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

34、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5-10m，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

35、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5m

36、m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。1. 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

37、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)。2. 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

38、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，

39、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。3. 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

40、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。4. 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

41、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