Michelson-fp復(fù)合型干涉儀的原理及傳感實驗研究TOC\o"1-3"\h\u107541.緒論 184721.1光纖傳感器的發(fā)展 1286951.2集成式光纖干涉儀 2188852.集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的基本原理 4323652.1光纖Michelson干涉儀的基本原理 467332.2光纖F-P干涉儀的分類 6236393.光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的制作與仿真 7193693.1基于雙芯光纖的Michelson干涉儀的制作 8148693.2非本征型光纖F-P干涉儀的設(shè)計制作 11254994.光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的傳感特性實驗 14191604.1彎曲傳感特性測量 14253784.2溫度傳感特性測量 201011結(jié)論 2110602參考文獻 23摘要：由于它的高準確率和對EMI的抗性；它具有耐惡劣環(huán)境、體積小等特點，在許多方面迅速發(fā)展并應(yīng)用于建筑健康監(jiān)控等方面。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢是全光纖、集成化、多參量等。本文介紹了目前國內(nèi)外對纖維傳感系統(tǒng)的集成和多參數(shù)檢測技術(shù)的研究狀況，并結(jié)合了幾種常用的集成光纖傳感系統(tǒng)和多參數(shù)測控系統(tǒng)的設(shè)計實例，對其優(yōu)點和不足進行了比較。纖維米歇爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀是兩種高分辨率、高動態(tài)響應(yīng)范圍和廣泛應(yīng)用的干涉儀。采用雙芯模的米歇爾遜干涉計對撓度的改變非常敏感，而非特性型F-P干涉計可以實現(xiàn)對軸向變形的檢測。采用了一種將以上兩種光纖干涉技術(shù)整合在一條纖維中的Michelson-FP復(fù)合干涉計，實現(xiàn)了對纖維的彎曲和軸向的實時檢測。本文對光纖米歇爾遜干涉儀和纖維F-P干涉器的工作機理進行了深入的探討，并將其與雙光路干涉器的干涉法進行了深入的探討。本文主要闡述了兩類光纖干涉計的總體構(gòu)造及工作原理。采用雙光路干涉儀進行了復(fù)合干涉儀的研究，導(dǎo)出了復(fù)合干涉儀的干涉儀干涉儀的干涉儀的干涉法。設(shè)計和研制了一種新型的微光學(xué)纖維-FP復(fù)合干涉計的系統(tǒng)。采用兩種不同類型的光纖，制備了一種新型的米歇爾遜干涉干涉計，將其與單模光纖相結(jié)合，形成了一種新型的F-P腔體。模擬了合成的干擾譜，并對其進行了空間頻域分量的計算。利用FFT轉(zhuǎn)換法求出了一種復(fù)合干擾的空間頻譜，并根據(jù)該方法在兩種干擾信號中的空間頻譜和路徑差異之間的相互影響，識別出其中兩個靈敏度成分的空間頻譜，并對其它成分進行過濾等方法，獲得二值化的條紋。試驗結(jié)果表明，采用兩個參數(shù)的方法可以實現(xiàn)一體化的Michelson-FP復(fù)合干涉計的檢測。對復(fù)合纖維干涉計進行了測量、應(yīng)變測量和測量了其表面的溫度測量。在分析和加工試驗資料時，選取了兩種不同的干涉條紋，并分析比較了兩種干涉條紋的偏移性。試驗資料的處理表明，所選取的兩個元件對彎矩及軸向應(yīng)變均無交變反應(yīng)，證明了復(fù)合纖維干涉計在兩個參數(shù)下的感應(yīng)性能。關(guān)鍵詞：干涉型光纖傳感器；集成式光纖干涉儀；雙參量測量；雙芯光纖；FFT

緒論因為纖維的損耗很小；由于其高的傳送速度和高的特性，使得它被廣泛地用于光纖通訊，從而使光纖通信行業(yè)迅速發(fā)展。在光導(dǎo)纖維中，以光波的方式傳播，使其不易被外部環(huán)境所干擾，從而使纖維成為一種新型的傳感材料。由于其體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點，使得其迅速發(fā)展。目前，光纖傳感技術(shù)發(fā)展到今天，主要的工作是改進其器件的集成性和多功能性。1.1光纖傳感器的發(fā)展作為一種被廣泛使用的測量設(shè)備，它在工業(yè)生產(chǎn)和生產(chǎn)中扮演著非常關(guān)鍵的作用。這是光纖應(yīng)用和光通訊技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，由于其優(yōu)良的性能，受到了廣泛的關(guān)注。首先，采用非金屬材料制成的光導(dǎo)光纖，使得其能夠抵抗EMI、隔離；其次，光導(dǎo)纖維的二氧化硅成份使得光纖傳感具有耐腐蝕性，能夠在任何嚴酷的工作條件下工作；此外，光導(dǎo)光纖具有較好的構(gòu)造；它具有頭發(fā)般的纖度，能夠完成光學(xué)路徑的彎折，從而使得纖維的尺寸變得更小巧；遠距離測量；此外，纖維感測器對各種物理和化學(xué)現(xiàn)象都有較強的響應(yīng)能力，因而得到了廣泛的使用。這就是纖維傳感相對于常規(guī)傳感而言的特別之點。纖維傳感可分為兩大類型：無功能性和功能性。在非功能性器件中，光纖只用于傳遞光，它的探針是采用其它的靈敏材質(zhì)制成的，它可以從纖維上接受或者把測量參數(shù)的數(shù)據(jù)輸入到纖維中，然后通過纖維傳遞到檢波器；在功能型中，纖維既可以傳遞光，又可以作為一個靈敏的器件。當被測量的參數(shù)被施加在纖維上，它會產(chǎn)生振幅、相位、頻率或偏振態(tài)等的特性參數(shù)，這時，這些參數(shù)就會被裝入到纖維中，然后再經(jīng)過纖維的傳遞，最終被送至檢波器等器件，再由檢波器接收的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，從而獲得待測參數(shù)的相關(guān)參數(shù)。1.2集成式光纖干涉儀針對光學(xué)纖維元件的集成化、小型化要求，各種光學(xué)元件的組合型、組合型光纖干涉計的設(shè)計與實現(xiàn)，極大地改善了光纖通信系統(tǒng)的工作效率。此外，由于采用了多芯光纖和光子晶體纖維，可以將各種不同的光纖干涉技術(shù)整合在一起，形成傳感器、濾波器和調(diào)制元件，實現(xiàn)了較高的集成性和較大的用途。基于米歇爾遜空間干涉儀的基本理論，首次研制出一種光纖米歇爾遜干涉儀，它是用兩條纖維和一根纖維耦合，兩條纖維作為光源的輸入方和干擾檢測的接收方，在其基準臂部和感應(yīng)臂部末端裝有一種涂層或布拉格格柵。與其它干涉計相比，光纖米歇爾遜干涉儀有一個顯著的區(qū)別：由耦合器分離出的兩個光線剛好在一個耦合器內(nèi)發(fā)生干擾。因此，在光纖傳感系統(tǒng)中，米歇爾遜干涉計起到了舉手之勞的重要作用。在1983，卡西亞普R.等首先介紹了一種采用單模全纖維Michelson干涉計的方法，它是利用調(diào)制的光信號來達到對相位差的校正，經(jīng)試驗證明，這種單模全纖維Michelson干涉計可以在超過1000公里的范圍內(nèi)進行光學(xué)檢測，從而證實了這種新型的單模-米歇爾森干涉計的大范圍應(yīng)用。新世紀以來，光纖Michelson干涉儀有了長足的發(fā)展，TianZ.B通過在單模纖維內(nèi)部拉長棱錐體，在纖維的端部涂覆一層金薄膜，制成了一種更為簡易的光導(dǎo)纖維Michelson干涉儀，它采用了一種新型的單纖維米歇爾遜干涉儀，而非雙光路干擾，使得其不能保持較好的透明度和穩(wěn)定性。RugelandP.等在2012開發(fā)了一個Michelson的干涉式高溫高溫度傳感器，它采用了一種不均勻的雙芯線纖維，見圖1.1。未經(jīng)加工的溫敏元件在300℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性變形，長期的高溫退火可以使其工作溫度達700℃。然而，這種新型的不均勻雙芯纖維與單模纖維之間的熔融耦合不可避免地會產(chǎn)生模式上的改變和相互干擾。圖1.1非對稱雙芯光纖Michelson干涉儀除了在國內(nèi)外的基礎(chǔ)上，我國的科研人員在這一領(lǐng)域取得了重大的進展。2006年，哈爾濱大學(xué)苑立波等人采用了一種單模態(tài)纖維與一種雙芯對稱型纖維的熔化拉錐組成的米歇爾遜干涉計，調(diào)整其長度可以使干涉計的敏感度得到變化。本發(fā)明采用一種單模纖維和一種雙芯型纖維結(jié)合，采用一種光纖法熔化錐形儀將一種新型的雙芯型纖維與一種新型的雙芯型纖維進行熔化，采用一種類似于兩種不同的拉錐方式，采用一種光電CCD對其進行觀察，當兩種纖維在功率達到1:1時，將其拉入3dB，并在其末端涂覆一層薄膜作為鏡子。從LD光源發(fā)出的光被引入一種單模纖維，通過3dB耦合點，再通過耦合點處的光學(xué)信號被檢測器吸收，從而實現(xiàn)了與一條纖維相結(jié)合的Michelson干涉儀。利用該光纖光纖米歇爾遜干涉計，可以制造出許多傳感器，如光纖位移傳感器、曲率傳感器、加速度傳感器、液速傳感器等。圖1.2對稱雙芯光纖集成Michelson干涉儀在臺灣聯(lián)合大學(xué)陳建中，利用球狀端面中空芯光導(dǎo)纖維，實現(xiàn)了一種多光程寬頻帶的Michelson干涉計。張建中等于2013年首次將熊貓型高雙折射保偏光纖用作米歇爾遜干涉計的傳感器，藉由追蹤條紋反差與波長的漂移，以完成對溫度與折射率的同步測定，得到的結(jié)果是-30.1dB/RIU及-1.057nm/O。在2008年，饒云江團隊用空心光子晶體纖維制造了一種新型的FPI型光纖傳感器件，它采用一種新型的FPI型半導(dǎo)體激光器，通過在兩片SMF中焊接一種新型的FPI型腔室，這種型腔的信號噪聲比高，復(fù)用能力好，而且對溫度無影響。在2012,MartaS.Ferreira等人設(shè)計了一種以環(huán)形結(jié)構(gòu)為核心的光子晶體纖維為基礎(chǔ)的F-P型壓力傳感器。龔元等人于2011年采用氫氟酸腐蝕蠟燭形多模多模纖維制成一種新型的線形復(fù)合光纖傳感器。試驗研究了用腐蝕蠟燭制成的多模纖維，一頭與單模纖維進行了焊接，在一頭進行了平面切削，得到了45dB/RIU的折射比。2.集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的基本原理2.1光纖Michelson干涉儀的基本原理光纖米歇爾遜干涉計的基本構(gòu)成見表2.1。通過3dB耦合器將該光源的光線分成兩股，一股流入到信號臂纖維，一股流入基準臂纖維，兩股光線在一根反射端表面后向后反射，通過兩根纖維手臂的傳遞，在3dB的耦合器中會聚并產(chǎn)生干擾，檢測器用以接受干擾光譜，而隔板則用以阻擋來自后向的反射光對該光源的作用。使干涉計基準臂在被測量的參數(shù)周圍保持不動。在彎曲、軸向應(yīng)變等外部參數(shù)的影響下，信號臂纖維的長度會發(fā)生變化，使兩條光路之間的光程差異產(chǎn)生變化，從而使檢測裝置產(chǎn)生偏移性。通常采用干涉條紋的偏移來測定外界參數(shù)的變化。圖2.1光纖Michelson干涉儀的基本結(jié)構(gòu)將兩光纖維的折射比設(shè)為n，在耦合器內(nèi)部，兩個反向的反射光強度為Is和Ir，利用雙光束干涉原理得出了檢波器上的復(fù)合干擾強度為：公式中，φ=2nk0(ls-lr)，表示兩個光柱在干涉儀上的相位差，k0=2dI表示在真空中的傳輸常量，而λ表示干涉儀的入射率。在此基礎(chǔ)上，采用了一種新型的光纖米歇爾遜干涉儀，其主要特點是：兩個單獨的單模纖維，由于其本身的非曲率性，使得制作的米歇爾遜干涉難以對外部的彎曲變形進行檢測。為實現(xiàn)干涉計的靈敏度檢測，采用雙芯光纖作為一種新型的單芯型干涉干涉計，可以采用雙芯對稱雙芯纖維的撓曲曲度靈敏的特點，制作出一種新型的單芯型米歇爾遜干涉計。在此基礎(chǔ)上，采用單模和雙芯的耦合圓錐結(jié)構(gòu)取代了雙芯光纖，以兩個核心取代了兩個單獨的單模纖維，并將它們分別用作干涉測量的信號和基準。在彎矩效應(yīng)方面，第二章一體化的Michelson-FP復(fù)合干涉計的工作原理Michelson干涉計的兩條光程相差的改變，除了影響雙芯光纖芯的長度外，還取決于光彈效對纖維的折射性影響，這二者之間的位差的改變可以轉(zhuǎn)換為雙芯纖維的撓曲曲率表達式。在采用雙芯纖維的米歇爾遜干涉計進行曲率靈敏度測試時，采用了雙芯纖維的彎矩長度為l，纖芯的折射系數(shù)為n，而由于彎矩的影響，兩芯纖維的長度差異和折射系數(shù)差異的改變?yōu)闂l件。那么，兩個波束相位差在耦合錐區(qū)上的干擾是這樣的：式中δl/l為雙芯光纖的軸向應(yīng)變，根據(jù)雙芯光纖纖芯對稱分布的結(jié)構(gòu)，有d為雙芯光纖的纖芯間距，R為雙芯光纖的彎曲半徑。對于熔融的石英雙芯光纖，兩纖芯折射率差的變化可以表示為c=0.204。將式(2-3)和式(2-4)代入式(2-2)中可得在雙芯纖維上，可以看到兩個波段的相位差的改變8。在此基礎(chǔ)上，采用雙芯光纖構(gòu)成的米歇爾遜干涉計，其對彎曲率的敏感度可以由調(diào)整雙芯光纖的入射波長、雙芯光纖的芯間距d、雙芯光纖的撓曲效應(yīng)長度l等來調(diào)整。2.2光纖F-P干涉儀的分類纖維法布里-珀羅（Fabry-Perot）干涉儀（Fabry-PerotInterfemeter）是一種利用FPI（Fabry-Perot）干涉儀（FPI）和一種非特征性纖維法布里-珀羅（Fabry-PerotInterfemeter）干涉儀（EFPI）和一種非特征性纖維法布里-珀羅（EFPI）。圖2.2IFPI的典型結(jié)構(gòu)圖2.3EFPI的典型結(jié)構(gòu)本征F-P干涉計具有兩個反射器在纖維中的特性，光路始終被約束在纖維中，而在光束傳輸時，它不會產(chǎn)生繞射，所以可以任意選擇F-P空洞的寬度。然而，由于兩個反射器的透射率、反射率、損耗等因素難以得到準確的測量，因而難以得到符合需要的內(nèi)部反射器。另外，由于外部因素會對兩個反射面上的纖維的長度和折射系數(shù)產(chǎn)生一定的影響，從而使得光強度不再受一個參數(shù)的影響，從而在實際應(yīng)用中給F-P光學(xué)特性帶來了更大的困難。FP干涉法是一種比較先進、比較普遍的測量方法。其特征在于F-P空穴是由纖維末端的空隙組成的。采用雙組單模纖維，對兩根纖維的末端進行切削，并將它們同軸地包入一根毛細纖維中。與傳統(tǒng)的F-P干涉相比，非本征性的F-P干涉計具有更好的調(diào)節(jié)空腔的長度；通過調(diào)整毛細纖維的Zo，可以調(diào)整干涉計的靈敏度；因為F-P腔是由一個氣孔組成的，所以在外部的影響下，它的折射比幾乎沒有變化，所以它的光強值僅與腔長相關(guān)；采用同一類型的光纖光纖F-P干涉計，其導(dǎo)熱延伸率會達到同樣的程度，從而消除了由于熱脹冷縮引起的空洞長度的改變。非本征型F-P光纖干涉計由于其獨特的構(gòu)造，使其在F-P腔中的光傳遞存在著較大的損失，且隨著腔長的增加，其損失會增大，從而制約了F-P腔的尺寸；在實踐中，F(xiàn)-P腔容易出現(xiàn)不可逆的伸長和凹腔末端的傾角，從而使干涉計失效。3.光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的制作與仿真與傳統(tǒng)的Michelson干涉計的結(jié)構(gòu)比較，采用雙芯型的Michelson干涉計具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)簡單等特點。在干涉干涉計中，可以對信號臂和基準臂施加外力，使得干涉計易于進行彎矩的測定；兩條手臂在同一纖維中，會受到諸如溫度、震動等外界因素的干擾，從而防止由于不合適的情況而引起的光程差變化，從而確保了干涉儀的解調(diào)靈敏度和測量準確率。研制以雙芯線為核心的集中式米歇爾遜干涉計，是制造一種新型的光纖米歇爾森-FP復(fù)合干涉計。非特征性FF-P干涉儀也表現(xiàn)出了較好的溫控性能，而且在外部的壓力下，F(xiàn)-P腔的折射率沒有發(fā)生變化，使得干涉的相位只隨著F-P腔長度的變化而發(fā)生變化。利用毛細纖維在兩個平行的反射端面上形成一個非特征性的F-P空洞，可以得到一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得在使用過程中，不會出現(xiàn)不可逆的偏移和端側(cè)的偏移，從而確保了干涉計的正確性和準確性。通過將雙芯纖維Michelson干涉計與非特征性F-P干涉計的串聯(lián)，實現(xiàn)了一種新型的Michelson-FP復(fù)合干涉計的研制。3.1基于雙芯光纖的Michelson干涉儀的制作利用兩個核心纖維組成的一體化Michelson干涉計，所采用的器件和器件有：單模纖維；光導(dǎo)纖維熔接機、1550nm波長的LD、氫氧焰纖維熔化拉錐機、顯微鏡、光譜儀等。選擇一種具有對稱的雙芯型纖維，見附圖3.1,（a）是一種雙芯型纖維的剖視圖，（b）是一種沿該中心線的折射性掃描曲線。該雙芯型纖維具有125pm的外徑、62.5微米的外徑、62.5微米的間隔、8微米的纖維芯徑、1.47的折射比、1.464（采用PK公司S14測定的折射近場方法）的雙芯纖維的長度大約2.5米。圖3.1對稱結(jié)構(gòu)的雙芯光纖研制雙芯纖維米歇爾遜干涉計，其關(guān)鍵技術(shù)是將單模纖維與雙芯纖維之間進行熔融拉錐耦合，以實現(xiàn)單模纖維纖維內(nèi)部的光分布。由于兩根纖維之間的距離越接近，兩根纖維之間就會產(chǎn)生光的耦合，因此，這種耦合就是由兩根纖維的纖維之間產(chǎn)生的。采用單模和雙芯纖維進行熔焊，可以將兩種纖維的纖維間的間距盡量縮短，但是在這種情況下，兩種纖維之間的間距對于雙芯纖維的光學(xué)性能仍然有一定的影響。通過對兩種不同類型的纖維進行熔化拉錐，可以將三根纖維的間隔進一步縮短，從而實現(xiàn)三根纖維之間的模場交迭，從而達到兩根纖維的兩根纖維和一根纖維之間的微弱耦合。當錐區(qū)到達一定的長度后，光的功率在兩個芯線之間產(chǎn)生了最大值，這段時間，隨著光的強度的增加，兩個芯子之間的光功率也會發(fā)生波動。偶聯(lián)試驗裝置示意圖如圖3.2所示。圖3.2SMF與TCF的耦合實驗裝置示意圖雙芯光纖Michelson干涉計的研制中，先觀測了雙芯纖維在光譜儀上的光點，然后將LD的光注入到雙芯纖維中，通過調(diào)整光學(xué)纖維的端部和顯微部的定位，從而實現(xiàn)了雙芯纖維的末端光場的分配。在此基礎(chǔ)上，采用熔接法對單模和雙模纖維進行熔合，并將其插入LD的一頭進行再加工，通過一臺纖維熔接器將其與一根單模纖維進行焊接，在焊接過程中，兩根纖維的中心軸線交迭，使得兩根纖維的核心與單模纖維的間距相同，見圖3.2;將已熔結(jié)的單模和雙芯纖維垂直置于氫氧火焰纖維的熔化吸收器上，焊接位置位于氫氧火焰噴嘴下方，通過拉錐機械的氣動裝置將LD光源與單模纖維連接，因為單模纖維和雙芯纖維纖維之間的纖維間距很大，纖維之間的光學(xué)耦合效應(yīng)接近于0，因此，激光光譜儀無法探測到雙芯纖維的光場；用光纖熔接拉錐，開啟拉錐器，點燃氫氧火焰噴射器，開始拉錐過程。在將纖維熔接點逐步拉伸為雙圓錐時，單模纖維內(nèi)部傳輸?shù)墓饨?jīng)錐區(qū)逐步向雙芯纖維的兩個核心區(qū)域聚集，雙芯纖維末端的光場分布越來越明顯，在錐區(qū)達到一定的高度后，可以觀察到兩個光斑的亮度變化。圖3.3是在這個時刻，在光束分析器上所探測到的兩個光導(dǎo)纖維末端的光場的分布，左邊是一個三度的光強的光強分布圖，右邊是一個用于顯示光能的光強測量的白點。在圖3.4中，顯示了一種單、雙芯型纖維焊接接頭的連接方式，試驗拉伸的錐形區(qū)域的長度L是17.5毫米左右，而耦合區(qū)的損失是大約1dB。目前，以雙芯纖維為核心的米歇爾遜干涉計已經(jīng)研制成功。圖3.3光束分析儀檢測的雙芯光纖出射光場圖3.4SMF與TCF的耦合結(jié)構(gòu)示意圖為了使光纖FF-P干涉計的結(jié)構(gòu)簡單，使其進入光場的強度得到了提高。通過對光纖探頭的分析，得到了在該過程中，雙芯光學(xué)纖維芯與氣室之間的光強度在0.036左右，而復(fù)合纖維干涉裝置的傳感特性是通過相位調(diào)制實現(xiàn)的，因此，在光導(dǎo)纖維末端I上的反射強度足以進行檢測。采用波長1550納米的ASE光源、與光源波長相匹配的光導(dǎo)纖維環(huán)狀鏡和光導(dǎo)纖維分光計，對制備的雙芯型光纖米歇爾遜干涉計進行了光譜分析。圖3.5是ASE的光譜分析，為了獲得平坦的光譜線，需要將試驗結(jié)果與光源頻譜進行相減。在雙芯光纖Michelson干涉儀中，雙芯纖維具有兩個纖維芯部的對稱性和具有同樣的折射率，而在同一纖維的長度下，平行光路上的光程差異將為0，而兩個纖維之間的相位差異為0。在兩個平行光路之間存在一定的相位差，造成干擾頻譜，需要把雙芯纖維纏繞在一起，增大兩個纖維的長度和折射比，以便在測量的基準臂與接收端之間形成一個光程差，這時，雙芯纖維米歇爾遜干涉器的干涉光譜就可以觀測到。在圖3.6中顯示了實際檢測到的雙芯型米歇爾遜干涉器的干涉儀。由于采用雙芯纖維纏繞，使得基準臂光路與信號臂光路之間存在著很大的光程差異，因此，在寬波段進入時，該波段會出現(xiàn)更細的波段間隔，如附圖3.6所示。圖3.5ASE光源光譜圖Wavelength(nm)圖3.6基于雙芯光纖的集成式Michelson干涉儀的干涉光譜3.2非本征型光纖F-P干涉儀的設(shè)計制作在研制出一套以雙芯纖維為核心的米歇爾遜干涉計之后，可以實現(xiàn)與非特征性FF-P干涉計的串行。此方案的應(yīng)用溫度是普通的周圍環(huán)境，以防止周圍的環(huán)境影響。光纖F-P干涉計采用了不受高溫的非本征結(jié)構(gòu)，采用了非固有的由纖維構(gòu)成的非固有形狀的F-P空穴。F-P腔體的制造有很多種方式，如激光打孔、毛細套管、毛細纖維焊接等。因為激光穿孔所需的儀器設(shè)備非常昂貴，所以在此復(fù)合纖維干涉儀的結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)-P空穴最初的設(shè)計和制造都采用了毛細管。采用光纖環(huán)形器將ASE光源與雙核纖維Michelson干涉計相結(jié)合，再將雙芯纖維的一端與一根單模纖維各從其兩端插入一直徑稍比纖維外直徑稍大的毛細套管，環(huán)形裝置的輸出端與光纖光譜計相連；利用FFT光譜法觀察F-P干擾時的低頻干擾波峰數(shù)，調(diào)整光纖末端與單模纖維末端間距，以保證低頻干擾波峰數(shù)的大小，并能清楚地分辨出不同的混合干擾譜，方便了試驗的觀察和觀察察及數(shù)據(jù)的加工；雙芯光纖，單模光纖，毛細套管采用粘接或熔接方式進行連接。然而，由于摻雜了毛細管和其它媒質(zhì)，使得該非本征性F-P空洞將引入一些不確定性的因素，比如當F-P空穴熱脹冷縮時，毛細管與粘接材料的熱膨脹率差別，毛細管對彎矩測定精度的作用等。(a) (b)圖3.7氫氟酸腐蝕前后的毛細管光纖截面在多次實驗和實驗后，我們決定采用采用在兩個芯部的端面上直接熔合毛細纖維來制造F-P型腔。采用雙芯和單模光纖對齊后進行焊接，使設(shè)計簡單，提高了FP型腔的穩(wěn)定性能。采用了兩種纖維的Michelson干涉計和毛細纖維；單模光纖，光纖熔接機，顯微鏡，光纖切割機等。因為雙芯型纖維的核心間隔是62.5微米，所以F-P型腔的直徑必須大于62.5微米。采用氫氟酸對直徑125微米、內(nèi)徑54.3微米的毛細管纖維進行了表面處理，獲得了所需的F-P型腔體，而在圖3.7A、B中，所述毛細管纖維在氫氟酸的作用下，其外徑為100.5μm，內(nèi)徑為70.7μm，符合設(shè)計的要求。采用雙芯光纖Michelson雙芯光纖末端與已腐蝕過的纖維進行了焊接。因為腐蝕后的毛細管纖維桿很細，僅有16.3微米，因此，在焊接的時候，毛細纖維很可能會發(fā)生坍塌，因此必須人工調(diào)整焊絲的焊接方式，減少焊接電流，減少焊接的次數(shù)，使焊接后的纖維組織保持完整。采用南京基龍KL-300焊接設(shè)備，采用手工方式，具有40比特的預(yù)熔電流，120毫秒的預(yù)熔，50比特的焊接速度，800毫秒的焊接速度。圖3.8顯示了兩根纖維和一根毛細纖維的熔合圖像。雙芯和毛細纖維的熔接末端是氣室F-P腔的首個光學(xué)反射器I。圖3.8雙芯光纖與毛細管光纖的熔接圖片圖3.9顯微鏡下切割的F-P腔長該復(fù)合光纖干涉儀的檢測試驗選擇1545nm-1585nm的混合干涉儀進行了信號的檢測和解析，并通過對該波段F-P干涉法的條紋濃度進行了合理的調(diào)整，使得F-P與米歇爾遜的干涉具有很好的區(qū)別，從而可以很好地分辨出兩種干擾的空間頻譜。該波域中存在五個F-P干擾波峰，由寬頻段F-P空洞的長度計算公式通過對F-P光場的分析，得出了F-P光腔長度為153.1pm。圖3.10是F-P型腔體在顯微鏡下的真實切削。根據(jù)雙芯纖維的直徑之比，得到了F-P型腔的最大截面長度為Lf=153微米，與原設(shè)計的尺寸相當。利用一根單模纖維制成F-P腔體的反光表面II。為防止單模光纖SMF2內(nèi)部的反向反射光會對該復(fù)合式干涉計的全頻段造成的干擾，應(yīng)盡可能地將其長度盡可能延長，以增大其內(nèi)部的光損失，而實際選擇的SMF2的長度是60cm。采用與TCF/COF工藝同樣的熔合方式和熔合工藝條件下，將兩種材料分別進行了焊接，焊接后的圖像見圖3.10。在F-P腔體中，毛細管和SMF2的熔接端部是第2個光學(xué)反射器平面II。目前已研制出一套一體化的Michelson-FP復(fù)合干涉計。圖3.10與雙芯光纖Michelson干涉儀串聯(lián)的空氣F-P腔4.光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀的傳感特性實驗4.1彎曲傳感特性測量在此基礎(chǔ)上，建立了一種用于測量微米歇爾森-FP復(fù)合干涉測量系統(tǒng)的撓性測量系統(tǒng)。在3.4節(jié)中描述的感應(yīng)裝置中，纖維環(huán)狀器的功能是將ASE的光線輸入到干涉儀，并將其輸出。在干涉計的輸入端，一根單模光纖與環(huán)管的兩個孔相連，一個封閉的耦合錐區(qū)是一個自由的，一個后面的耦合錐區(qū)（雙芯光纖、毛細管光纖、F-P空腔和單模光纖），在一個由光纖夾持組構(gòu)成的平臺上，在雙芯光纖和空氣F-P空穴的連接處（也就是在圖3.10中TCF/COF）上進行撓曲。試驗平臺的詳細信息是：一套位于工作臺的兩端的纖維夾持器（Clamp）被用來對復(fù)合纖維干涉計進行安裝，以避免在試驗時由于纖維的扭轉(zhuǎn)而對試驗的結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。在兩個支架之間設(shè)置一個帶有測量螺釘?shù)南聣毫C構(gòu)，該機構(gòu)將彎曲的效果應(yīng)用到纖維上。將干涉計放置在該試驗臺上，通過兩個不同的光纖夾持器將TCF/COF熔接點的兩邊的雙芯型和單型光纖進行固定，確保在兩個支架的溝槽中埋設(shè)雙芯型和單型光纖，并且TCF/COF焊接點位于兩個支架之間。為了保證復(fù)合纖維干涉計在彎曲過程中受到的軸向壓力是恒定的，也就是當彎曲時，復(fù)合型纖維干涉計的軸向張力可以被忽視，并將大約5克重量的重量掛在纖維固定架和支承設(shè)備之間的單模纖維上。在兩個支架間放置12厘米的鐵尺，正好將這一部分的光纖包起來。采用調(diào)節(jié)式測量螺桿，將其與尺面接觸，精密調(diào)整TCF/COF接頭的焊接處，以確保其與微螺旋的垂直方向直接接觸。干涉計的變形是由調(diào)整測量微絲杠與尺間的距離來完成的。在調(diào)整測量螺旋線與測量尺之間的間距時，纖維表面的纖維會隨測量值的變化而發(fā)生彎曲，同時，纖維光譜計上的合成光譜分析也會隨之而動，并將其測量到的壓力范圍及相應(yīng)的頻譜資料進行了測量。在試驗中，Z.選擇的范圍從0毫米到13.5毫米，步進0.5毫米。首先對0毫米的混合干涉儀進行了測量，然后用測微螺旋線每一行測量一次，直到13.5毫米。圖4.1光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀彎曲實驗系統(tǒng)在實際的數(shù)據(jù)分析中，必須將其轉(zhuǎn)化成復(fù)合纖維干涉計的曲度K，其變化規(guī)律為以下L是指鋼尺半長（60毫米），也是干涉計的彎矩的一半。K和??之間的關(guān)系見表4.2。由該表可見，在/=60毫米的情況下，將復(fù)合纖維干涉計按下的距離正好等于鋼的一半，這時，纖維的彎曲的獨特性約為一個半圓形，如附圖4.2所示，i在0-60毫米的區(qū)間。在i<13.5mm的區(qū)域，纖維的彎曲度與壓縮的長度之間呈良好的線性關(guān)系，隨著13.5mm<i<60mm，其曲線逐漸趨于平緩，且二者之間的關(guān)系不再是直線的，與微彎參量相比，復(fù)合干涉計的彎曲度是相當大的。圖4.3是在測量L長度的情況下，干涉測量裝置的彎矩作用的半長L為80mm;160毫米，200毫米，在標志點處i=13.5毫米。圖4.3表明，從i到i之間的各個K-i關(guān)系的變化規(guī)律是良好的，隨著i的持續(xù)增加，k與i之間的關(guān)系呈現(xiàn)出一個逐漸的變化。將公式（2至23）與該理論相聯(lián)系，也就是△λM=CM△KM/(Nk0)，可以預(yù)見，在某一特定的曲率半徑之內(nèi)，對復(fù)合纖維干涉儀進行了彎曲檢測。4I2cos^M)干涉條紋的移動與纖維下壓力的距離i和纖維的彎曲曲率K之間存在著一定的線性相關(guān)性，而在K隨i的增加時，其移動的幅度與i成了一條直線，而與K之間的線性變化則基本一致。圖4.2光纖彎曲曲率K與光纖下壓距離i間的關(guān)系曲線圖4.3L長度不同時的K-t關(guān)系曲線對試驗資料作了分析。圖4.4是i在0毫米至13.5毫米的三個組合干涉頻譜，i為0毫米；6.5毫米；13.5毫米。由該表可知，連續(xù)向復(fù)合纖維干涉計進行折彎時，其低頻干擾帶幾乎沒有改變，但其高頻率的波形則有很大的改變，其整體的干涉波形變得非常復(fù)雜，難以發(fā)現(xiàn)其變化的規(guī)律。利用FFT和FFT等技術(shù)對需要的頻譜進行分離。圖4.5為i在0毫米至13.5毫米的區(qū)域中的五個組合干涉儀的FFT改變，i為0毫米，3.0毫米，6.5毫米，10.0毫米，13.5毫米。由該表可知，在連續(xù)的折彎中，復(fù)合干涉器的光學(xué)頻率分量幾乎沒有變化，代表分量4I02cos(φF)干涉條紋信息的peak基本不發(fā)生變化，代表分量4I02cos(φM)干涉條紋信息的peak3信號的強度值發(fā)生了變化。圖4.4集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀彎曲實驗的復(fù)合干涉光譜圖4.5彎曲實驗復(fù)合干涉光譜的FFT變化結(jié)果選取peak1、peak3的空間頻率進行濾波和FFT逆變換，得到4I02cos(φF)與4I02cos(φM)兩分量的干涉條紋，如圖4.6和圖4.7所示。選取干涉條紋的某干涉谷進彳亍觀察，圖4.6結(jié)果顯示在干涉儀不斷彎曲的過程中，4I02cos(φF)的干涉條紋基本不發(fā)生變化，這與非本征型F-P腔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有關(guān)，其對彎曲作用不敏感。圖4.7結(jié)果顯示在干涉儀不斷彎曲的過程中，4I02cos(φM)的干涉條紋發(fā)生近似規(guī)律的單向漂移。由于i單步變化時△λM較大,當遍歷所有i取值范圍的41；cos(伊_材)干涉條紋時，發(fā)現(xiàn)光譜重疊在一起，無法清晰顯示干涉條紋的漂移規(guī)律，為了表達清晰，這里只展示了i取值為0mm-2mm的前五組4I02cos(φM)干涉條紋。圖4.6彎曲實驗空間濾波所得分量4I02cos(φF)的干涉條紋信息圖4.7彎曲實驗空間濾波所得分量4I02cos(φM)的干涉條紋信息由于復(fù)合纖維干涉計的彎折敏感性與其沿徑向載荷的大小有關(guān)，而在彎矩作用的角度與其在平面之間的角度a(0.<a<90）之間的角度有較大差異，故在實踐中，采用了以時為單位的干涉曲線傳感特征的試驗來進行比較。在該試驗平臺上，將TCF/COF熔接點端邊的兩根纖維（相應(yīng)地調(diào)節(jié)COF/SMF熔接的另外一端的單模纖維）進行旋轉(zhuǎn)，從而使兩根纖維在同一水平面上與垂直測量的螺旋線之間的角度（也就是角度），試驗結(jié)果是0°、45°、90°、135°。圖4.8是四種不同的夾角下的兩個纖維的直徑方向的剖視圖。這里，以0-180的數(shù)值計算，是在兩個纖維芯部之間，計算出了一個從0到180度的數(shù)值。圖4.8彎曲實驗中雙芯光纖徑向受力截面示意圖4.2溫度傳感特性測量采用恒溫控制器對復(fù)合纖維干涉進行了溫控試驗，并對其進行了溫控試驗，并對其進行了測試。將干涉儀的組合件置于溫度控制盒中，用纖維夾將其一端緊固，由光導(dǎo)纖維環(huán)狀器將ASE寬頻段的光譜線輸出到干涉儀，由光導(dǎo)纖維光譜計將干涉儀的光譜線反射到干涉儀上。圖4.9集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀溫度實驗系統(tǒng)根據(jù)實際使用中的環(huán)境溫度區(qū)間，試驗的溫度為20~170℃，每一段的溫度變化為10℃。對培養(yǎng)皿的溫度進行調(diào)節(jié)，當培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度與所設(shè)置的溫度一致時，可以獲取合成的干涉譜資料。為確保復(fù)合式干涉儀的溫度測定精度，在將各試驗溫度升高到170℃后，再進行干涉儀的冷卻試驗，該試驗的溫度在20C到170℃之間，并在10℃左右時，將該混合干擾的頻譜資料進行一次，直到氣溫下降到20℃為止。在20℃、80℃和120℃條件下，復(fù)合光纖干涉器的干涉儀的混合干涉器的干涉儀的混合干涉儀的干涉儀，從該表中可以看到，該干涉器的低頻率干涉儀的干擾特性基本保持不變，而在高頻率下，其高波干擾波形不穩(wěn)定。圖4.11是五套混合干涉儀在20~170℃之間的FFT分析。圖4.10集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀溫度實驗的復(fù)合干涉光譜圖4.11集成式光纖Michelson-FP復(fù)合型干涉儀溫度實驗的復(fù)合干涉光譜結(jié)論由于其本身的優(yōu)勢，在現(xiàn)實生活中有著廣闊的用途，因此，在實現(xiàn)各種用途的同時，也在向全纖維方向發(fā)展；高精度、網(wǎng)絡(luò)化等方面都在發(fā)展。基于全纖維的光纖微型和多用途的發(fā)展需要，設(shè)計了一種新型的光纖微型光纖-FP復(fù)合干涉計。完成的工作有：導(dǎo)出了一種新型的綜合光纖Michelson-FP復(fù)合干涉儀的干涉儀，其干涉儀具有彎曲和應(yīng)變雙重參數(shù)的檢測性能。從復(fù)合干涉中選取的兩敏感分量分別為4I02cos(φM)和4I02cos(φF)，結(jié)果表明，這兩種方法的干涉波的位移與曲線的曲率和微應(yīng)變均呈顯著的相關(guān)性。文章仍存在著一定的缺陷。比如，在模擬合成干涉儀時，由于未能對波導(dǎo)在光導(dǎo)中所產(chǎn)生的各種調(diào)制及效應(yīng)進行精確而透徹的模擬，只能得到一個大致的模擬，缺乏足夠的理論基礎(chǔ)，從而降低了模擬的可靠性，從而導(dǎo)致本文未能得到復(fù)雜干涉儀的彎曲和變形。針對以上問題，必須在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合有關(guān)的參考資料，進一步完善光學(xué)原理。參考文獻[1]盧一鑫，楊璐娜.光纖傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J].科技信息，2011(3):113-114P.[2]彭利標，田野，李冰玉，等.光纖傳感器及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2014,22(21):189-192P.[3]李昕彤.干涉型光纖傳感器實用中若干關(guān)鍵問題的研究[D].北京：清華大學(xué),2003.[4]李川，張以謨，劉銀根，等.全光纖白光干涉型光纖傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2001(2):91-93P.[5]LoYL，LaiHY，WangWC.DevelopingstableopticalfiberrefractometersusingPMDIwithtwo-parallelFabry-Perots[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,2000,62(1):49-54P.[6]MarshallRH,NingYN,PalmerAW,etal.Simultaneousmeasurementofacanddcstressesusingafibre-opticelectronicallyscannedwhite-lightinterferometer[J].SensorsandActuatorsA:Physical，1998，64(3):225-229P.[7]FabriciusN,GauglitzGIngenhoffJ.A