光纖Michelson白光干涉傳感研究西安石油大學本科畢業論文題目:光纖Michelson白光干涉傳感研究學院：理學院專業：光信息科學與技術班級：光學1001班姓名：寧元波學號：201001040115指導教師：傅海威摘要：光纖傳感器以抗電磁干擾能力強、耐高溫、耐高壓、抗化學腐蝕能力強、輕巧、靈敏度高、損耗低及易于實現分布傳感等優勢得到了廣泛應用，傳統光學干涉原理研制出的相位調制型光纖傳感器，其突出的優點是靈敏度高，但卻只能進行相對測量，即只能用作變化量的測量，而不能用于狀態量的測量。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。本文對光纖白光干涉傳感技術的研究現狀和背景進行介紹，由于白光干涉技術因其具有的優點在越來越多的行業里得到了廣泛的應用，所以白光干涉技術在以后很長時間會處于高速發展階段?；诖?，文章介紹了光纖白光干涉傳感技術，尤其是光纖Michelson白光干涉傳感器的原理，及它的各種優點。在此基礎上，設計了幾種不同光纖的邁克爾遜白光干涉傳感器，本文中所用結構是邁克耳遜干涉儀的傳感臂為單模光纖末端熔接一段5mm的多模光纖，而補償臂為光纖微腔（單模光纖與多模光纖構成的），用該結構測量其折射率并對其進行試驗研究。實驗結果表明：液體折射率在1.333-1.402變化范圍內，傳感器靈敏度為100nm/RIU；溫度在20-110℃變化范圍內，傳感器靈敏度為25pm/℃。關鍵字：Michelson白光干涉；白光干涉；折射率；光纖；溫度 白光干涉產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。而且白光干涉儀的一個主要優點就是可以容易地實現多路復用，因此光纖傳感器的發展非常迅速[1-2]。在精密測量條件下，以激光波長為標準量的傳統單模激光檢測設備具有很高的相干性，測量精度可達納米級至亞納米級；受光學傳遞函數的周期影響，這類系統的單值動態范圍一般很小。而當測量系統在重新啟動時無法識別出干涉級的級數，只能進行相對測量。與此同時，該類系統對溫度、濕度、壓力等外界環境要求苛刻，其結構復雜，且成本高。比較之下，其中的一些難題可被低相干光源的白光干涉儀解決，該系統不但對物理量能絕對測量，還能使傳感器的動態范圍得以擴大，同時提高分辨率。而且低相干光源與多模光纖價格便宜。在未來的航天、醫療、建筑、軍事等領域，越來越需要靈巧、實時、準確的傳感器，而光纖傳感器就是如此。而且容易地實現多路復用是白光干涉儀的一個主要優點。隨著時代的進步,光纖白光干涉傳感技術會不斷發展，該技術日趨完善的同時也發展了越來越多的應用。1.2國內外現狀從光纖傳感器作為新一代傳感器迅速發展開始，現在幾乎所有的物理參量都有與之相應的光纖傳感器。1987年，Youngquist等[10]展示了一種光學相干域反射計的光學評估新技術，后來被簡稱為光學低相干反射計(OLCR)。在1985一1989年其間，基于白光干涉原理的傳感器被廣泛用于壓力，溫度和應變，折射率的測量研究中。1987年，TAKADA［5］等人首次提出光纖白光干涉技術，由于其成本低、精度高，廣泛應用于光纖器件的色散、延時等參量的測量[7]。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。發展了高速機械掃描技術，掃描速度從21m/s而，提高到了176m/s。自從1880年發明干涉儀之后，Michelson干涉儀一直被用來測量微小的空間位移。而第一個完整的基于白光干涉技術的位移傳感系統是在1984年報道的。該工作顯示出白光干涉測量技術可以應用于任何可以轉換成絕對位移的物理量的測量，并且具有很高的測量精度。1978年ButterandHocker［8］證明了光纖干涉法測量機械載荷對結構產生的應變，可以看作光纖結構傳感領域最早的里程碑之一。1983年，BrianCulshaw課題組[9]首次報道了基于白光干涉原理在光纖傳感中的應用，開啟了光纖白光干涉傳感技術的研究方向以其測量速度快、非接觸和大范圍等優勢被廣泛應用[3]。特別是在MEMS技術中，白光掃描干涉術已經成為了一種標準的測試方法。據由美國光學工程師學會(OSA)主辦的一年一度的國際光纖傳感會議(OFS)第15屆會議統計,應力光纖傳感器以28%的市場份額成為光纖傳感器市場的領航者[6]。同樣在1983年，英國曼徹斯特舉行的歐洲傳感器展覽會上展出了用于壓力、溫度、速度測量的傳感器，全光纖干涉儀以及適用于危險地區、電磁噪聲惡劣的環境過程控制用的高分辨率長沖位移傳感器。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。日本在20世紀80年代便制定了“光應用計劃控制系統”的規劃，該計劃投資70億美元旨在將光纖傳感器應用于大型工廠，以解決強電磁干擾和易燃、易爆等惡劣環境中信息傳輸和生產過程的過程控制問題。20世紀90年代，由東芝、日本電器等15家公司和研究機構研究開發出12種具有一流水平的民用光纖傳感器。近年來，伴隨著光電技術、計算機技術和集成電路技術的發展、具有抗腐蝕、抗環境干擾、無電磁輻射、傳輸傳感合一、無中繼傳輸距離長等優點的光纖傳感技術，在安防系統中得到了應用[4]。2005年天津大學精密儀器與光電子工程學院利用集成光學原理設計研制了邁克爾遜干涉芯片，并與光纖質量簡諧振子、光源、光電探測器制成邁克爾遜干涉型加速度地震檢波器，設計參數相位檢測靈敏度為1.1*10-2rad/(m.s-2)，測試結果表明，在工作頻帶0-1065Hz內，振動與檢波器輸出信號吻合良好，達到設計要求。2007年5月，南京大學，用光纖白光干涉技術測量晶體的彈光系數，通過測量石英晶體在不同外力下折射率的變化情況，確定了晶體的彈光系數，石英晶體的彈光系數P33和P13分別為0.110和0.279，其準確度達到0.001。國外光纖傳感器目前主要應用在以下幾方面：1光纖傳感器系統，其主要研究方向是水聲，磁強計等。2.現代數字光線控制系統，如使用光纖譯碼的系統代替直升機駕駛員的控制等研究。3.光纖陀螺，這是目前進展最快，最好的領域之一，包括理論的研究，器件及模型，全袖珍結構的研究。4核輻射監控，主要內容是核彈實驗中的等離子診斷及有關光纖對輻射靈敏度的研究，并為核污染區提供具有遙控性能的化學傳感器。5飛機發動機監控，使用光纖將發動機的信息如溫度，葉尖故障，葉尖振動，及油量等信息送到監控器上，從而對發動機進行監控。6民用研究計劃，主要研究店里，公用事業等用的光纖傳感器，實現對電流，磁場，溫度等的監控。白光干涉方法以其結構簡單和成本低廉等優點，近年來已被廣泛應用到光學元件的色散測量中，Murphy等人最早將基于窗口傅里葉變換的白光干涉方法用于高色散材料的群折射率測量中［11］。隨后，Reolon等人提出利用小波變換算法從干涉信號的小波脊中提取相位，進而得到材料的群折射率［12］。但是這兩種方法均不能克服相位求導過程中引入的誤差放大效應。最近，Kim等人提出將白光干涉儀和共焦掃描顯微鏡相結合來同時測量材料的群折射率和厚度，但是需要機械掃描來測試寬波段的色散，因而測量過程比較復雜［13］。隨著生物化工產業的蓬勃發展,國內外科研學者越來越多地關注生化傳器。在環境監測、臨床檢驗、食品檢測等眾多領域中，新型生化探測技術成為重要的研究課題。作為反映液體本質的折射率，在生產實踐中具有非常重要的地位。因此探究折射率檢測方法有著重要的研究意義與價值。目前有很多關于折射率的測量方法，其一就是光纖傳感技術,其具有靈敏度高、抗電磁干擾、抗化學腐蝕、尺寸小和快速響應等特點。在折射率傳感領域引起了人們的廣泛興趣，目前已廣泛的研究基于光纖的各種折射率傳感器。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。但在折射率1.4以下液體，測量結果的靈敏度不是很理想。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。本文介紹了用光纖邁克爾孫白光干涉測定液體折射率原理與方法。其結構主要由一段5mm多模光纖(MMF)與單模光纖組成,基本原理主要基于耦合模在多模光纖中形成的模場干涉。以上說明隨著光纖白光干涉傳感技術的不斷發展，該技術日趨完善，同時也發展了越來越多的應用，因此值得研究。1.3光纖白光干涉傳感技術在當今高新技術迅速發展的信息時代，獲取工作機器和工作環境內準確而可靠的信息，已經成為做好一切工作的前提，而獲得這些重要的信息，并利用這些信息去控制機器，以便于改善機器的性能和提高工作環境的質量，于是一種被稱為傳感器的裝置就逐漸應用開來。在傳感器中包含著兩個必不可少的概念：一是采集信息，而是把采集到的信息進行變換，變換成一種與被測物理量有確定函數關系的而且便于傳輸和處理的物理量(一般為電量)，比如，利用溫度傳感器把溫度轉變為與被測溫度有確定關系的電流或電阻的變化；利用化學傳感器把被測液體中的pH值轉換為電壓的變化等。近二十多年來，隨著科學技術的飛速發展，特別是微電子加工技術！微計算機技術！信息處理技術以及材料技術的發展，使得綜合著各種先進技術的傳感技術進入了一個前所未有的飛速發展階段，并在國民經濟的各個相關領域中的應用日益廣泛。傳感器作為信息采集和信息轉換的重要部件是測量和控制系統的首要環節，這使傳感技術成為測試計量和工業自動化！智能化的關鍵技術。傳感技術的新發展和廣泛應用，有力地促進了軍事，航空，工業，農業，環保以及民用電器等技術水平的提高。用于洲際導彈慣性制導的加速度傳感器的精度可達萬分之一，使之可以準確地測出所需的坐標位置；空對空導彈的前端的紅外探測傳感器可以靈敏地跟蹤敵機；利用光注入電荷耦合傳感器和計算機可以使巡航導彈按設定路線找到攻擊目標。在工業中，現代化的大型化工廠的集中管理，裝配生產線的運行都需要在各種環節上安裝傳感器以實現自動化管理與控制。目前在裝配線上工作的機器人多半是從事焊接及噴漆類的簡單操作，如果增加視覺及觸覺傳感器就可以使目前的機器人變成具有判斷能力的智能機器人，能在多樣化的柔性生產系統中靈活地進行作業；汽車工業的發展也將需要更多的傳感器，例如測震傳感器,探測前后方向障礙物的傳感器等。白光干涉測量也稱為低相干測量方法，在經典的玻璃光學中已有詳盡闡述。同所有的干涉原理一樣，光纖白光干涉測量技術的光程改變可以通過干涉條紋來進行分析。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。1984年，報道了第一個完整的基于白光干涉技術的位移傳感系統，其顯示出白光干涉測量技術的優點,即可以測量可以轉換成絕對位移的物理量，并且測量精度很高。在隨后的五年里，壓力溫度和應變的測量中，以白光干涉原理的傳感器被大量使用。光相位調制型光纖傳感器即干涉型光纖傳感器，其原理是：通過被測物理量的作用，使光纖內的光發生相位變化，接著用干涉測量技術把相位變化轉化為光強變化，從而檢測出待測物理量。光纖中的光相位由傳播常數、折射率及其分布、波導幾何尺寸所決定，可以表示為k0、n、L，其中k0為光在真空中的波數；n為傳播路徑上的折射率；L為傳輸路徑的長度。一般來說，折射率、溫度等外界物理量能使上述參數直接改變，進而傳輸光相位發生變化，實現相位調制。但是由于光的頻率非常高，目前沒有具有這樣高的響應速度的各類光探測器，所以不能直接探測光的相位變化，因此用干涉測量技術，可以將光纖中傳輸的光的相位變化檢測出來。光纖傳感技術中最基本的傳感技術是相位調制型傳感技術。因為這種檢測技術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。例如，對于波長為1550nm的光，波相位變化所對應的光程差為：接近一個原子核的大小。因此高精度的長度檢測要用相位調制傳感技術光纖是利用光的全反射原理來引導光波的。當光波在光纖中傳輸時，表征光波的特征參量（如振幅、相位、偏振態、波長等）會由于被測參量（如溫度、壓力、加速度、電場、磁場等）對光纖的作用而發生變化，從而引起光波的強度、干涉效應、偏振面發生變化，使光波成為被調制的信號光，再經過光探測器和解調器從而獲得被測參量的參數。在光纖中傳輸的光波可用如下方程描述：式中，E0為光波的振幅、ω為圓頻率、Ψ為初相角。式包含五個參數，即強度E0、頻率ω、波長λ0=QUOTE（c為光速）、相位（QUOTE）和偏振態，在被測量的敏感頭內與光發生相互作用，如果作用的結果是改變了光的相位，那么就叫做相位調制型光纖傳感器，其他諸如強度調制型光纖傳感器、頻率調制型光纖傳感器、偏振調制型光纖傳感器、波長（顏色）調制光纖傳感器依次類推。其中的相位調制光纖傳感器因其靈敏度高，便于實現全光纖傳感等優點而在近年來得到了深入的研究?？傊?，現代科學技術的進步促進了傳感技術的發展，同樣，傳感技術的發展也促使相關領域的技術得到發展。1.4論文主要內容本論文的主要內容是光纖邁克耳遜白光干涉傳感研究，在閱讀了許多國內外文獻后，對能光纖邁克耳遜白光干涉傳感做了詳細的介紹，根據實驗室的條件做了相關實驗，設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狀。第二章首先介紹了光的干涉條件和光纖白光干涉傳感技術，下來介紹了傳統邁克耳遜干涉基本結構原理，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。第四章根據設計的傳感器方案，進行實驗，主要作了折射率響應實驗及其實驗過程和結果分析，同時還作了溫度響應試驗研究及其實驗過程和結果分析。第五章論文總結。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。以上現象的產生，是因為光產生了干涉現象。本章在介紹光的干涉條件的基礎上，主要說明光纖Michelson白光干涉原理。2.1光的干涉條件當滿足一定的條件,才會發生光的干涉現象，我們把這些條件稱之為相干條件，若光發生干涉現象,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象。(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。2.2光纖傳感原理及分類應用光纖傳感原理光纖傳感技術是20世紀70年代中期伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界待測信號的新型傳感技術。光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來檢測。量度它所受到環境的變化通過被測物理量的變化來調制波導中的光波，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。根據調制區域與光纖的關系，可將調制分為兩大類：一類為功能型調制，調制區位于光纖內，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，也稱內調制型傳感器，光纖同具“傳”和“感”兩種功能。同光源耦合的發射光纖與同光探測器耦合的接收光纖為一根連續光纖，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制，調制區域在光纖之外，外界信號通過。外加調制裝置對進入光纖中的光波實施調制，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制型光纖傳感器。光纖傳感器按被調制的光波參數不同又可分為強度調制光纖傳感器，相位調制光纖傳感器，頻率調制光纖傳感器，偏振調制光纖傳感器和波長(顏色)調制光纖傳感器。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5-10QUOTEm，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。一般相位調制型和偏振調制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強度調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。光纖傳感器進行物理量的測量具有以下優點。1、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，因而能在質量差的環境下工作，如強磁場，強電場，高溫，高壓，強腐蝕性等傳統傳感器難以勝任的地方。因其具有適用范圍廣的優點。2、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。3、靈敏度高。光纖傳感器技術在許多物理量的測量中表現出極高的靈敏度，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。用于位移測量的光纖傳感器，其靈敏度可達10-9的數量級。4、可實現遠距離測量。光纖傳感器用光纖作為傳輸介質，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實。本文設計的測量裝置中，采用了一根5mm的石英多模光纖作為傳感介質。光纖傳感應用光纖傳感技術優于其他傳感技術的原因在于它是在光纖通信的基礎上發展的。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科學。光纖傳感技術由于相對于傳統傳感技術有著多方面的優勢，從而在各個領域得到普遍的應用。下面就列出幾個它的主要應用領域[3]，并加以簡單說明。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境和周圍空氣中含有的物質，如重金屬，化學物！燃化油蒸汽等，都不利于常規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展。在工礦企業中，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，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)?；瘜W，生物化學和醫用傳感器在這個測量應用領域中，使用的基本換能手段大部分都可以歸結在常規的化學測量傳感方法的范疇內。由光激發的原子或分子的各種可能態之間的躍遷具有相當明確的特征，可以給出與該分子與周圍介質耦合關系有關的豐富信息。因此，與化學結構相關的信息，可以通過對光吸收系數，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，通常可借助比色試劑或指示劑觀察某一反應產物，從而對直接參與反應的各類物質進行光測量來完成。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境中，無需前往現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，醫用物理傳感器等。光纖傳感器在航空和航海中的應用航空工業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，由于航空工業在接受新型儀器系統方面向來很保守，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應用的開端。光纖在航海工業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測的植入式光纖傳感器，燃燒式渦輪發動機的先進檢測；航海方面：水聽器（尤其是后托式多元陣列），地磁儀。光纖傳感器的其他應用除了以上介紹的三個主要應用領域外，光纖傳感器還有幾個比較重要的應用，如安全保險系統，結構檢測等領域?？傊?，光纖傳感器已經深入到很多的行業領域，發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。2.3傳統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生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過調節干涉臂長度以及改變介質的折射率來實現，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，要分析某種干涉產生的圖樣，必求出相干光的光程差位置分布的函數。如2-1圖邁克耳遜干涉結構圖。圖2-1邁克耳遜干涉結構圖若干涉條紋發生移動，一定是場點對應的光程差發生了變化，引起光程差變化的原因，可能是光線長度L發生變化，或是光路中某段介質的折射率n發生了變化，或是薄膜的厚度e發生了變化。G1是一面鍍上半透半反膜，G2為補償板(未畫出)，M1、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節其方位。當M2和M2’(未畫，M2移動一定距離后)嚴格平行時，M2會移動，表現為等傾干涉的圓環形條紋不斷從中心“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N的關系滿足，λ為入射波波長。而經M2反射的光三次穿過G1分光板，而經M1反射的光通過G1分光板只一次。G2補償板的設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。2.4光纖Michelson白光干涉測量系統的光路結構如2-2圖所示，由一個光纖邁克爾遜干涉儀構成。該干涉儀中，由一個的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，就會產生白光干涉圖。當兩光束的光程絕對相等時，光程精確匹配，干涉圖出現中央條紋，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”處疊加時產生干涉相長或干涉相消。而光纖干涉傳感，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傳感器，但是在本論文中我們只涉及一種，即光纖邁克爾遜傳感器。圖2-2光纖Michelson白光干涉測溫原理當光纖溫度變化QUOTE時，由于熱脹冷縮而引起光纖信號臂長度發生變化，溫度變化又引起光纖折射率以及光纖橫斷面的尺寸發生變化，使經過該光纖的光的光程發生變化，進而干涉信號相位將變化QUOTE，導致干涉峰值的位置改變。通過調整步進電機(本論文中是調整光纖微腔長度)找到干涉峰值，使信號臂的長度變化了QUOTE，從而可進行溫度測量。由于光纖橫斷面的尺寸變化非常微小可以忽略，這樣就可得到光程改變量：（2-1）對上式求微分有QUOTE（2-2）其中QUOTEQUOTE（2-3）代入上式QUOTE（2-4）即QUOTE（2-5）因為石英的熱膨脹系數極?。s5.5×10-7/oC），長度隨溫度變化量是微不足道的。感知溫度引起的光程變化主要取決于式（2-5）前項，可見折射率的變化在這里其主要作用。單光纖的長度與測溫裝置的靈敏度密切相關，可根據所要求的靈敏度ΔT來確定傳感光纖的長度。2.5白光干涉型傳感器的優點絕對測量—可測絕對光程。強抗干擾—系統抗干擾能力強，系統分辨率與光源波長穩定性、光源功率波動光纖的擾動等因素無關；測量精度僅由干涉條紋中心位置決定。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生干涉，因此避免了干擾條紋的產生。與此同時，白光干涉產生的干涉條紋具有明顯的零光程差位置，不出現干涉級次不確定的問題。而且白光干涉儀的一個主要優點就是多路復用，其傳感信息可以遠距離測量,且能實現多路復用或準分布式測量。多段傳感光纖連在一條或多條光纖總線上，只需要掃描一個干涉儀就可以對全部傳感器進行調解，所需信號處理比較簡單。光源，干涉儀及處理電路等可以放在離傳感區域很遠的地方，兩者通過傳輸光纖相連，且測試性能不受傳輸光纖長度等變化的影響。作為傳感光纖，其長度可以從幾十微米到幾十公里變換，根據具體的應用情況選擇相應的長度。尺寸短的應變傳感器主要應用于材料的局域應變狀態的測量，且應該放置在高應變臨界點處。而對于大型結構，如懸拉橋，需要空間的穩定性，對于變形的測量非常重要，而且要求傳感器的長度應具有米量級或更大。光纖Michelson干涉儀系統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。當然,光纖Michelson干涉儀系統還有別的用途，這有待于進一步研究、開發。綜上，白光干涉型傳感器的優點：小尺度，幾何形狀可變，本質安全，高靈敏度，抗電磁場干擾，與材料和結構兼容，制作安裝方便，結構簡單，低造價，易于多路復用，傳感器長度可變。傳感器的制作“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”，這就是傳感器的概念。傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是當今世界極其重要的高科技，一切現代化儀器、設備幾乎都離不開傳感器。尤其是對于自動化系統和信息系統，傳感器更是關鍵性基礎器件，其技術水平直接影響到自動化系統與信息系統的水平。在信息社會中，為推動社會生產力的發展，需要用傳感器來檢測許多非電量信息，如壓力、流量、速度、溫度、濕度、以及生物體成分等等。本章是在學習了光纖Michelson白光干涉原理后，根據畢業設計要求設計幾種不同光纖的傳感器，為畢業設計實驗部分做準備。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。3.1光纖結構種類光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。傳輸原理是“光的全反射”。光纖的典型結構是一種細長多層同軸圓柱形實體復合纖維。自內向外為：纖芯（芯層）→包層→涂覆層（被覆層）。核心部分為纖芯和包層，二者共同構成介質光波導，形成對光信號的傳導和約束，實現光的傳輸，所以又將二者構成的光纖稱為裸光纖。其中涂覆層又稱被覆層，是一層高分子涂層，主要對裸光纖提供機械保護，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差，韌性差，為提高光纖的微彎性能，涂覆一層高分子涂層。光纖結構圖如3-1-1所示。圖3-1-1光纖結構光纖種類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)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）按組成材料分按組成材料分按組成材料分 3.2單模光纖的傳輸原理全反射是一種特殊的折射現象，當光線從一種介質1射向另一種介質2時,本來應該有一部分光進入介質2，稱為折射光。另一部分光反射回介質1，稱為反射光。但當介質1的折射率大于介質2的折射率，即光從光密介射向光疏介質時，折射角是大于入射角的，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,稱為全反射現象。產生全反射的條件是：1、須由光密介質射向光疏介質。2、入射角必須大于臨界角(C)。光纖通信利用的就是全反射的道理，光纖在結構上有纖芯和包層兩種不同的介質,光從中心傳播時遇到光纖彎曲處，會發生全反射現象，而保證光線不會泄漏到光纖外。光在均勻透明的，即使是彎曲的玻璃棒的光滑內壁上，借助于接連不斷地全反射，可以從一端傳導到另一端。當棒的截面直徑很小，甚至到數微米數量級，傳導的效果也不變，這種導光的細玻璃絲稱光學纖維，簡稱光纖。光在光纖傳輸過程中，主要有兩種模式：傳導模和輻射模。根據光波導原理，要想形成傳導模，必須具備條件：Kn2<<kn1，其中n1，n2分別是纖芯和包層的折射率，是光在纖芯中的傳播常數假設光信號被束縛在纖芯中，并且沿光纖軸向無衰減地傳播，則須滿足包層中的相速度大于纖芯中光的相速度。如果激勵源，光纖本身形狀，缺陷等因素使傳導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。在光纖中光的傳播規律符合麥克斯韋方程，通過求解方程，傳導模和輻射模都可以精確地用貝塞耳函數和漢克爾函數表示，但是這種方法分析起來復雜，計算比較繁瑣。因此，常被用來計算光波的模式的方法有以下幾種：微擾法、變分法、冪級數展開法等近似方法。由于單模光纖的優點，所以，我們傳輸光時通常使用單模光纖。高斯近似法常被用來描述單模光纖的傳播模式。3.3光纖耦合器光纖耦合器的原理是基于光纖的消逝場耦合的模式理論，在耦合段光纖的包層合并成同一個包層，光纖的纖芯相互靠近，通常用耦合器的分光比來表示。于是根據實際需要可以改變分光比來制作想要的耦合器。耦合器的功能就是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或者把多個輸入光信號分配給一個輸出。它是最基本的光無源器件，具有體積小、插入損耗小、便于操作等優點，在光纖通信中被廣泛使用。按照耦合器的類型可以分為四種：T型耦合器，例如的三端耦合器，其功能是把一端的信號按照一定的比例分給兩個端口；星型耦合器，例如耦合器，它的功能是把n個信號組合在一起分配給m個端口；定向耦合器，例如的三端或者四端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸的信號；波分復用器，它與波長有關，它的功能是把多個不同波長的光組合在一起輸入到同一根光纖中去，相反的是解復用器。3.4使用工具光纖的切割機圖3-4-1光纖的切割機使用方法：光纖切割刀用于切割頭發一樣細的光纖，切出來的光纖用幾百倍的放大鏡可以看出來是平的，切后且平的兩根光纖才可以放電對接。目前使用光纖的材料為石英，所以光纖切割刀所切的材質是有要求的，適應光纖：單芯或多芯石英裸光纖，適應光纖包層直徑為：100-150um。操作方法：

用剝纖鉗去除表層的涂覆層,用蘸酒精的脫脂棉將光纖擦干凈。放入載纖槽中，切割光纖。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。如3-3圖所示光纖端面對準圖。圖3-4-2光纖端面對準圖光纖熔接機圖3-4-3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。2、制備光纖端面。當用剝線鉗前端的鉗口剝去保護套后，接著用剝線鉗靠里面的鉗口剝去光纖外面的涂覆層(鉗口與光纖傾斜放置)，再用沾用酒精的清潔麻布或棉花在光纖上擦試幾次，再用光纖切割刀切割光纖，光纖端面制作的好壞將直接影響熔接質量，所以在熔接前必須制備合格的端面。3、放置光纖。制備好光線斷面后,將光纖放在熔接機的V形槽中，小心壓上光纖壓板和光纖夾具，要根據光纖切割長度設置光纖在壓板中的位置，并正確地放入防風罩中。4、接續光纖。光纖放置好后，選擇合適的熔接方式，按下接續鍵后，準備妥當后(光纖相向移動，移動過程中，產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，設定初始間隙，熔接機測量，并顯示切割角度。在初始間隙設定完成后，開始執行纖芯或包層對準，然后熔接機減小間隙)，兩根電極棒釋放瞬間高壓（幾千伏，不過是很短的瞬間），達到擊穿空氣的效果，擊穿空氣后會產生一個瞬間的電弧，電弧會產生高溫，將已經對準的兩條光纖的前端融化，由于光纖是二氧化硅材質，也就是通常說的玻璃，很容易達到熔融狀態的，然后兩條光纖稍微向前推進，于是兩條光纖就粘在一起了。圖3-5所示光譜分析儀的其相關參數如下：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：±20pm（1520nm~1620nm）最大輸入功率：＋23dB圖圖3-4-4MS9740A光譜分析儀圖3-4-5AES寬帶光源AES寬帶光源：輸出波長：1528nm~1610nm輸出功率：≥10dBm輸出光譜穩定度：≤±0.05dBm/nm(15min)圖3-4-6電子天平如圖電子天平，在本論文中配置蔗糖溶液時使用的實驗儀器，每次使用前，需要按下‘去皮’按鈕，方可稱量，將物品放在紙上，切勿直接將物品放在電子天平上，以下是電子天平的一些參數：電子天平：最大稱重：500g精度：0.001g3.5本實驗所用的傳感器鑒于實驗室的具體條件，本次折射率和溫度傳感器選擇如圖3-5-1所示測量方法。圖3-5-1實驗結構圖如圖3-5-1所示，參考臂由單模光纖與多模光纖構成光纖微腔組成，在圖3-5-1上用一個平面鏡組成，而信號臂是在單模光纖末端接一段5mm的多模光纖（光纖型號105/125-22/250）組成。光源是中心波長在1550nm處的ASE紅外寬帶光源（1550nm處于低損耗的通信窗口）。高分辨率的光譜分析儀和3dB耦合器。耦合器在3.4節已作了介紹，ASE紅外寬帶光源和光譜分析儀的相關參數在3.4節已說明，這里就不再介紹了。用于實際測量中的光纖Michelson白光干涉儀的組成與圖3-5-1所示的結構相比存在一些差別。如圖3-5-1所示，在補償臂的兩個端面上，產生兩個信號。一個信號來自于單模光纖端面的部分反射信號，這部分反射光通過補償臂，第二個反射信號在多模光纖的端面反射。當調節光纖微腔的長度（通過調節單模光纖和多模光纖的相對位置），兩臂光程發生匹配，發生白光干涉。第4章實驗過程與結果分析本章是在以上章節理論學習的基礎上，開始本論文的實驗部分，在這部分主要是將設計的傳感器與光纖邁克爾遜干涉儀結合起來使用，使用其來探測折射率和溫度，所幸的是都出現良好的實驗光譜圖。光源光譜儀光源光譜儀3dB耦合器5mmMMF信號臂光纖微腔參考臂圖4試驗系統圖4.1折射率響應實驗折射率是材料的一個基本參數，是研究材料其它光學性質的基礎，即使用相同材料，不同波長也對應不同的折射率，其測量值對器件設計是至關重要的。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特性，傳統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！不經濟的；又如對材料在紅外波段和紫外波段的折射率，傳統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，但一些技術手段的不足限制了其發展。因此，探求一種精確測量折射率的方法，提高折射率的測量精度和自動化程度，對于分析晶體各向異性性質和晶體材料的實際應用，無疑有重要意義，本文結合邁克爾遜干涉儀的高精密度優勢，實現測量液體折射率。4.1.1實驗過程本試驗使用的光纖傳感器型號為105/125-22/250的階躍多模光纖，折射率響應實驗過程如下：1、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。另一臂接光纖微腔組成補償臂。2、打開光譜儀，將脫脂棉蘸無水酒精擦拭跳線頭，在空氣中放置約半分鐘，待酒精揮發完畢后，再接入光譜儀，設置好參數后，開始進行實驗。3、先測量傳感器在空氣中的現象，用光譜儀記錄下后，再用蔗糖溶液來代替，本實驗用的蔗糖溶液濃度為5%，7%，9，11%，13%，15%，17%，19%等。每隔五分鐘，進行一次光譜掃描，保存數據后，再用脫脂棉吸干凈傳感頭上的蔗糖溶液，換下一濃度的蔗糖溶液。以此類推，直到實驗完所配的蔗糖溶液。4.1.2實驗結果分析記錄完實驗數據后，最后將記錄的數據用Origin數據分析軟件進行分析，Origin是美國OriginLab公司研發的數據分析和科技作圖軟件，是目前廣泛應用的一款數據分析和作圖軟件，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，是科學研究和科研工作者常用軟件之一。以下是傳感器使用該軟件得出的分析結果。圖4-1-1邁克耳遜傳感器在不同濃度蔗糖溶液下的光譜圖4-1-2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4-1-1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4-1-2所示為其局部放大圖。當蔗糖溶液濃度從5%升到19%時，從4-1-2局部放大圖中可以看出，隨著蔗糖溶液濃度的增大，波峰處的能量基本保持不變，波長向長波方向漂移。圖4-1-3波長與折射率變化圖圖4-1-3是波長與折射率的變化規律，當折射率變換了0.0148/RIU時，波長變化了2.12518nm，圖中黑色點為實驗中得到的實測值，直線是對這些實測點進行線性擬合而得到的，由此直線可以得到傳感器的靈敏度為144.56981nm/RIU。4.2溫度響應實驗用光纖邁克爾遜白光干涉儀進行溫度測量實驗研究。這種干涉儀的主要特征是，在輸出光強分布中有一個最大的光強輸出值（具有最大光強的干涉條紋稱為中間條紋），它只有在兩干涉條紋的光程差相等時才能產生，這時所對應的條紋對比度最大。因此可以通過測量步進電機的移動量直接得到干涉儀光程差的變化值，從而實現對被測量變化值的絕對測量。通過溫度變化使光纖的折射率發生改變，從而根據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。該傳感器具有系統結構簡單、性能穩定、容易校準的優點，實驗結果表明是成功的。4-2-1實驗過程實驗過程如下：1、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。另一臂接光纖微腔組成補償臂。2、打開光譜儀，將脫脂棉蘸無水酒精擦拭跳線頭，在空氣中放置約半分鐘，待酒精揮發完畢后，再接入光譜儀，設置好參數后，開始進行實驗。3、將光纖邁克爾遜傳感器放入溫箱進行高溫加熱，來去除傳感器頭的可揮發雜質（如水）以消除其對光譜溫度特性的影響。將溫箱溫度升高到100℃（如溫度過高會將光纖涂覆層徹底破壞而大大降低傳感器的機械強度）并持續30分鐘。然后開始對傳感器進行降溫過程的溫度特性試驗。溫度每降10℃記錄一次數據。實驗所記錄的溫度范圍為50℃到100℃4.2.2實驗結果溫度的變化對波長也有影響，為了得到傳感器的溫度響應特性，本設計對傳感器的溫度特性也進行了實驗研究。在此過程中所測得的相應光譜如圖4-2-1所示。可以看出隨著溫度的增加，光譜向長波方向漂移。同時從圖中可以看出，在不同溫度下，波峰處的能量也發生了一些微小變化。圖4-2-1傳感器對溫度的光譜實驗圖圖4-2-2波長與溫度的變化規律圖4-2-2是波長與溫度的變化規律，當溫度變化了50℃時，波長變化了9.316695nm，圖中黑色點為實驗中得到的實測值，直線是對這些實測點進行線性擬合而得到的，由此直線可以得到傳感器的靈敏度為0.18667nm/℃。第五章總結與展望在光學測量領域中，基于干涉原理的測量系統已成為物理量檢測中最為精確的系統之一。光的干涉計量與測試本質上是以光波的波長作為單位來進行計量的，現代的干涉測試與計量技術己能達到一個光波的幾百分之一的測量精度，干涉測量的更大特點是它具有更高的靈敏度(或分辨率)和精度，日前用激光干涉儀可測量小于一個原子量級的變化量，可以說，干涉儀已成為最靈敏的光學系統。在這些測量系統中，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。這類系統采用激光波長為標準量，在精密測量條件下，可達納米級至埃米級的測量精度，但是，由于受光學傳遞函數的周期性影響，這類系統致命的缺陷是單值動態范圍一般很小，而且動態范圍的擴大是非常困難的，由于測量系統在重新啟動時無法對干涉條紋的級數進行識別，只能作為物理量相對測量的一種手段。另外，激光要求光學元件具有極端的精確性，往往使系統更為復雜。所以，這類系統對溫度