光纤michelson白光干涉传感研究毕业论文(编辑修改稿)

光纤michelson白光干涉传感研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

率调制型光纤传感器、偏振调制型光纤西安石油大学本科毕业论文 6 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术得到发展。 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。 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。 西安石油大学本科毕业论文 7 (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，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。 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 510 m，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。 光纤传感器进行物西安石油大学本科毕业论文 8 理量的测量具有以下优点。 适用范围广。 光纤传感器是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。 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。 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 109 的数量级。 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 5mm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，可以给出西安石油大学本科毕业论文 9 与该分子与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，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。 传统迈克耳逊干涉 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西安石油大学本科毕业论文 10 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 21 图迈克耳逊干涉结构图。 反 射 镜 M2 反 射 镜 M1接 收 屏 分 光 镜光 源G1 图 21 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 )， M 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 后各有几个小螺丝可调节其方位。 当 M2 和 M2’(未画， M2 移动一定距离后 )严格平行时， M2 会移动 ， 表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心 “ 吐出 ” 或向中心 “ 吞进 ”。 两平面镜之间的 “ 空气间隙 ” 距离增大时，中心就会 “ 吐出 ” 一个个条纹；反之则 “ 吞进 ”。 M2 和 M2’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在 M2 移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置， M2 平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足 Nd 2 ， λ 为入射波波长。 而 经 M2 反射的光三次穿过 G1 分光板，而经 M1 反射的光通过 G1 分光板只一次。 G2 补偿板的设置是为了消除这种不对称。 在使用复色光源时，由于玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可或缺的。 如果要观察到白光干涉条纹，则两相干光的光程差要非常小，此时就可看到彩色条纹。 光纤 Michelson 白光干涉 测量系统的光路结构如 22 图所示，由一个光纤迈克尔逊干涉仪构成。 该干涉仪中，由一个 22 的 3dB 耦合器和光纤组成 ,光纤连接在耦合器上组成参考臂和信号臂 ,耦合器对光进行了分路和合路，干涉仪的光程差通过液体浓度来改变。 当二个光束之间光程差小于光源相干长度的时候，就会产生白光干涉图。 当两光束的光程绝对相等西安石油大学本科毕业论文 11 时，光程精确匹配，干涉图出现中央条纹，该中央条纹位于干涉图中心，具有振幅极大，可精确测量物理量。 光纤白光干涉技术作为一种有效的方法可以对温度导致的光程变化进行测量。 光纤干涉主要是通过对光进行先“分流”再“汇流” (耦合器 )，使不同光路中光所走的光程差不同，光场相位不一样，从而在“汇流”处叠加时产生干涉相长或干涉相消。 而光纤干涉传感，主要是由于被测物理量变化会引起 光场变化 (强度、相位 )进而导致汇流处光波相长或相消，最终导致干涉条纹变化。 反过来根据干涉条纹的变化就可以探测出被测物理量。 光纤干涉式传感器根据其引入光路差异的方式主要有四种：光纤马赫曾德干涉 (MZI)传感器、光纤珐珀干涉 (FPI)传感器、光纤迈克尔逊传感器和光纤萨格纳克干涉传感器，但是在本论文中我们只涉及一种，即光纤迈克尔逊传感器。 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。