光纤Michelson白光干涉传感研究.docx

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 学 院： 理学院 专 业： 光信息科学与技术 班 级： 光学1001班 姓 名： 宁元波 学 号： 01040115 指引教师： 傅海威 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、敏捷度高、损耗低及易于实现分布传感等优势得到了广泛应用，老式光学干涉原理研制出的相位调制型光纤传感器，其突出的长处是敏捷度高，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陷，通过参照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简介，由于白光干涉技术因其具有的长处在越来越多的行业里得到了广泛的应用，因此白光干涉技术在后来很长时间会处在高速发展阶段基于此，文章简介了光纤白光干涉传感技术，特别是光纤Michelson白光干涉传感器的原理，及它的多种长处在此基本上，设计了几种不同光纤的迈克尔逊白光干涉传感器，本文中所用构造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），用该构造测量其折射率并对其进行实验研究实验成果表白：液体折射率在1.333-1.402变化范畴内，传感器敏捷度为100nm/RIU；温度在20-110℃变化范畴内，传感器敏捷度为25pm/℃核心字：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论文重要内容------------------------------------------------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老式迈克耳逊干涉---------------------------------------------------------2.4光纤Michelson白光干涉----------------------------------------------------2.5光纤白光干涉型传感器的长处---------------------------------------第3章 传感器的制作----------------------------------------------3.1光纤种类--------------------------------------------------------------3.2单模光纤的传播原理------------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 实验过程与成果----------------------------------------------4.1折射率响应实验------------------------------------------------------------------ 4.1.1 实验过程--------------------------------- 4.1.2 实验成果-------------------------------------------------------------------4.2 温度响应实验---------------------------------------------------------------- 4.2.1实验过程----------------------------------------------------------- 4.2.2 实验成果-------------------------------------------------------------第5章 总结与展望------------------------------------------------------参照文献第一章 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，这就是出名的杨氏干涉实验。

此后，人们开始研究多种干涉测量技术，逐渐形成了一种高敏捷度的测量措施当激光的出生，使得到高强度的相干光源变得简朴，致使该测量技术得到了迅猛的发展应用然而随着着光纤的浮现，使光可以在柔软可弯曲的低损耗光波导中传播，替代在空间传播特别使用全光纤的器件，可以使干涉仪做的非常简朴，省去了复杂的调解过程这样的系统稳定可靠，大大减少了外界干扰引入的噪声，大幅度提高干涉测量的敏捷度，从而发展出了一类光纤传感器，就是高敏捷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并且测量过程对被测器件和样品没有破坏性目前，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老式传感器作比较，光纤传感器具有优于老式传感器的长处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、敏捷度高、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种重要分支就是运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，其具有的长处为：1) 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规定，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，减少对工作环境的规定。

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，并且光波在光纤的传播时表征的特性参量（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目前几乎所有的物理参量均有与之相应的光纤传感器，且白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老式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状况下才干发生干涉，因此不会产生干扰条纹同步，由于白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置，避免了干涉级次不拟定的问题并且白光干涉仪的一种重要长处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，以激光波长为原则量的老式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，此类系统的单值动态范畴一般很小而当测量系统在重新启动时无法辨认出干涉级的级数，只能进行相对测量。

与此同步，该类系统对温度、湿度、压力等外界环境规定苛刻，其构造复杂，且成本高比较之下，其中的某些难题可被低相干光源的白光干涉仪解决，该系统不仅对物理量能绝对测量，还能使传感器的动态范畴得以扩大，同步提高辨别率并且低相干光源与多模光纤价格便宜在将来的航天、医疗、建筑、军事等领域，越来越需要机灵、实时、精确的传感器，而光纤传感器就是如此并且容易地实现多路复用是白光干涉仪的一种重要长处随着时代的进步,光纤白光干涉传感技术会不断发展，该技术日趋完善的同步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，目前几乎所有的物理参量均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，TAKADA［5］等人初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]在信号解决方面，某些新方案的提出，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干涉仪始终被用来测量微小的空间位移而第一种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 Hocker［8］证明了光纤干涉法测量机械载荷对构造产生的应变，可以看作光纤构造传感领域最早的里程碑之一1983 年，Brian Culshaw 课题组[9] 初次报道了基于白光干涉原理在光纤传感中的应用，启动了光纤白光干涉传感技术的研究方向以其测量速度快、非接触和大范畴等优势被广泛应用[3] 特别是在MEMS 技术中，白光扫描干涉术已经成为了一种原则的测试措施据由美国光学工程师学会(OSA)主办的一年一度的国际光纤传感会议(OFS)第15届会议记录,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，英国曼彻斯特举办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，全光纤干涉仪以及合用于危险地区、电磁噪声恶劣的环境过程控制用的高辨别率长冲位移传感器。

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“光应用筹划控制系统”的规划，该筹划投资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播和生产过程的过程控制问题20 世纪90 年代，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，随着着光电技术、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、传播传感合一、无中继传播距离长等长处的光纤传感技术，在安防系统中得到了应。