Michelson干涉型光纤传感器原理.

光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。

它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。

光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。

一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。

通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。

光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。

二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。

1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。

它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。

当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。

2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。

它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。

光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。

通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。

3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。

它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。

通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。

三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。

1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。

通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。

2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。

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：201001040115指导教师：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、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；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------------------------------------------------------------------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。

想象一下光纤电缆里有个小迪斯科派对！ Fabry—Perot干涉仪通过在纤维中设置两个部分反射的表面来创造出一个酷酷的光亮显示器，类
似于一个用于光线的迷你舞楼。

当光线在两个表面之间开始回转时，
它会产生奇异的干扰模式。

但这里是真正很酷的部分——任何外力或拉在纤维上会改变舞池的大小，使干扰模式发生改变。

就像有线电视
告诉我们 "嘿，这里有事" 这样，我们就能用超高的敏感度和精确度来测量所应用的力量。

这就像光纤电缆是终极的派对动物，总是准备好感受最微小的动作！
另一个例子是米歇尔森干涉仪（Michelson interfermed），它使用一个奇异的光束分光器将电线光线分成两条路径。

一条路通过感知纤维
而另一条路只是作为参考两条路径的光线随后被混合在一起，形成干
扰图案。

当感知纤维经历温度或强度等外部变化时，两条路径之间的
相位差异会发生变化，导致干扰模式的转变。

通过测量这种转变，我
们可以准确地检测和测量外部的变化。

利用基于干扰的光纤传感器可带来多种好处，包括提高敏感性、抗电
磁干扰以及远距离扩展探测的可能性。

这些传感器在结构健康监测、
环境监测和生物医学诊断等领域广泛应用。

随着光学技术的持续发展，干扰技术在推进开创性和可信赖的光纤感知系统方面仍然至关重要。

迈克尔干涉实验原理
迈克尔干涉实验是一种利用干涉现象来测量光的波长的实验方法。

其原理是通过在光路中引入一个位移器，将一束光分成两束光，然后通过一个反射器使这两束光回到一起，在屏幕上形成干涉条纹。

当位移器的位置发生改变时，干涉条纹的位置也会发生改变。

根据干涉条纹的移动情况，可以推导出光的波长。

实验中使用的光源可以是单色光或白光，但必须保证光的振动方向相同。

当光通过位移器后，其振动方向会发生改变，因此需要在实验中使用一个偏振片或波片来调整光的方向。

通过调整位移器和偏振片的位置，可以使得两束光的振动方向相同，从而实现干涉。

在观察干涉条纹时，可以使用目镜或相机来记录条纹的位置。

通过对干涉条纹的分析和测量，可以得到光的波长。

同时，还可以通过改变位移器的位置，观察干涉条纹的变化情况，从而研究光的传播规律。

综上所述，迈克尔干涉实验利用干涉现象测量光的波长，通过调整器件的位置和方向，观察干涉条纹的变化，从而推导出光的波长。

一、引言光纤传感由于具有本质安全、电绝缘性好、灵敏度高及便于连网等优点，已在许多物理量的测量中得到应用，特别是基于光纤干涉的传感系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。

光纤干涉仪是一种高精度测量仪器，但存在相位随机漂移及倍频等光学问题。

现有文献报导中，解决的方法是采用相位生成载波技术，调制解调的实现过程复杂，并有可能产生信号波形的失真。

另外，虽有采用压电陶瓷（PZT）的报导，但未见对相位随机漂移及倍频问题的具体解决方法。

为此，本文给出一种简单实用的解决方案，在原理上说明其可行性，并进行了实验验证。

二、Michelson干涉型光纤传感器原理图1所示为Michelson相位调制型光纤干涉仪结构示意图。

由激光器发出的相干光经光隔离器和耦合器后一分为二分别送入2根长度基本相同的单模光纤（即干涉仪的两臂，其一为信号臂，另一参考臂），而后被反射膜反射，在耦合器的输出端发生干涉。

显然，这是一种双光束干涉仪，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度有关，其相位为两臂光相位之差，干涉场光强分布为I=I1+I2+2I1I2cos（Φ）=A+Bcos（Φ）（1）Φ=2nπl/λ（2）式（1）右端是光电转换的信号，I1、I2分别为干涉仪两臂单独存在时的光强，在检测时通常以直流项对待；2I1I2cos（Φ）表示干涉效应，当Φ=2mπ时，为干涉场的极大值，其中m为干涉级次。

式（2）中，Φ为干涉仪两臂光波的相位差，它可以表示为因为环境波动引起的随机漂移信号S和待测信号N之和，由光波波长λ、光纤折射率n以及光纤两臂长度差l共同决定。

在波长一定的情况下，两臂光程差改变nl，就改变了干涉信号的相位差，从而实现传感功能。

干涉光信号由光电转换器（PD）转换为电信号。

通过检测电信号的变化，就得到相应的干涉光信号的相位变化。

三、相位漂移及倍频原因简析由式（1）可见，I随Φ呈余弦变化规律，I～Φ关系曲线如图2所示。

在Φ=2nπ处为最大值（n=0，±1，±2，⋯⋯），而在Φ=（2n+1π处取值最小，而在Φ=nπ+π/2处变化最快，I变化最快即表示此时干涉仪具有最高灵敏度。

光纤传感器的工作原理
光纤传感器是一种基于光学原理工作的传感器。

它采用光纤作为传输介质，利用光纤的折射和反射等特性来探测物理量。

其工作原理可以分为两种类型：
1. 变形型光纤传感器
变形型光纤传感器是根据物理量的变化引起传感器光纤变形的原理来实现信号检测的。

当物理量如温度、力、压力等作用在传感器上时，会使光纤发生形变，从而改变光纤中光的传输方式。

这种变化会导致光信号的强度、相位和波长等发生变化，进而被检测器检测出来，实现对物理量的测量。

2. 干涉型光纤传感器
干涉型光纤传感器是基于干涉原理来实现的。

它依靠光纤中光的干涉现象，测量物理量对光程差的改变，进而得到物理量的参数。

干涉型光纤传感器主要有两种类型，即迈赫尔干涉型光纤传感器和马赫曾德干涉型光纤传感器。

其中，迈赫尔干涉型光纤传感器是基于一条光纤，在光纤中引入光纤衍射光栅，使光线发生干涉现象从而实现对物理量的测量；马赫曾德干涉型光纤传感器则是基于两条光纤，在两条光纤中加入一个反射器，使两条光纤的光线在反射器处相遇，从而形成干涉现象，实现对物理量的测量。

无论是变形型光纤传感器还是干涉型光纤传感器，其工作原理都是利用光纤的特
点来提高测量的精度和灵敏度，从而实现对物理量的高精度、高灵敏度、无干扰的测量。

光纤干涉传感器原理引言：随着科技的不断发展，传感技术已经成为现代工程领域中不可或缺的一部分。

光纤干涉传感器作为一种重要的传感器技术，具有高灵敏度、高分辨率和免受电磁干扰等优势，在工业、医疗、环境监测等领域得到了广泛的应用。

本文将介绍光纤干涉传感器的原理和应用。

一、光纤干涉传感器的基本原理光纤干涉传感器是利用光的干涉现象进行测量的一种传感器。

其基本原理是通过光纤中的光的传输来感知被测量的物理量。

光纤干涉传感器主要由光源、光纤、光纤连接器、光纤分束器和光纤接收器等组成。

1. 光源：光源是光纤干涉传感器的核心部件之一，可以是激光器、LED等。

其作用是提供稳定的光源，保证传感器的测量精度和稳定性。

2. 光纤：光纤是信息传输的通道，可以将光信号传输到被测物体或环境中。

光纤通常由光纤芯、光纤包层和光纤外皮组成，其中光纤芯是光信号传输的核心部件。

3. 光纤连接器：光纤连接器用于连接光纤，保证光信号的传输质量。

光纤连接器通常采用FC、SC等标准接口。

4. 光纤分束器：光纤分束器将光信号分为两束，一束经过光纤传输到被测物体，另一束直接到达光纤接收器。

被测物体的影响会导致两束光信号的干涉现象发生变化。

5. 光纤接收器：光纤接收器用于接收经过干涉后的光信号，并将其转换为电信号进行处理和分析。

二、光纤干涉传感器的工作原理光纤干涉传感器的工作原理是基于干涉仪的原理。

当光信号通过光纤分束器后，分为两束光线，其中一束光线经过光纤传输到被测物体，另一束光线直接到达光纤接收器。

被测物体的影响会导致两束光信号的光程差发生变化，从而引起光信号的干涉现象。

通过检测干涉现象的变化，可以得到被测物体的相关信息。

光纤干涉传感器可以根据测量的物理量的不同分为多种类型，如温度传感器、压力传感器、位移传感器等。

以温度传感器为例，被测物体的温度会导致光纤的长度发生变化，从而改变光信号的光程差，通过检测光信号的干涉现象的变化，可以计算出被测物体的温度。

迈克尔逊干涉仪工作原理
Michaelson干涉仪是一种专门用于测量光线波长及它们之间相位差的仪器。

它是以爱因斯坦发现的干涉现象为基础，由Michaelson利用两束平行光束采用干涉现象而发明的。

原理是利用线性衰减光程明斯特森（Maxwell）的定律。

Michaelson 干涉仪使用两个反射面（mirror），一个是M1镜，一个是M2镜，上面
装有光学元件，可以将一束平行的光线分开，其中一束经过M1反射后，被束起来，经过
M2反射又回到原处。

另一束光也同样被束聚，并经过M1和M1之间的距离，反射回M2后
又回到原处。

因此，系统中有两束重叠的光波，构成一个典型的‘双棱镜’系统。

Michaelson 干涉仪使用一个光学部件及照相机，用来观察、检测干涉现象。

这个部
件被称为光栅，由两个偏振器组成，分别放置在 M1 和 M2 镜前。

偏振板调节光线波长与
干涉对比，当光线波长达到某一特定值时，光束会平移及发生变化；使得M2的反射面上
的光线有着新的照射状态，通过光栅及照相机观察后，可以测量光线波长及它们之间的相
位差。

Michaelson 干涉仪的实际工作原理是，先将两个光源同时射到M2，然后由M1反射出一束。

当这两束带有不同波长的光线重叠时，经过M1和M2之间的距离发生变化，把变化
后的光反射给光栅，再经过偏振器分解处理，最后用照相机检测得到的光信号，即可由相
关公式计算出波长及相位差。

光纤传感器的原理和应用光纤传感器是一种基于光纤技术的传感器，通过光纤的传输和延时特性来实现对物理量的测量和检测。

它具有高精度、快速响应、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。

本文将介绍光纤传感器的基本原理和常见的应用场景。

一、光纤传感器的基本原理光纤传感器是利用光纤波导结构的特性来实现物理量的测量和检测。

光纤波导是一种能够将光信号传送的导光器件，其核心部分是由折射率高于外部包层的光纤芯构成。

基于光的干涉、散射、吸收等特性，光纤传感器能够实现对温度、压力、位移、浓度等多种物理量的测量。

1. 光纤干涉型传感器光纤干涉型传感器是利用光的干涉效应来测量物理量的一种传感器。

光信号在光纤中传播时，受到温度、应变等物理量的影响，使得光的相位发生改变。

通过测量光的相位差，可以确定物理量的大小。

常见的光纤干涉型传感器有光纤布拉格光栅传感器、光纤干涉仪传感器等。

2. 光纤散射型传感器光纤散射型传感器是利用光在光纤中的散射效应来测量物理量的一种传感器。

光信号在光纤中传输时，会与光纤中的杂质或结构缺陷散射，通过测量散射光的特性来推断物理量的变化。

常见的光纤散射型传感器有光时域反射计传感器、拉曼散射光纤传感器等。

3. 光纤吸收型传感器光纤吸收型传感器是利用光在光纤中的吸收效应来测量物理量的一种传感器。

光信号在光纤中传输时，会被光纤材料吸收，通过测量吸收光的强度来判断物理量的变化。

常见的光纤吸收型传感器有红外光纤传感器、光纤化学传感器等。

二、光纤传感器的应用领域光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各个领域。

以下是几个典型的应用场景。

1. 工业自动化光纤传感器在工业自动化领域中，常用于测量温度、压力、液位等物理量，用于控制和监测生产过程。

例如，光纤温度传感器可以实时监测设备的温度变化，及时进行报警和控制；光纤压力传感器可以监测管道中的压力变化，用于流体控制和安全保护。

2. 医疗领域光纤传感器在医疗领域中，常用于生理参数的监测和诊断。

迈克尔逊干涉仪的原理与应用在大学物理实验中，使用的是传统迈克尔逊干涉仪，其常见的实验内容是：观察等倾干涉条纹，观察等厚干涉条纹，测量激光或钠光的波长，测量钠光的双线波长差，测量玻璃的厚度或折射率等。

由于迈克尔逊干涉仪的调节具有一定的难度，人工计数又比较枯燥,所以为了激发学生的实验兴趣，增加学生的科学知识，开阔其思路，建议在课时允许的条件下,向学生多介绍一些迈克尔逊干涉仪的应用知识。

这也是绝大多数学生的要求。

下面就向大家介绍一些利用迈克尔逊干涉仪及其原理进行的测量。

一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用1. 微小位移量和微振动的测量[11-14］；采用迈克尔逊干涉技术，通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。

He—Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射，两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像，该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度。

纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。

采用633nm稳频的He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计数,用静态光电显微镜作为环规端面瞄准装置,对环规进行非接触、绝对测量，配以高精度的数字细分电路，使仪器分辨力达到5nm；静态光电显微镜作为传统的瞄准定位技术在该装置中得以充分利用，使其瞄准不确定度达到30nm；精密定位技术在该装置中也得到了很好的应用，利用压电陶瓷微小变动原理，配以高精度的控制系统，使其驱动步距达到5nm。

测振结构的设计原理用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时,用一弹性体与被测量（力或加速度)相互作用，使之产生微位移。

将这一变化引到动镜上来，就可以在屏上得到变化的干涉条纹,对等倾干涉来讲，也就是不断产生的条纹或不断消失的条纹。

由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化，经过电路处理可得到微振动的振幅和频率。

延时线干涉仪原理
延时线干涉仪（Michelson Interferometer）是一种用于测量光的相位差和波长的仪器，其原理基于干涉现象。

延时线干涉仪的主要组成部分包括一个光源、一个分束器、两个反射镜和一个合束器。

其工作原理如下：
1. 光源：将单色或波长可调的光从光源发出。

2. 分束器：光经过分束器后被分为两束，一束沿直线路径传播，称为参考光；另一束经过一个可调节的延时线（例如移动反射镜）后再被反射回来，称为待测光。

3. 反射镜：参考光和待测光通过两个反射镜返回到分束器。

4. 合束器：参考光和待测光在分束器处再次合并，形成干涉。

5. 干涉图案：由于光的波动性质，参考光和待测光在合束器处进行干涉，产生干涉图案。

这些干涉图案可见为明暗相间的条纹。

6. 相位差：根据干涉图案上的明暗条纹，可以计算出参考光和待测光之间的相位差。

7. 相位差测量：通过调节延时线的位置，使得在干涉图案中达到相邻亮纹和暗纹对应的位置。

通过测量延时线的移动距离，可以计算出光的相位差和波长。

延时线干涉仪的原理基于光的特性和干涉现象，利用光的波动性进行相位差和波长的测量。

它在科学研究、光学测量和精密
仪器等领域具有重要应用。