干涉式光纤传感器

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2007年第26卷第4期设计与制造干涉型光纤温度传感器刘　晨,费业泰,卢荣胜(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009)摘　要:为了长期和在线实时检测各种工程结构内(如飞机机翼)的温度,在介绍了2种典型的干涉型光纤温度传感器技术的基本原理、结构及优缺点的基础上,提出了一种新型光纤温度传感器——嵌入式干涉型光纤温度传感器的工作原理和结构设计。

它用特殊加工工艺将光纤埋入材料中,通过相位调制产生干涉条纹,再通过条纹的判向计数来对材料内部温度进行测量。

实验结果表明:嵌入式光纤温度传感器能长期有效测量材料内部的温度,并且,它的灵敏度比放在空气中的灵敏度要高2～3倍。

具有很大的研究开发和应用价值。

关键词:光纤光学;相位调制;温度测量;干涉中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2007)04-0058-03I n terference opti ca l2f i ber te m pera ture sen sorsL I U Chen,FE I Ye2tai,LU Rong2sheng(School of Appara tus Sc i ence and Photo2Electr i c Eng i n eer i n g,Hefe i Un i versity of Technology,Hefe i230009,Ch i n a)Abstract:I n order t o measure per manently and real2ti m e the te mperature inside all kinds of p r oject constructi onfor exa mp le air p lane wing,the basic p rinci p le,structure and characteristics of t w o kinds of interference op tical fiberte mperature sens ors are intr oduced,on the base of it,the working p rinci p le and structure designing of a new kind ofop tical fiber temperature sens or—embedded op tical2fiber temperature sens or are p resented.Op tical fiber ise mbedded int o material using s pecial p r ocessing technol ogy,interference stri pe is p r oduced thr ough phasemodulati on,then stri pe distinguishing directi on and counting is used t o measure the internal temperature.Experi m ental results show that the internal te mperature of material can be measured by a e mbedded op tical2fiberte mperature sens or,and its sensitivity is2～3ti m es higher than op tical2fiber sens or in air.It has very value ofinvestigating and utilizing.Key words:fiber op tics;phase modulati on;te mperature measure ment;interfer ometry0　引　言光纤传感器与传统传感器相比具有灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、抗电磁干扰、结构简单、体积小、质量轻等特点,而且,在一定条件下可任意弯曲,因此,得到了广泛的应用[1,2]。

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。

光纤传感器基本原理
光纤传感器基本原理是利用光纤的特殊性质，将光信号转换为电信号。

在光纤传感器中，光源发出的光经过光纤传播，在光纤的某一点与外界的物理量进行相互作用后，光信号发生变化。

传感器的探测部分是光纤的一段，在传感区域内，光信号的幅度、相位、频率等参数会随着被测量的物理量发生变化。

光纤传感器的工作原理基于光的干涉、散射、吸收等现象。

其中，基于光纤干涉原理的传感器是最常见的类型。

这类光纤传感器一般采用法布里-珀罗特（F-P）干涉仪的结构。

当光纤中
的光信号遇到传感器传感区域的物理量变化时，传感区域的折射率发生改变，导致传感区中的干涉光程差发生变化。

这一变化会通过反射回到光纤，进而对干涉光信号产生影响。

通过测量干涉光信号的变化，可以推断出传感区域中物理量的变化情况。

除了光纤干涉原理外，还有其他一些基于光纤散射和吸收的传感器原理。

光纤散射传感器是利用光在光纤中发生散射的特性，通过测量光的散射强度或相位变化来得到物理量的信息。

光纤吸收传感器则是利用光在光纤中被介质吸收的特性，通过测量吸收光信号的强度变化来推断物理量的变化。

光纤传感器具有体积小、响应速度快、抗电磁干扰强等优点，广泛应用于温度、压力、拉力、位移等物理量的测量领域。

随着技术的不断进步，光纤传感器的精度和可靠性也在不断提高，为工业自动化、医疗、环境监测等领域的应用提供了可靠的检测手段。

白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器及其应用研究一、本文概述随着光纤传感技术的迅速发展，光纤传感器在众多领域如通信、环境监测、生物医学、航空航天等中展现出巨大的应用潜力。

作为一种重要的光学干涉现象，法布里-珀罗干涉（Fabry-Perot Interference，FPI）因其高灵敏度、高分辨率和易于实现等优点，在光纤传感领域受到了广泛关注。

本文将重点探讨一种基于非本征法布里-珀罗干涉原理的光纤传感器，即白光非本征法布里-珀罗干涉光纤传感器（White Light Non-Intrinsic Fabry-Perot Interferometric Fiber Sensor，WLNIFPI）。

本文首先介绍了法布里-珀罗干涉的基本原理和光纤传感器的基本构成，为后续研究提供理论基础。

接着，详细阐述了白光非本征法布里-珀罗干涉光纤传感器的制作原理、传感机制以及优势特点，包括其高灵敏度、宽测量范围、良好的抗电磁干扰能力等。

本文还对白光非本征法布里-珀罗干涉光纤传感器的信号解调技术进行了深入研究，以提高其测量精度和稳定性。

在应用研究方面，本文探讨了白光非本征法布里-珀罗干涉光纤传感器在多个领域的应用，如温度测量、压力传感、应变监测等。

通过实验验证，展示了该传感器在实际应用中的可行性和有效性。

本文总结了白光非本征法布里-珀罗干涉光纤传感器的研究现状，并对其未来的发展趋势进行了展望，以期为该领域的研究人员提供有益的参考和启示。

二、白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器的基本理论白光非本征法布里—珀罗干涉（White Light Non-Intrinsic Fabry-Perot Interferometric，WLN-FPI）光纤传感器是一种基于干涉原理的光纤传感技术。

其基本理论主要涉及光的干涉、光纤传输以及信号解调等方面。

干涉是光波在传播过程中因遇到障碍物或介质界面而发生反射、折射等现象，使得光波在空间某一点叠加形成加强或减弱的现象。

光纤传感器的分类及其应用原理
光纤传感器是利用光学法对物理量进行测量的一种传感器。

其分类主要有以下几种：
1. 基于干涉原理的光纤传感器：通过利用光的干涉效应来测量物理量，包括干涉型位移传感器、Fabry-Perot干涉型传感器、Mach-Zehnder光学干涉型传感器等。

2. 基于散射原理的光纤传感器：通过利用光在材料中散射的现象来测量物理量，包括拉曼散射光纤传感器、布里渊散射光纤传感器等。

3. 基于吸收原理的光纤传感器：通过利用物质对光的吸收现象来测量物理量，包括光纤气体传感器、光纤液位传感器等。

光纤传感器应用原理主要包括光学原理和材料物理学原理两个方面。

其中，光学原理对于基于干涉原理和散射原理的光纤传感器起到重要作用，其基本思路是利用不同的物理量导致光在光纤中发生不同的相位变化，通过测量光的相位变化来获得物理量的信息。

而材料物理学原理则对基于吸收原理的光纤传感器起到决定性作用，其基本思路是通过材料对光的吸收性能来间接测量物理量的信息。

1. 了解光纤干涉传感的基本原理和实验方法。

2. 掌握光纤干涉传感器的构造及其在测量中的应用。

3. 通过实验验证光纤干涉传感器的测量精度和可靠性。

二、实验原理光纤干涉传感器是基于光干涉原理的一种新型传感器。

当两束光波在空间相遇时，如果它们的相位差为零或整数倍的2π，则两束光波相互加强，形成亮条纹；如果相位差为奇数倍的π，则两束光波相互抵消，形成暗条纹。

通过测量干涉条纹的变化，可以实现对被测物理量的精确测量。

光纤干涉传感器通常采用迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪等光学原理。

本实验采用迈克尔逊干涉仪，其基本原理如下：1. 激光器产生一束连续激光，经扩束镜后变为平行光束。

2. 平行光束经分束器分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。

3. 测量光经光纤传输到达被测物体，反射后返回光纤。

4. 参考光和测量光在光纤端面发生干涉，形成干涉条纹。

5. 干涉条纹通过光纤传输，经光电探测器接收并转换为电信号。

6. 电信号经处理后，可得到被测物理量的信息。

三、实验仪器与设备1. 激光器2. 扩束镜3. 分束器4. 光纤传感器5. 光电探测器6. 数据采集系统7. 计算机1. 将激光器、扩束镜、分束器、光纤传感器、光电探测器和数据采集系统连接成实验电路。

2. 打开数据采集系统，设置采集参数。

3. 启动激光器，调节扩束镜和分束器，使激光束通过光纤传感器。

4. 测量参考光和测量光的强度，记录数据。

5. 改变被测物理量，观察干涉条纹的变化，记录数据。

6. 对采集到的数据进行处理，得到被测物理量的信息。

五、实验结果与分析1. 当被测物理量改变时，干涉条纹发生相应的变化。

根据干涉条纹的变化规律，可以计算出被测物理量的变化量。

2. 通过实验验证，光纤干涉传感器的测量精度较高，可满足实际应用需求。

3. 分析实验数据，探讨影响光纤干涉传感器测量精度的因素，并提出改进措施。

六、实验总结1. 本实验成功实现了光纤干涉传感器的测量，验证了其测量精度和可靠性。

光纤传感器的主要原理和应用概述摘要：与其他类型的传感器相比，光纤传感器具有一些优势。

这些优势基本上与光纤的特性有关，即体积小、重量轻、耐高温和高压、电磁无源等等。

感应是通过探索光的特性来获得参数的测量，如温度、应变或角速度。

本文提出了一个更广泛的概述，为读者提供了一个文献综述，描述了光学传感的主要原理，并强调了光学传感的多功能性、优势和不同的实际应用。

1、引言光纤技术的发展标志着全球通信技术的一个重要举措。

上世纪70年代，低衰减光纤的出现使高带宽长距通信成为可能[1]。

自此以来，产量持续增长，到21世纪初，光纤已经迅速地安装在世界各地[2]。

光纤技术的发展也使完全在光纤中进行光学处理的设备得以发展，减少了插入损耗，提高了处理质量[3]。

促成光纤技术全面迁移的一个因素是对光敏光纤的鉴定。

这一发现是由Hill等人在1978年做出的[4]，并导致了光学纤维布拉格光栅（FBG）的发展。

在关注和使用光通信的同时，布拉格光栅在光纤传感器中也获得了突出的地位，因为它在不同的传感应用中具有多功能性[5]。

一些市场应用领域，如航空[6]、航天[7]、土木工程[8]和生物[9]或环境监测[10]，已经吸取了这种技术的优点使得行业快速发展。

光纤为许多类型的应用和环境提供高性能信息传输解决方案。

光纤传感器可以利用引导光的一个或几个光学参数，如强度、相位、偏振和波长来改变传感器的设计性能和应用场景。

与此同时，光纤可以提供双重功能：通过改变光纤传播的光的特性来测量几个参数；作为一个通信通道，减少了一个额外的专用通信通道，从而提供了一个与所有其他传感技术所不具备的独特优势。

光纤传感器是电磁学上的无源之物。

这一特性非常重要，因为它允许在其他类型的传感器无法布局的地方使用。

例如，在有爆炸危险的高电场和可变电场环境中。

此外，作为光纤基本传导材料的二氧化硅化合物对大多数化学和生物制剂有抵抗力，因此可以在这种环境和材料中使用。

另一个优点是，光纤传感器可以是小而轻的[11]。

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。