双芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度特性

全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温实验张亚星;赵鹏;张洁;苗明川【摘要】阐述了全光纤马赫-曾德尔干涉仪的测温原理,并在20～40 ℃对测温系统进行了标定.利用Matlab数字图像处理技术对温度干涉条纹图像进行处理,设计了计算条纹移动数目的程序.通过测温实验对条纹记数程序进行了检验,有较好的准确度.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)009【总页数】4页(P43-46)【关键词】马赫-曾德尔干涉仪;温度测量;Matlab;数字图像处理【作者】张亚星;赵鹏;张洁;苗明川【作者单位】北京航空航天大学,物理科学与核能工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,物理科学与核能工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,物理科学与核能工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,物理科学与核能工程学院,北京,100191【正文语种】中文【中图分类】O436.1;TP212.11随着光纤技术的广泛应用,光纤传感技术得到迅速发展.相比传统的机电传感,光纤传感具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小、在易燃易爆的环境下安全可靠等优点,在微位移及振动测量、电信号测量、声传感等领域有着广泛的研究[1-4].光纤温度传感是光纤传感技术的重要应用,其中基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的温度测量具有精度高、制作成本低和易于调整等特点,具有广泛的应用价值.对马赫-曾德尔干涉场的测量有2种方法:一是使用光功率计探测空间光场的变化[5],该方法需要较繁杂的后续信号处理系统,成本较高;二是利用数字图像处理技术[6]或者人眼观测[7]直接对干涉条纹的移动进行分析,该方法大大降低了系统成本,且能够更加直观地观测到温度变化对干涉条纹的影响.本文基于后者,运用CCD摄像采集干涉条纹图像,通过Matlab数字图像处理技术对图像进行处理,分析条纹移动的数目和方向,编写条纹移动计数的程序,实现对温度的测量.将650 nm,2 mW的氦氖激光经分束镜分成2束,分别通过光纤耦合器进入2路单模石英光纤中.一路光纤经过半导体温控仪,另一路光纤保持恒温,如图1所示.在光纤的末端,2束相干激光汇聚,叠加产生干涉.干涉条纹由CCD采集,并送往计算机进行处理(采集速率为每秒25幅图像),形成BMP格式的图像文件.温度变化时,干涉条纹将随之发生移动,通过数字图像处理技术可得到干涉条纹移动的数目及移动方向,从而计算出温度升高或降低的值.干涉条纹移动数目与温度变化值之间有确定的线性关系.设光纤中2束激光光强分别为I1和I2,根据光的干涉原理,合成光的强度为其中Δ Φ为2束激光的相位差,Δ Φ等于2kπ时为亮条纹,Δ Φ等于(2k+1)π时为暗条纹(k为级数).设Φ1和Φ2分别为2束激光射出光纤时的相位(Φ1受温度调制):Φ1=Φ10+k0nL1,Φ2= Φ20+k0nL2,Δ Φ=Φ1-Φ2.其中Φ10,Φ20分别为2束相干激光耦合进入光纤时的初相位,L1和L2为光纤的长度,k0为激光在真空中的波矢大小,n为光纤的折射率.将Φ1对温度T求全微分,且等式两边同除以L1,得: (2)式右边表示单位温度变化下光纤折射率的变化量),在一定的温度范围内它们均为常量[5],因此对于确定的k0,n和L1,(2)式为一常量,即Φ1随温度线性变化.另一路光纤保持恒温,Φ不变,有2至此得出Δ Φ也随温度线性变化,即条纹移动数目与温度变化值之间有确定的线性关系.通过温度的标定,可确定该线性关系的具体数值.干涉条纹移动方向(左、右)和温度升降之间的关系与两光纤末端的左右放置有关,实验中,温度降低时,条纹右移;温度升高时,条纹左移.计算出条纹的净移动数,结合标定结果,可判断温度升高或降低的数值.以温控仪温度为标准温度,从20～40℃,温度每变化1℃,记录相应的条纹净移动数目.以温度为横坐标x,条纹的累积移动数目为纵坐标y,设y=kx,使用最小二乘法进行一元线性回归.通过以下公式:计算得到比例系数k为9.6/℃,即温度每变化1℃,移动9.6根条纹.线性相关系数r 为0.998 7.一元线性回归结果如图2所示.为了测量一段时间内温度的变化,需要持续采集这段时间内的干涉条纹图像.对采集来的所有图像运用Matlab IPT函数进行处理.某幅图像的处理结果如图3所示. 具体处理步骤如下:1)读入干涉条纹图像,如图3(a)所示.2)将干涉条纹旋转至竖直方向,提取较清晰的部分图像,如图3(b)所示.3)低通滤波,使图像平滑,如图3(c)所示.4)进行二值化处理,使亮条纹变为白色(灰度值为1),暗条纹变为黑色(灰度值为0),如图3 (d)所示.5)对二值化图像进行边缘处理,突出暗条纹的边缘,形成边缘检测图像.如图3(e)中的白线对应于图3(d)中暗条纹的边缘.在进行上述处理后,每幅干涉图像都有其相应的二值化图像[图3(d)]和边缘检测图像[图3 (e)],通过分析多幅二值化图像和边缘检测图像,可以分别判断条纹移动数目及方向.首先,根据某一点所在处条纹的亮暗变化情况可以判断条纹是否发生移动.在多幅干涉图像[图3(d)]中提取同一指定点(x0,y0)的灰度值,按照图像采集的先后顺序将该值保存在同一数组a中.若a(i+1)≠a(i),则该点处条纹明暗情况发生了1次变化,即从第i幅图像到第i+1幅图像,移动了1根条纹,其中i为干涉图像的幅数.其次,因为图像采集的速度相比条纹移动速度足够快,所以如果对图3(e)中所有白线进行标记,可以认为在前一张图像中距某点最近的那根白线在下一张图像中仍然距该点最近,因此通过跟踪这条特殊的白线,可以判断条纹的移动方向,白线的移动方向与条纹的移动方向一致.判断方法是:在所有图3(e)中找到离上述指定点(x0,y0)最近的白线,记录下白线所在处的水平坐标,同样按照图像采集的先后顺序保存在另一个数组b中.在a(i+1)≠a(i)的前提下,若b(i+1)>b(i),表明该白线向右移动了,即条纹整体向右移动了1根,反之则条纹整体向左移动了1根.对i进行循环,在a(i+1)≠a(i)的前提下,比较b(i+1)和b(i)的大小,可以统计出条纹向右移动的根数和向左移动的根数,两者相减,若差为正,则温度降低;反之温度升高,差的绝对值为条纹的净移动数目.使用条纹计数程序进行温度测量实验.温控仪温度从26.9℃上升至29.4℃,即温度升高了2.5℃.在这段时间内以每秒25幅的速度连续采集了904幅576×768大小的BMP格式图像.编写image_process函数实现对图像从滤波到边缘检测的前期处理,编写image_analyze函数实现移动条纹的计数和方向判断.Matlab程序流程如下:由于条纹移动方向为左移,判断温度为升高,根据shift_No=kΔT=9.6ΔT,得温度升高ΔT=2.6℃,与实际温度升高2.5℃较为接近,说明该条纹计数程序可以较准确地判断条纹移动方向,并计算条纹净移动数目,从而测量出温度的变化,条纹计数的准确性依赖于干涉图像的质量[8].温度测量实验结果如下:条纹净移动数25根,温度变化测量值2.6℃,温控仪温度变化2.5℃,相对偏差3.6%.本文基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪,运用Matlab数字图像处理技术,实现了温度的测量,具有较好的准确度.对基于马赫-曾德尔干涉的温度测量进行了有益的尝试,实验结果表明基于全光纤马赫-曾德尔干涉并结合图像处理技术的温度测量具有其可行性,有较好的准确度,可以在光纤实验[9]中进行应用.通过本实验可使学生们得到较为全面系统的实验技能训练,本实验具有较好的实验教学和实用价值.【相关文献】[1] 贾亚民,杨拴科,朱钧.基于强度补偿式光纤传感器测金属线胀系数[J].物理实验,2008,28(10):1-4.[2] 王晓颖,李武军.等芯径等间距三光纤补偿式位移传感器的实验研究[J].物理实验,2008,28(3):32-35.[3] 刘京诚,任小宇,陈晓强,等.光纤F-P电流传感器[J].传感器与微系统,2009,28(9):73-74.[4] 李瑞,肖文,姚东,等.光纤声传感器的实验系统研究[J].光电工程,2009,36(6):131-134.[5] 王济民,奥诚喜.双光纤温度传感器的研究[J].西北大学学报,2006,36(1):55-58.[6] 王海潼,袁俊飞,刘姣姣.光纤温度传感器的设计与实现[J].电子测量技术,2007,30(2):68-71.[7] 周哲海,巫建坤.基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统[J].传感器与微系统,2006,25 (10):67-69.[8] 尚玉峰,吴重庆,刘海涛,等.对光纤Mach-Zehnder干涉仪的干涉场研究[J].北方交通大学学报, 2002,26(3):63-65.[9] 张权,朱玲,孙晴,等.光纤干涉系列实验教学的探索与实践[J].物理实验,2009,29(1):21-23.。

实验二 光纤干涉仪及温度变化传感实验光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的技术之一，与传统传感器相比，它具有频带宽，抗电磁干扰，灵敏度高，体积小，可绕性好，传感组件与电子设备可以隔离较远和能与光纤传输线路相兼容等优点。

一般来说，单通道光纤传感影响因素较多，且不易排除，而利用光干涉的原理进行测量可以克服这一弱点。

现在逐渐发展起来的应用光纤干涉技术的有马赫-曾德尔光纤干涉仪、塞格纳克光纤干涉仪等。

光纤干涉仪是一种主要用于检测应用的光纤传感系统，其测量精度比普通光纤传感器的测量精度更高，其用途广泛，不仅有传统干涉仪的功能，还可用于测量温度变化、应力变化、折射率变化、微振动和微位移等。

一、实验目的1. 掌握光纤的结构和光纤端面的一般处理方法，以及光源与光纤的耦合方法。

通过对光纤输出端光斑的观察，了解光场分布模式。

2. 了解光纤马赫—曾德尔干涉仪的结构和特点。

3. 测量温度变化与干涉条纹移动数的关系，测量光纤的热膨胀系数。

了解光纤传感器。

二、实验仪器光学隔振平台、半导体激光器（波长650nm 、功率4mW 含二维调整架）、二维可调光分束镜、七自由度光纤耦合调整架（包含聚焦透镜调整架和光纤夹）、半导体致冷温控仪（10~60℃）、CCD 摄像头、监视器、光纤座、光纤、光纤刀、光纤涂覆层剥离钳、白屏、磁性表座等。

三、实验原理马赫—曾德尔光纤干涉仪，一般由一个半导体激光器发出的激光束，经分束镜后一分为二，再分别输出到两个七自由度光纤耦合调整架中的聚焦透镜上进行聚焦，形成干涉光路。

调整光纤的方向、距离和位置，使经过处理的光纤端面正好位于透镜焦点处，以使尽量多的激光进入光纤。

进入光纤并符合传输条件的激光从光纤的另一端输出，将两条光纤的输出端并拢，形成两个相干点光源，在白屏上二束激光光斑重叠。

假设两束光为平面简谐电磁波，其表达式分别为)cos(1101ϕω+=t E E ，)cos(2202ϕω+=t E E （41-1）两束光都是由同一半导体激光器输出的，它们在重叠区发生相干叠加，合成波表达式为 )cos(021ϕω+=+=t E E E E （41-2）（41-2）式中ϕ∆++=cos 2201022021020E E E E E ，12ϕϕϕ-=∆。

实验报告马赫曾德干涉仪实验报告马赫-曾德干涉仪2011-03-17 11:20 P.M. 班级08级物理系*班组别_1_姓名_Ayjsten_ 学号1080600*日期_ 2010.03.02 指导教师_ _【实验题目】马赫- 曾德干涉仪马赫- 曾德干涉、针孔滤波器、相干长度。

【实验目的】1.熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。

2.观察全息台的稳定度。

3.通过实验考察激光的相干长度。

【实验原理】针孔滤波器激光从发出，经过各种透镜的反射折射，会产生很多杂散光，如光学元件表面本身不够平整，表面落有灰尘等，而激光的干涉性又好，元件表面的问题导致激光产生大量散射光。

针孔滤波器原理图见图?，如图所示，聚光镜汇聚光的同时还产生很多散射光，而这些散射光的光线与没有受到干扰的光束的方向不同，只有没有受到干扰的光束才能通过针孔，从而过滤掉了其他的干扰光。

针孔的直径很小，一般约，从针孔后面看，就可以把它当做一个能产生球面波接近理想的光源。

这对于光学研究有重要的意义。

全息工作台基本要求是工作台的稳定性要好。

振动的一般来源是地基的震动，所以必须对全息台进行减震处理。

专用全气浮工作台是最好的减震台。

简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫和重的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。

记录全息图时，室内不要通风，工作人员不要大声讲话并与工作台保持较远的距离。

如全息记录时，物光和参考光交角为B,干板中央处的干涉条纹间距为d=X /sin 9 （入为激光波长）。

如果干板以大于d/2的振幅上下震动，则明暗部分将混乱。

所以在记录全息的过程中，工作台的稳定性必须考虑。

马赫- 曾德干涉马赫- 曾德干涉是用分振幅法产生双光束以实现干涉的干涉仪。

具体光路图见下图?所示。

马赫-曾德干涉中，在分束镜2处汇聚的两路激光一般是存在一个夹角的，调整分束镜2 使夹角减小，则白屏上观察到的干涉就更明显。

由分束镜分开后的两路光路长度，要求是等长的。

一种全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器设计
宫顺顺;李丽君;蒋露;张艳;李文宪;徐琳
【期刊名称】《中国新通信》
【年(卷),期】2017(019)002
【摘要】本文提出了一种基于全光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉式光纤温度传感器结构,是在单模光纤(SMF)上熔接一段30mm长的细芯径光纤,利用光纤的纤芯模和包层模对温度灵敏度的差异,来测量在不同波长处的波长温度关系,实现对温度的测量.实验中我们分别对波长1531.2375nm和1544.39nm处的干涉波谷
进行测量,得到两个波谷的温度灵敏度分别为89pm/℃和94.7pm/℃,该温度灵敏
度系数远远大于光纤布拉格光栅,且测试曲线呈现很好的线性度.该类传感器具有结构简单、温度灵敏度高、造价低等优点.
【总页数】3页(P26-28)
【作者】宫顺顺;李丽君;蒋露;张艳;李文宪;徐琳
【作者单位】山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学;山东科技大学
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于多模-细芯-多模光纤结构的Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验研究 [J], 李辉栋;傅海威;邵敏;雍振;张旋
2.一种基于空芯光纤的微型Mach-Zehnder干涉仪 [J], 闫小军;刘艳;李卫东
3.基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度测量系统 [J], 周哲海;巫建坤
4.一种光纤Mach-Zehnder干涉仪的相位补偿方案 [J], 赵素贵;柴金华
5.基于Bitaper-LPFG-Bitaper结构的全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感特性 [J], 张琪;周骏;陈金平;谭晓玲
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制赵娜;傅海威;邵敏;李辉栋;刘颖刚;乔学光【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2014(000)006【摘要】光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。

制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。

纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合，一部分进入纤芯传输，另一部分进入包层形成包层模，纤芯模和包层模具有不同的有效折射率，经过干涉臂的传输产生了光程差。

纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合，形成干涉进入输出光纤传输。

对不同长度的传感器进行实验研究，得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。

研究了传感器温度响应特性，给出了温度响应灵敏度。

实验结果表明，在30～400℃温度范围内，长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度，其响应灵敏度为0．115 nm·℃-1。

利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析，可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP01和高阶模LP08两种模式，透射谱就是由这两种模式干涉形成的。

该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰，具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。

可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。

%Optical fiber sensing technology is one of the very promising techniques in sensing fields.A high sensitivity high tem-perature sensor based on inline optical fiber Mach-Zehnder(M-Z)interferometer by using standard single mode fiber with two waist-enlarged bitapers is proposed in the present paper.The waist-enlarged bitapers are consideredas couplers,the distance be-tween the two bitapers is the sensing arm.The light in the lead-in fiber core couples into the sensing arms’fiber core and clad-ding by the first bitaper,and then propagate in them.The phase difference between core mode and cladding mode is produced when the light reaches the second bitaper.Then the second bitaper couples the light into the lead-out single-mode fiber to get the interference spectrum.The sensors with different length were fabricated.The relationship between the sensor length and inter-ference period,and the temperature response of the sensor were studied by experiments.The results show that the 35 mm long sensor has a high sensitivity of 0. 115 nm·℃-1 in the range of30~400 ℃.The transmission s pectrum of the sensor was also analyzed by the fast Fourier transform.It shows that only LP01 mode and LP08 mode propagate in the sensor.The sensor has ad-vantages of small size,high precision,and immunity to electromagnetic inteference.In addition,it is of easy fabrication,high signal-to-noise ratio,light weight,and high sensitivity,and could be operated under high temperature.This kind of sensor is a good candidate for high temperature measurement of hot gas,oil and gas well logging and other areas.【总页数】5页(P1722-1726)【作者】赵娜;傅海威;邵敏;李辉栋;刘颖刚;乔学光【作者单位】西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安710065;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065; 西北大学物理系，陕西西安 710069;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065; 西北大学物理系，陕西西安 710069;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065;西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065;西北大学物理系，陕西西安710069【正文语种】中文【中图分类】TN253【相关文献】1.马赫-曾德尔光纤干涉仪的研制及应用 [J], 张洪喜2.基于全光纤马赫—曾德干涉仪的温度传感器设计 [J], 冯梦云;黄霞青3.基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频言号测量 [J], 成健;冯晋霞;李渊骥;张宽收4.基于光纤马赫-曾德尔干涉仪光纤水听器的实验研究 [J], 曹振洲;刘维5.基于偏芯光纤马赫-曾德尔干涉仪的电流传感器设计 [J], 于长秋;陈志远;马世昌;周铁军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于全光纤马赫曾德干涉仪的温度传感器设计作者：冯梦云黄霞青来源：《科技资讯》 2012年第19期冯梦云1 黄霞青2(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院天津 430072; 2.黄石职业技术学院湖北黄石435003)摘要:光纤温度传感器作为一种新型测温技术,发展迅速,应用广泛。

基于全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理,阐述了光纤温度传感器的总体设计思路,并对光纤温度传感器设计中所涉及到的光源、光纤耦合器、光路准直、光谱分析、信号检测及处理、条纹计数器等问题进行了探讨。

关键词:Mach-Zehnder干涉仪光纤传感器温度传感器条纹计数器中图分类号:TP212.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0106-02光纤传感器是20世纪70年代中期基于光导纤维发展起来的一种新型传感器,是光纤和光通信技术迅速发展的产物。

由于光纤传感器以光作为敏感信息的载体,以光纤作为传递敏感信息的媒质,具有极高的灵敏度和分辨率,可靠性好,安全度高,抗干扰和耐腐蚀性强,便于与计算机连接及长距离传输与遥测,且结构简单、体积小、重量轻,目前在航空航天、医疗、电力系统、石油化工、海洋开发、地质及建筑测量等领域得到广泛应用。

本文基于常见的马赫-曾德干涉仪对温度传感器的设计进行了探讨。

1 全光纤马赫-曾德干涉仪的结构与原理全光纤马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder)的结构与原理参见图1。

来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光,两光分别经传感臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光,并出现干涉条纹。

当传感臂光纤温度相对另一条参考臂光纤的温度发生变化引起传感臂光纤的长度、折射率变化,从而使传感臂传输光的相位发生变化,产生干涉条纹移动。

由于干涉条纹的数量可以反映出被测温度的变化,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到数据处理系统,即可得到测量温度的目的。

在实际应用中,为了提高干涉条纹的亮度,通常会利用扩展光源,此时干涉条纹是定域的。