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Michelson白光干涉传感研究
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。
迈克尔逊干涉仪的工作原理
光电计数器
记录仪
显微镜
1)激光比长仪 当光电显微镜对准待测物体的起始端时，它向记录 仪发出一个信号，使记录仪开始记录干涉条纹数。 当物体测量完时，光电显微镜对准物体的末端，发 出一个终止信号，使记录仪停止工作。
M1 M2 激光器 可移平台
待测物体
光电计数器
记录仪
3.4.2 马赫—泽德干涉仪 (Mach-Zehnder Interferometer ) 当有某种物理原因使 W2 发生变形，则干涉图形不 再是平行等距的直线，从而可以从干涉图样的变化 测出相应物理量。
3.4.2 马赫—泽德干涉仪 (Mach-Zehnder Interferometer )
在实际应用中，为了提高于涉条纹的亮度，通常都 利用扩展光源，此时干涉条纹是定域的，定域面可 根据 = 0 作图法求出。
3.4 典型干涉仪及其应用 (typical interferometers and their applications)
3.4.1 迈克尔逊干涉仪 (Michelson interferometer ) 3.4.2 马赫—泽德干涉仪 (Mach-Zehnder Interferometer ) 3.4.3 法布里—珀罗干涉仪 (Fabry Perot interferometer ) 3.4.4 干涉滤光片 (Interference filter )
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理
当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束，若 要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应 增大。
= 2nhcos2+/2
2 cos 2 h 2 cos 2 h
1. 迈克尔逊干涉仪的工作原理
利用干涉方法进行光纤传感的例子
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。
光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
θ 为本振信号的初始相位，调整载波信号幅度 φ H ， 使 J 1 (φ H ) = J 2 (φ H ) 。将上两式相加得
SA = S1A(t) + S2A(t) = 2 ABJ1 (φ H ) cos (3ω H t + θ + φ A sin ω At + φ )
(15)
− KGJ 1 (c) cos Φ (t ) KHJ 2 (c) sin Φ (t )
φ (t ) = π 2 时， 奇 （偶） 数倍角频率 ω 出现在奇 （偶） 数倍载波频率 ω 0 两侧。这些出现在 ω 0 两侧的边带
信号携带着被测信号的相位信息。如果不加调制信
第3期
裴雅鹏 等：光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
19
号，输出光强 I1 = A + B cos Φ (t ) ，若 Φ (t ) = 0 ， 则 cos Φ (t ) = 1 ，由于 Φ (t)的存在，信号将发生消 陷或畸变。 光纤 Mach-Zehnder 干涉仪调制与解调系统如 图 4 所示，将两路干涉的信号做差分运算，消去直 流偏移量，与 G cos
2 I 2 = I12 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ( ∆ϕ )
I1 = ALeabharlann + B cos ϕ (t ) I 2 = A − B cos ϕ (t )
臂上外界物理量的变化。
RA RA Lens Lens DC1 DC1 DC2 DC2 PD1
（2） （3）
通过对干涉信号相位的提取来获知作用在信号
中图分类号 TN253
1 引 言
自从 1881 年美国物理学家 Michelson 发明 Michelson 干涉仪以来， 使用激光干涉传感器测量位 移、速度的技术得到了很大的发展。随后又出现了 Sagnac 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪、Fabry-Peort 干涉仪等一些干涉仪。激光干涉传感器能提供一种 精确、快速、非接触的测量，而信号处理将直接影 响到测量的分辨率、精度和动态范围等因素。在过 去的 20 年， 基于这些干涉仪原理的传感器相位解调 方法已经成为研究的主要课题，出现了许多不同的 调制与解调方法，从而使干涉型传感器的应用更加 广泛。本文首先介绍了几个不同结构干涉型传感器 的原理，然后着重介绍了其调制与解调技术的原理 及实现方法。
迈克尔干涉实验原理
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。
光纤Michelson干涉仪
6、测量压力
图3中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂 光当来纤待改的测变反Δ压φ力射，P端同作面时用，也在压改膜力变片膜式上片(1时1距)，中离P的信改反号变射臂式率光(2R1纤f)，中端进l0面的而l0， 改变干涉光的光强，来达到测量目的，这种测量 方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触
光纤迈克尔逊干涉仪
一 ：原理 二 ：应用
一.原理
下图为普通光学迈克尔逊干涉仪原理图.
由激光器发出的光经分束器分成光强相等的两束 光.其中一束射向固定反射器镜,然后反射回分 束器,被透射的那另一束光入射到可移动反射 镜上,然后反射回分束器上,经分束器反射的一 部分光传至光探测器上,而另一部分经由分束 器透射,返回到激光器.当两反射镜到分束器间 的光程差小于激光器的相干长度时,射到光探 测器上的两相干光束便产生干涉,干涉光强由 公式A2=A12+A22+2A1A2cos(∆φ )确定.两相干光 的相位差为∆φ =2k0∆L
光纤迈克尔逊干涉相位差与 光强的关系图如下
若I1r、I2r为试件界面反射进入光纤的光强。则4 束反射光到达光探测器产生干涉，其输出光强 Iout可表示为：
于是又可得到
改进型的Michelson干涉仪，以下为其中两种
带有振控制器的迈克 尔逊干涉仪
带有偏振控制器的Michelson干涉仪．光纤偏振控制器 用来控制参考臂中传播的参考光的偏振态，使参考光和信 号光的偏振态相互匹配，因为传输光偏振态对于相干光通 信和光纤干涉仪以及干涉型光纤传感器的影响非常明显。
式中，k0是光在空气中的传播常数；2∆L是两相 干光的光程差。由两公式可知，可动反射镜每
移动∆L=λ /2长度，光探测器的输出就从最小 值变到最大值，再变到最大值，即变化一个周
Michelson干涉型光纤传感器原理.
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。
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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。
所以，干涉仪应在工作在两臂光程差为π/2的位置，这样它的灵敏度最高；否则，当相位差在π或π的整数倍时，就几乎检测不到信号的变化。
在实际探测过程中，即使事先调节两臂光程差为π/2，也会由于缓变的随机相位漂移噪声、偏振噪声及所处环境的某些无规则运动带来的噪声使静态时两臂光程差不能保持为π/2而出现相位漂移的现象，使输出发生漂移，如图3所示。
另外，由式（1）可知，在检测大信号时，若使两臂相位差改变量超过π/2就会出现倍频的现象，如图4所示。
可见，此时输出信号不能反映实际信号。
四、采用PZT解决相位随机漂移及倍频问题
（一）PZT的光纤相位调制原理
PZT具有压电效应。
当电压加在PZT筒上时，PZT筒的外径周长会发生变化，从而使缠绕在PZT筒的光纤长度及折射率随之发生变化，改变光纤内传输的光波相位。
光纤相位变化量的数学表达式为
式中，kl为光纤应变系数。
由式（3）可知，相位调制的关键是分析光纤长度的变化量Δl /l的规律。
如图5所示模型，PZT筒的高为h，电压u（t）加于内外半径r1、r2间。
由于使用的PZ T筒半径远大于厚度（即r2mr2-r1），所以在PZT筒内可以认为径向电场强度E为均匀分布。
即
式中，re=（r1+r2）/2为平均半径。
根据弹性学理论构造柱面坐标系，可以把PZT筒看作是横向效应振子，即在径向施加电场，在圆周围方向发生应变。
经过一系列公式推导，可以得到
其中，s为PZT筒的周长；μ为泊松比；AE是一常数，与PZT筒的材料及外形有关；kf n为光纤刚度系数；Np为光纤匝数；kdp是负载系数，这主要是考虑光纤绕在PZT上应变的不一致及滑动所产生灵敏度下降，一般取kdp=0.1～1.0。
式（5）和式（6）表示了电压u （t）与光纤应变Δl/l的关系式，它是PZT把电压转变为相位的模型关系式。
可以看到，光纤应变Δl/l与加在PZT两极的电压成正比，这是利用PZT实现光纤的相移补偿的理论基础。
（二）检测小信号的方法
当用光纤干涉仪检测非常小的信号时，两臂相位差的改变不会超过π/2，此情况下可不考虑倍频，只要解决缓变相位的漂移。
我们解决的方案如图6所示。
传感器在实际应用中需要探测的信号频率一般至少在几10Hz以上，缓变的随机相位噪声的频率一般小5Hz。
适当设置低通滤波器的截止频率，将缓变噪声取出给比较器电路。
当存在缓变随机相移时，相位噪声通过低通滤波器，造成比较器电平的失配，从而产生输出并作用于PZT晶体。
PZT晶体在电压的作用下产生径向的拉伸或收缩，则缠绕在上面的光纤的长度和折射率也发生变化，使得光相位发生相应变化，通过干涉光路造成了输出光强的改变，并转换成电压信号，构成了反馈环路，从而达到调制的作用。
在没有重新达到平衡之前，比较器的输出电压将会在积分回路的控制下不断的变化（积分回路起到保持电压的作用），带动光纤重新回到平衡相位。
两路干涉光中，一路缠在声敏器件上用于信号检测，另外一路缠在PZT上用于相位补偿。
实验光源的是输出光强的2mW的LD；PZT相位调制采用直径约25mm的PZT。
（三）检测大信号的方法
当出现大信号的待测信号时，将出现图4所示有失真的倍频现象。
我们的解决方案如图7所示，相应实用电路如图8所示。
电路的基本思想是利用PZT晶体的压电特性结合PID电路技术对光纤进行调制，不仅对低频相位漂移进行补偿，而且对信号引起的相位变化也同时补偿。
这样将信号缓变漂移及信号倍频问题同时解决。
检测水听器输出干涉光的光电管D7将干涉光的强弱变化转变成电流的变化，由12、13、14脚构成的运放将其变化转换成电压的变化并放大，W1的作用是调节放大倍数。
W2的作用是调节信号的直流分量，以消除干涉光的直接分量。
由2、3、1脚构成的运放对信号进一步放大，并将信号送入PID控制电路。
由5、6、7脚构成的运放及其外围的Cp2、Rp6、Cp 4、Rp9组成比PID电路。
由于PZT的频率响应在水听器有效频段范围内不一致，PID电路中微分回路与积分回路分别针对一些特征高、低频信号选择放大。
小容量电容Cp3的作用是防止PZT自激，抑制接近PZT本振频率的噪声（由外界环境或电阻等器件噪声引起）。
将反馈电压信号通过适当的带通滤波电路（由9、10、8脚构成的运放及其外围组成）就可以提取出信号，得到待测信号。
可以看到，本方案既可检测大信号，也可检测小信号，但电路较复杂。
五、实验及结果
实验装置图如图9所示，将标准压电水听器探头和光纤水听器探头置于同一声场（对声源而言位置靠近或对等）中，并将两探头的输出同时接到数字示波器上进行比对测量。
考虑到桶内和振动台面的振动相差较大，故未采用在国家标准中建议的用放在振动台面上的加速度计，改用标准压电水听器（型号RAS22，715研究所制造）。
频响在3Hz～1kHz范围内平坦，约为-178.5dB，灵敏度起伏<0.6dB，并将其与被测光纤水听器探头同时置于校准容器（图9的金属圆桶）中。
所用振动台型号为2101A，中国航天科技集团第702研究所制造。
实验中，激光器的输出功率约为1mW、波长为1550nm；水听器信号臂与参考臂为7m、直径0.12mm的单模光纤。
实验结果如图10所示。
可以看出，信号得到如实反映，没有出现倍频失真问题。
对比图3、图4波形，直观地看到，低频随机相位漂移和倍频问题得到了解决。
六、结论
针对光纤干涉型传感器普遍存在的相位随机漂移及倍频问题，提出了方便实用的相位补偿的解决方法——通过合适的反馈电路驱PZT对光路进行调制，并从理论和实验验证了其可行性。
本文的研究结果，不仅可以应用于水听器的相位补偿，还能用于与此相关或类似的干涉型光纤传感系统，具有较高的应用价值。