干涉型微纳光纤传感器
干涉型光纤温度传感器
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]。
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。
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。
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。
干涉型光纤传感器控制工作点的新方案研究
干 涉 型 光 纤 传 感 器 控 制 工 作 点 的 新 方 案 研 究
曹 家年 ， 雅 彬 ， 鹏 程 张 张
（ 尔滨 工 程 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学院 ， 哈 黑龙 江 哈 尔滨 １ ０ ０ ） ５ ０ １ 摘 要： 为解 决 干涉 型光 纤 传 感 器 的 相 位 漂 移 问题 ， 过 对 双 光 束 光 纤 干 涉 仪 输 出 光 强 信 号 的 理 论 分 析 和 数 学 推 通
研 究 是在解 决 了偏 振 影 响 的前提 下 ， 决 相 位 漂移 解 的 问题 ， 多年研 究 与 实践 的基 础 上所 形 成 的 较 为 为 完整 实用 的新方 案．
大线性 范 围． 但是 由于 反馈 控制 的需要 ， 要在 干涉 仪
一
个臂 上加 入 Ｐ Ｔ相 位调 制器 ． Ｚ 如果 用这 种 干涉 仪
导， 阐述 了信 号 各 种 成 份 的特 点 和作 用 ， 设计 出 基 于 反 馈 控 制 稳 定 工 作 点 的 干 涉 仪 解 调 方 案 ． 但 解 决 了 相 位 漂 移 不 的 问题 ， 而且 给 出 了解 决输 出 信号 波形 反相 问题 、 Ｚ 复位 噪 声 问 题 、 功 率 起 伏 直 接 影 响 解 调 结 果 问 题 的 方 案 ． ＰＴ 光 仿 真 和实 验 获 得 了稳 定 工 作 点 于 正 交 状 态 的 理 想 结 果 ． 关键词 ； 纤干涉仪； 作点 ； 光 工 信号 分析 ； 馈 控 制 反
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第 ２ ８卷第 ２ 期
２０ ０ ７年 ２月
哈
尔
滨
工程大ຫໍສະໝຸດ 学学报 Ｖ０ ． ８ № ． １２ ２
Ｆｅ ２ ｂ． ００７
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＨａ ｂ ｎ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｒ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ ｏ
光纤传感器的分类及其应用原理
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。
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
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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。
干涉型光纤温度传感器
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 人材料 中 ， 相位 调制产生 干 通过
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 ： Ｐ １ Ｔ２２ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ： ００ ９８ （０７ ０ － ０８ ０ １０ － ７７２ ０）４ ０５ － ３
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干涉型微纳光纤传感器
金龙，李杰，关柏鸥
(暨南大学光子技术研究所，广州，510632)
摘要：本文报道我们在干涉型微纳光纤传感器方面的研究进展，包括高双折射微纳光纤环形传感器、级联长周期光栅传感器及基于单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。
通过对干涉仪几何结构的设计与优化，实现了104 nm/RIU 量级的折射率感测灵敏度，为研制成本低廉、高灵敏度的光学生物化学传感器提供了可选方案。
关键词：微纳光纤；微纳光纤传感器；干涉型传感器
微纳光纤传感器具有体积小巧、结构灵活、强瞬逝场等特点，基于对周围液体折射率的测量，能够实现对微弱生化成分变化的检测。
已报道的微纳光纤折射率传感器包括光栅型、谐振型等。
我们通过结构设计与优化，实现了几种干涉型微纳光纤折射率传感器，具有折射率灵敏度高、温度灵敏度低，制作成本低等优点，具体包括：
（1）高双折射微纳光纤环形传感器。
在闭合光纤环镜结构中加入一段由矩形截面光纤熔融拉锥而成的高双折射微纳光纤，构成M-Z 干涉型传感器，其折射率灵敏度达到18897nm/RIU ，并通过进一步将干涉仪制成灵巧型尖端式结构，将灵敏度提升到24373nm/RIU ，温度灵敏度仅为5 pm/°C 。
理论分析表明其传感特性由群双折射色散决定，可通过对光纤截面的椭圆度和和直径的优化实现灵敏度的提升。
（2）级联长周期光栅微纳光纤传感器。
通过用CO 2激光器在微纳光纤上构成级联长周期光栅，感测灵敏度达到2227nm/RIU ，温度灵敏度为11.7 pm/°C ，并通过理论计算指出，通过进一步降低光纤直径到 3.5μm 左右时，由于瞬逝场作用的增强和模式色散因子的降低，感测灵敏度有望达到40000nm/RIU 左右。
（3）单锥结构的微纳光纤干涉型传感器。
在光纤熔融拉锥过程中，通过减小过渡区长度，可激发微纳光纤中的高阶模式，并基于单个锥区实现干涉仪结构。
这种结构制作方法简便，锥区总长度更短，本文还将介绍我们在这方面的最新结果。
CO 2
Laser
L d =9.5μm 73.5 μm d Λ 图1左图：基于高双折射微纳光纤环镜结构的传感器原理图及实物图；右图：基于级联微纳光纤长周期光栅的干涉型传感器原理图及实物图。