基于白光干涉原理的光纤传感技术——Ⅰ.光纤传感器与智能结构
光纤传感白光干涉
光纤白光干涉摘要光纤干涉型传感器是光纤传感器中的一个重要分支，而白光干涉测量技术是一种被广泛应用的光学干涉测量技术。
白光干涉测量技术应用于光纤干涉型传感器，能够测量光纤干涉仪的绝对光程差，且动态测量范围大，测量分辨率高。
本论文分别阐述了扫描白光干涉测量技术和光谱域光纤白光干涉测量技术的原理与研究现状，分析和总结了不同的光纤白光干涉测量的结构和特点。
关键词：光纤传感器；光纤干涉仪；白光干涉测量术；AbstractFiber optic interferometric sensor is an important branch of the fiber optic sensor. White-light interferometry is a widely used technique of the optical interferometry. The white-light interferometry, which is applied to fiber optic interferometric sensor can measure the absolute optical path difference (OPD) and possess the abilities to provide large dynamic measurement range and high measurement resolution.In this dissertation, the principles and research status of scanning white-light interferometry and spectral-domain optical fiber white-light interferometry are described respectively. The structures and characteristics of different optical fiber white-light interferometry are analyzed and summarized.Keywords:Fiber optic sensor;fiber optic interferometer; white-light interferometry;1、绪论光纤传感技术是20世纪70 年代末新兴的一项技术，近年来，光纤传感技术在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位。
白光非本征法布里—珀罗干涉光纤传感器及其应用研究
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。
基于光纤传感技术的智能监测与控制系统设计
基于光纤传感技术的智能监测与控制系统设计现代科技的迅猛发展催生了各种智能监测与控制系统的出现，其中基于光纤传感技术的智能监测与控制系统备受关注。
本文将从系统设计的角度出发，综述基于光纤传感技术的智能监测与控制系统的基本原理、应用领域和设计要点，并讨论其未来发展趋势。
一、基本原理基于光纤传感技术的智能监测与控制系统主要利用光纤的传感特性实现对环境参数的准确测量和远程控制。
其基本原理是通过光纤的折射率、散射和吸收等特性，将物理量转变为光的变化，并通过光学传输路径将光信号传输到检测设备，进而实现对环境的实时监测与控制。
基于光纤传感技术的智能监测与控制系统的优势在于其高灵敏度、无电磁干扰、抗腐蚀等特点。
相比于传统传感器，光纤传感器可以实现对多个参数的同时测量，并具备较长的传输距离，因此在工业生产、环境监测、军事防御等领域具有广泛的应用前景。
二、应用领域基于光纤传感技术的智能监测与控制系统在多个领域得到了广泛应用。
1. 工业生产：光纤传感技术可以用于监测工业生产参数，如温度、压力、流量等，并通过实时数据反馈实现对生产过程的控制，提高生产效率和产品质量。
2. 环境监测：通过光纤传感器可以实时测量环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，帮助监测和预防环境污染、自然灾害等情况的发生。
3. 基础设施安全：基于光纤传感技术的系统可以用于对桥梁、隧道、油气管线等基础设施的安全监测，及早发现结构破坏、泄漏等问题，避免事故的发生。
4. 医疗健康：利用光纤传感技术可以监测患者的生命体征如心率、呼吸等，并实现远程监护和治疗，提高医疗水平和效率。
三、设计要点设计基于光纤传感技术的智能监测与控制系统需要考虑以下要点：1. 传感器选择：根据实际需求选择合适的光纤传感器，包括光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤湿度传感器等。
需要考虑传感器的测量范围、灵敏度、精度等因素。
2. 测量信号传输：设计良好的光学传输路径，确保测量信号的传输稳定可靠。
光纤白光干涉传感器1
S = 2 nL 1 构成传感臂的光纤的光程长度 为 ，参考臂由长度略短的参考光纤L2 2nL2 + 2 X 和参考光纤端面与扫描镜形成的空气间隙X组成。所以参考臂光程 总和为
X = 2nL1 − (2nL2 + 2 X ) 在 位置附近，出现与下图2 类似的白光干涉条纹。其中零级条纹近似在干涉条纹的中央，具有 极大的振幅，对应于两臂光程精确相等处。当传感臂的光程在应变 或者周围环境温度变化的作用下导致光程变化时，传感器光程的变 ∆S = ∆(nL1 ) 化 可以通过测量中央零级条纹对应的反射 镜位置改变 ∆X 来获得。
光纤白光干涉传感器
主讲人 ：曹海娟
1.光纤白光干涉仪的原理 1.光纤白光干涉仪的原理
光纤白光干涉仪的原理图如下
传感臂L1
LED光源 反射率R1
2*2耦合器
镀膜光纤反射 端
反射率R2
X
PD探测器
L2参考臂
图1 光为参考和传感的两臂通过使用一个3dB的耦合器对光 进行了分路和合路，干涉仪的光程差通过一个扫描反射镜来改变。当 参考和传感两光之间的光程差小于光源相干长度的时候，就会产生一 个白光干涉图。当两光的光程差绝对相等时，光程精确匹配，干涉图 出现中央条纹，该中央条纹的位置可被精确的判断，因此可以实现绝 对测量。
X = X 2 − X 1 = nL0
(7.54)
LED光源 2*2 耦 合 器
传感臂L1
传感器L0 前 传 后 感 端
面
的 反 射
器
X
反 射 率 R2
D
器
L2
臂
X1 X2
4 光 传感
光
• •
当载荷（温度或应变）作用于传感器时，白光干涉中心条 纹的位置将发生移动，式（7.54）变成 （7.55） ′ ′ X = X 2 − X 1′ = (nL0 )
光纤白光干涉原理与应用
光纤白光干涉原理与应用光纤白光干涉技术是一种利用光纤制作的白光干涉仪，利用了光纤的高灵敏度和高稳定性的特点，能够实现对多种成像和测量任务的高精度和高灵敏度的测量。
光纤白光干涉技术可以应用于医学成像、材料表面形貌测量、微机械系统(MEMS)的测量与检测等领域。
本文将介绍光纤白光干涉的原理，以及其在不同领域的应用。
一、光纤白光干涉原理光纤白光干涉实验的原理主要是利用平板、准直镜、分束镜、反射镜等器材，将白光经过分束镜分成两束光，分别经过两条光纤传输至反射镜，再经过准直镜进入光束合并器，最后汇聚到CCD探测器上。
在这一过程中，我们制作出了一个干涉条纹光源，将探测器观测到的干涉条纹信号的变化情况，就可以得到测试物的形貌信息。
二、光纤白光干涉在医学成像中的应用1.皮肤病变成像利用光纤白光干涉技术可以实现对皮肤病变的高分辨率成像，通过观察病变处的反射光条纹，可以获得皮肤表面的形态信息。
这对于皮肤科医生来说，有着非常重要的临床诊断价值。
2.眼底成像眼科医生在进行视网膜和玻璃体检查时，通常需要进行眼底成像。
利用光纤白光干涉技术可以实现对眼底血管和病变的高质量成像，可以帮助医生更准确地进行诊断。
三、光纤白光干涉在材料表面形貌测量中的应用1.光学表面检测在工业检测中，需要对产品的表面粗糙度、平整度等参数进行检测。
利用光纤白光干涉技术可以实现对产品表面形貌的高精度测量，可以用于检测各种工件表面的水平度、平整度、甚至是微观颗粒的表面分布情况。
2.微纳米结构测量在半导体、纳米科学以及光学制造等领域，需要对微纳米结构的形貌进行测量。
利用光纤白光干涉技术可以实现对微纳米结构的高精度测量，可以用于检测各种微纳米结构的形貌和尺寸。
四、光纤白光干涉在微机械系统(MEMS)的测量与检测中的应用1.MEMS制造检测在微机械系统(MEMS)制造过程中，需要对微机械结构的形貌进行检测。
利用光纤白光干涉技术可以实现对微机械结构的高精度测量，可以用于检测各种微机械结构的形貌和尺寸。
基于光电子集成技术的智能光纤传感器研究
基于光电子集成技术的智能光纤传感器研究随着科技的不断发展，智能光纤传感器作为一种新型传感器被广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
其中，基于光电子集成技术的智能光纤传感器由于其高灵敏度、高分辨率等特点，成为目前研究的热点之一。
一、智能光纤传感器的概述智能光纤传感器是一种借助光学原理来检测和测量物理量的传感器。
与传统的电学传感器相比，智能光纤传感器具有更高的稳定性和精度，特别适用于在恶劣和复杂环境下进行实时监测。
而基于光电子集成技术的智能光纤传感器，则是在传统智能光纤传感器的基础上，采用光电子一体化集成技术，使光学信号的采集、处理和分析都能够在一块芯片上完成，大大提高了传感器的可靠性和灵敏度。
二、光电子一体化集成技术的相关研究光电子一体化集成技术是将光学器件和电子器件集成在同一块芯片上，以实现光学信号的快速、高效和准确的采集和处理。
这种技术在智能光纤传感器中的应用，可以有效降低传感器的体积和成本，提高其性能和精度。
目前，国内外已经有不少学者对于光电子一体化集成技术进行了相关研究。
例如，在德国马尔堡大学，研究人员通过光纤光源和探测器的集成，实现了波长可调的光纤光谱仪，并将其应用于气体传感领域。
而在国内，南京理工大学的研究人员则利用集成光学平台，设计出一款以微环谐振器为核心的光耦合器，并成功应用于光力学传感。
三、光电子一体化集成技术在智能光纤传感器中的应用基于光电子一体化集成技术的智能光纤传感器在工业、医疗和环境监测领域中都具有广泛的应用前景。
其中，测量物理量的方法也有很多种。
例如，在工业领域中，利用集成光学芯片，可以实现对冲击、摩擦、温度等参数的实时监测和预警。
在医疗领域中，利用光纤和生物分子的相互作用，可以实现对生物分子浓度、药物浓度等参数的快速、精确检测。
在环境监测领域中，利用光电子一体化集成技术，可以实现对大气成分、水质等参数的实时监测和分析。
四、存在的问题与未来的发展然而，光电子一体化集成技术在应用中仍面临着许多问题：一是由于光学元器件的微小尺寸，制作过程较为复杂，需要先进的工艺和设备；二是芯片内存在不同设备的互相耦合和干扰问题，需要进一步加强对光电子一体化芯片的优化和设计。
光纤传感技术在智能建筑中的应用
光纤传感技术在智能建筑中的应用随着科技的不断发展，智能建筑已经成为现代建筑领域的新宠。
光纤传感技术作为其中的重要组成部分，为智能建筑的实现提供了强大的支持。
本文将从光纤传感技术的原理和特点出发，探讨其在智能建筑中的应用。
一、光纤传感技术的原理光纤传感技术是利用光纤作为传感器来感知环境的一种技术。
它基于光纤的特性，通过测量光纤中光的传播状态来获得感知信息。
光纤传感技术主要包括光纤光栅传感技术和光纤干涉传感技术两种类型。
光纤光栅传感技术通过在光纤中制造一定的周期性微结构来实现对环境信号的感知。
当环境参数发生变化时，光纤光栅中的周期结构也会发生变化，从而改变传输光的特性，通过测量光的特性变化来获得环境信息。
光纤干涉传感技术则是利用光纤的干涉效应来实现对环境信号的感知。
将环境参数导致的光纤长度或折射率变化转化为干涉光信号的相位变化，通过测量干涉光信号的变化来获得环境信息。
二、光纤传感技术在智能建筑中的应用1. 温度与湿度监测智能建筑中，温度与湿度的监测是一个重要的环节。
光纤传感技术能够实现对温度和湿度的高精度实时监测。
通过在光纤中引入一定的温度和湿度敏感材料，当温度和湿度发生变化时，光纤的折射率或长度会发生变化，从而改变传输光的特性，通过测量光的特性变化可以实时监测温度和湿度的变化情况。
2. 火灾预警火灾是智能建筑中最重要的安全问题之一。
光纤传感技术能够利用光纤的高温敏感性来实现对火灾的预警。
在智能建筑中，将光纤布设在可能发生火灾的区域，当温度升高到一定程度时，光纤的折射率会发生变化，从而触发火灾预警系统，及时采取应对措施，有效防止火灾的蔓延。
3. 综合安防监测光纤传感技术还可以应用于智能建筑的综合安防监测中。
光纤传感器可以用来感知如烟雾、气体泄漏等安全隐患。
当烟雾浓度超出安全范围时，光纤的透光性会发生明显变化，系统即可发出警报并采取相应措施。
此外，光纤传感技术还能够用于监测建筑物的结构变化和地下管道的破损情况，为综合安防监测提供更全面的信息。
光纤传感技术课件：光纤传感系统
光纤传感系统
我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、 光电 基础产业和光纤传感技术全方位综合发展， 才有可能真正创 造我国的尖端传感技术。 目前， 国内至少有二十几家公司转 向研究光纤传感器的开发和生产， 其研究的种类繁多， 达到 了历史上的最好时期。 相信在未来的几年内， 光纤传感技术 的发展有望带动并形成一个与光纤和光电产品相关的产业群， 它必将带动我国在光纤制造、 光纤器件和光电器件的生产以 及相关仪器设备的制造等众多领域的技术进步， 为促进我国 的工业和军事领域的尖端技术革新和国民经济的发展贡献力量。
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光纤传感系统
双异质结， 主要是因为在有源区的两边有两个不同材料 的合金层。 这种结构是从半导体激光器的研究中发展起来的。 通过将各种不同材料的合金层夹在一起， 所有的载流子和辐 射光都将局限在中心有源层。 相邻层间的带隙差限制了载流 子， 而相邻层间的折射率差使辐射光约束在中心有源层。 这 就使得它具有高效率和高辐射强度， 如图2-2所示。 这样会使 阈值电流降低， 发热现象减轻， 可在室温状态下连续工作。 为了进一步降低阈值电流， 提高发光效率， 以及提高与光纤 的耦合效率， 常常使有源区尺寸尽量减小，通常ω=10 μm， d=0.2 μm，L=100 μm~400 μm。
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光纤传感系统
图2-1 两种基本LED结构
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光纤传感系统
在面发光二极管中， 有源发光面与光纤轴垂直， 如图21(b)所示。 这种结构中， 在器件的衬底腐蚀了一个小孔， 然 后使用环氧树脂材料固定插入小孔的光纤， 这样能以尽可能 高的效率接收发射出来的光。
边发光二极管的辐射光要比面发光二极管的具有更好的方 向性。 同质结LED， 即只有一个简单PN结， 且P区和N区都 是同一物质。 LED阈值电流密度太大， 工作时发热非常严重， 只能在低温环境、 脉冲状态下工作。 为了提高激光器的功率 和效率， 降低同质结LED的阈值电流， 人们研究出了双异质 结的LED， 如图2-2所示。
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度传 感器的传感机理 ，分析 了光纤传感 器与基体材料 的相 互作 用及其 力学传递特性 ；最后 ，较 为详细 的探 讨 了多种 可能 的
白 光 干 涉 式 准 分 布 光 纤 多路 复 用传 感 技 术 ，展 示 了其 基 本 的 环 形 传 感 网络 拓 扑 结 构 ，并 给 出 了若 干 简 化 解 调 系统 的 例 子 。 系 列论 述共 分 为 ８个部 分 ，本 刊 自本 期 起 陆 续 刊 出 ， 以期 推 动 国 内相 关领 域 基 于 白光 干 涉 原 理 的 光 纤 传 感 技 术 及 其 应 用 的
哈 尔滨 １０ ０ ） ５ ０ １
摘 要 ：概述了用于智能结构和材料监测 的光纤传感技术 ，阐述 了对建 筑结 构进 行监测的原 因和将 光纤传感器
用作结 构健 康监测的理 由。众所周知 ，很多光纤传感 器 已经 成功地 应用 到了智能结 构监测 领域 。本研究 一直关 注自光干涉式光纤传感器技术及近 ２ 年来此类传感 器的发展 。由于 白光干涉式光纤传感器 在智能结构 监测尤其 Ｏ
为 万亿 元 规 模 的 高科 技 市场 ，其 产 业 规 模 要 比 互联 网 大 ３ Ｏ倍 ，具 有 广 阔 的 发展 空 间 和 前 景 。 作 为 最 为基 础 的 物 理 感 知 层 的光 纤 传 感 器是 各 种 传 感 器 中 的 一 种 先进 传 感 技 术 。 为 了促 进 这 一 新 兴 产 业 技 术 的发 展 ，
广 泛深入 的研 究 ，本刊也将优 先刊载该领域的最新优 秀研 究成果 。
基 于 白光 干 涉原 理 的 光 纤传 感 技 术
一
工．光 纤 传 感器 与智 能结 构
苑 立 波
（ ．哈 尔滨工程 大学 理学院 光子科 学与技 术研 究中心 ，哈 尔滨 １０ ０ ；２ 黑龙 江省光 纤传 感科 学与技术 重点 实验 室， １ ５０ １ ．
纬 ： 按 ：物联 网产业链可 以细分为标识 、感知、处理 和信 息传送 ４ ； 者 个环节 ，各环 节的关键技 术分别为 Ｒ Ｉ 、传 感器、智 ＦＤ
能芯片和 电信运 营商的无线传输 网络 。物联 网产业未来需求 巨大 ，研 究机构预测 １ ０ａ内物联 网就 可能 大规 模普及 ，发展 成
系统地介绍该领域前 沿技术进展情 况，我们邀请 了该领域研 究处于领先地位 的国 内外著名 学者，哈 尔滨 工程 大学苑立 波教
授 ，针 对基 于 白 光 干 涉 原 理 的 光 纤 传 感 技 术 ，进 行 了较 为 专 门 系统 的 系列 阐 述 。 首 先 概 述 了 光 纤 智 能 结构 的 基 本 概 念 ， 简 要 回顾 了光 纤 白光 干 涉传 感 技 术 的 发 展 历 程 ，说 明 了 光 纤 白 光 传 感 器 的 优 缺 点 ； 其 次 ，详 细 讨 论 了白 光 干 涉光 纤 应 变与 温
ａ ｄ ｍ ａｅ ｉｌ，ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ ｈ ｐ ｉａ ｉｅ ｅ ｓ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｆ ｒｓ ｒ ｕｌ ｉｇ ｓｒ ｃｕ ａ ｎ ｔｒ— ｎ ｔ ｒａｓ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｔ ｅｏ ｔ ｌ ｂ ｒｓ ｎ ｏ ｓｔｃ ｎ ｌｇ ｏ ｍａ ｔｂ ｉ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｌ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｃ ｆ ｄ ａ ａｓ ｍｏ ｉｏ ｉｇ ｗｅ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ． Ｆｉｅ ｐ ｉ ｅ ｓ ｒ ｈ ｖ ｅ ｎ ｗｉｅｙ ｕ ｅ ｉ ｃｖｌ ｔｕ ｔ ｒ ｌ ｅ ｌｈ ｌ ｎｔ ｒｎ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂ ｒ ｏ ｔ ｓ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｂ ｅ ｄ ｌ ｓｄ ｎ ｉｉ ｃ ｓｒ ｃｕ ａ ｈ ａｔ
第 ３ 卷第 １ 期
２１年 ２ ０２ 月
黑
龙
江
大
学
工Байду номын сангаас
程
学
报
Ｖｏ ． １３。ＮＯ １ ．
Ｊ ｕ ｎ Ｉ ｆＥ ｇｎ ｅｉｇｏ ｉ ｎ ｊ ｎ ｉｅｓｔ ｏ ｒ ａ ｏ ｎ ｉｅｒ ｆＨｅｌ ｇｉ ｇＵｎｖ ｒｉ ｎ ｏ ａ ｙ
Ｆｅ ．。 ２ １ ｂ ０２
【 物联 网前沿技术之光 纤传 感器 专栏】
Ｓ ｎ ｏ ｓＫｅ ａ ．ｏ ｉ ｎ ｊ ｎ ｒｖｎ ｅ Ｈａｂｎ １ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｅ ｓｒ ｙＬ ｂ ｆＨｅ ｏ ｇｉ ｇＰ ｏ ｉｃ ， ｒ ｉ ５ ０ １ ｈ ｎ ） ｌ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｍ ａ ｙ ｔ ｐ ｉ ｅ ｐ ｉ ｅ ｓ ｒ ｒ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌｕ ｅ ｏ ｍ ｏ ｉ ｒ ｇ ｉ ｈ ｉ ｌ ｆ ｓ ｒ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓ ｓｒ ｃ ： ｎ ｙ ｅ ｆ ｒｏ ｔｃ ｓ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓ ｕ ｓ ｄ ｔ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｅ ｆ ｄ ｏ ｍａ ｔ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｂ ｏ ｎ ｅ
是 大型民用 建筑物监测 中的独特优点 ，因此具有较大 的发展 与应用潜力 。
关 键 词 ：白光干涉 ；光纤 传感器 ；智能结构 ；健康监测
中 图分类 号 ：Ｔ ２６ Ｎ５
文献 标 志码 ：Ａ
文章 编 号 ：２９～０Ｘ ２ １）１ ０３１ ０５ ８ （０２０— ８—５ ０ ０
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