基于白光干涉的光纤传感技术
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。
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。
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
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 ．
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。
干涉式光纤传感器
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ST70测量水听器
接收声压灵敏度 （dB re.1v/µPa） 204 自由电容 C0(nf) 4.2 ±15% 15% 带前置的放大器增益 （d B） 20 （ST70A型） 外壳材料 不锈钢 声窗材料 聚氨酯
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光纤传感器的分类
根据测量对象来分： 根据测量对象来分： 温度传感器、压力、位移传感器等。 温度传感器、压力、位移传感器等。 根据光纤是否对被测量敏感来分： 根据光纤是否对被测量敏感来分： 元件型和传输型传感器。 元件型和传输型传感器。 根据被测量调制光波参数来分： 根据被测量调制光波参数来分： 光强调制型、 相位调制型、 波长调制型、 频 光强调制型 、 相位调制型 、 波长调制型 、 率 调制型及偏振调制型。 调制型及偏振调制型。
式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应）， 第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三 项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。 为了测到各效应对其所产生的影响，自然要对调制在相位中的信号需要 进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光 束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。
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双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔 干涉仪、马赫 陈德尔 陈德尔(Mach双光束光纤干涉仪有迈克尔逊 干涉仪 Zehnder)干涉仪及斐索 干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪。 干涉仪。 干涉仪及斐索 干涉仪
1）迈克尔逊干涉仪 ） 信号臂 3dB 参考臂
(a) 迈克尔逊干涉仪
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基于光学干涉技术的传感器应用
基于光学干涉技术的传感器应用随着科技的不断发展，传感器技术在人们生活中的应用越来越广泛。
随着基于光学干涉技术的传感器的逐渐兴起，其应用也在不断拓展。
本文将从原理、类型、优缺点、应用等方面来探讨基于光学干涉技术的传感器应用。
一、原理光学干涉技术是一种利用光的波动性质进行测量的技术。
它基于干涉现象，通过测算干涉条纹的变化来获得被测量的物理量。
其原理主要是利用光的相干性，将测试样品与参考样品进行光干涉实现高精度的测量。
二、类型基于光学干涉技术的传感器种类繁多，其中主要有以下三种：1. 路程差型光干涉传感器：是一种光纤式传感器，采用光纤进行光路连接和信号传输。
它主要利用光路差的变化来测量目标物体的位移、形变等物理量。
2. 折射型光干涉传感器：主要用于测量物体的折射率、温度等物理量，利用折射率与光程之间的关系来进行测量。
3. 表面形貌测量型光干涉传感器：它主要用于表面形貌测量，例如测量机械零件的平直度、粗糙度等。
三、优缺点相对于传统的机电式传感器，基于光学干涉技术的传感器具有以下优点：1. 高精度：光学干涉技术是一种高精度的测量方法，其精度可达到亚微米或纳米级别。
因此，在需要高精度的应用场合可以使用基于光学干涉技术的传感器。
2. 高灵敏度：光学干涉传感器的传感器头一般采用光纤，可以实现小尺寸、高灵敏度和远传输距离的要求。
3. 无接触：传统的机电式传感器与被测物体直接接触，因此会受到物体表面的粗糙度和油漆厚度等因素的影响。
而基于光学干涉技术的传感器可以实现无接触测量，从而不受表面粗糙度等因素的影响。
4. 可以同时测量多个参数：基于光学干涉技术的传感器可以同时测量多个参数，这是传统机电式传感器所不具备的。
但是，基于光学干涉技术的传感器也存在以下缺点：1. 昂贵：相对于机电式传感器等其他传感器来说，基于光学干涉技术的传感器价格较高。
因此，在一些普及和低精度的应用场合还不能大量应用。
2. 对环境条件要求高：光学干涉技术对环境条件的要求比较严格，包括温度、湿度、灰尘等，这对传感器的使用也提出了相应的要求。
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得到系统参数
在未知应变施加于基体结构上时，使系统以一 个对应信号作为输出
光纤芯折 射率
光纤传感器的 标称长度
用下标1来表示沿着光纤的z方向，2和3分别表示处于光 纤横向截面内的两个正交的方向x和y，如下图所示：
小结
光纤智能结构是指结构中集成了光纤传感器的 遥测系统。
简
通过光纤传感器实现“应变”监测；在需要时
介
，也可以进行“温度”的测量。
通常与结构兼容，嵌于结构内部，以便进行监 测；有时也将传感器黏附结构表面。
一种典型的白光光纤应变传感 器由右图给出。
它由一段标准的单模光纤组成 。
L作为传感器的标称长度，应 变测量时通过直接测量这段光 纤的伸长ΔL实现的。
单色或者长相干长度 光源干涉
主要困难
仅能实现2π弧度相位 内光程差的测量，超 过此范围，将对应一 个周期性的输出信号
白光干涉仪
干涉条纹信号中主干 涉中央条纹的位置可
被精ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ判定
物理量
符号 数值
中心波长 1310nm
光谱半宽 （FWHM）
35nm
相干长度 49μm
光谱系数 2.8
相对强度系数 0.37μw/μm
1983年首次报导其在传感技术中的应用
1984年报导第一个完整的白光干涉技术位移传感系统 1985-1989年，白光干涉原理传感器广泛应用于研究压力、 温度和应变测量
相对于传感干涉仪串接的第二个问询干涉仪对于获得干涉 条纹信息来说是必须的，这个串接的结构将取决于处理干 涉信号的方法，选用分光计还是第二干涉仪的结构，要取 决于频谱分析还是相位分析。
当参考臂的反射器扫描时， 两臂光程差发生匹配，白光 干涉条纹出现。
反射器前后两次获得白光干 涉中心条纹的位置的差值 （X=X2-X1）与传感器的长度 相对应：X= X2-X1=nL0
小结
白光光纤传感器主要优点如下：
小尺度； 几何形状可变； 本质安全； 高灵敏度； 抗电磁场干扰；
与材料和结构兼容 ； 制作安装方便； 结构简单，低造价 ； 易于多路复用； 传感器长度可变。
3.用于光纤传感测量的光程变量表征方法
施加一个已知的温度和应变在基体结构上
光纤因此产生相关参数（例如光程差）的变化
基于白光干涉的光纤传感技术
1.引言 2.白光干涉式光纤传感器的优点 3.用于光纤应变、温度传感测量的光程变量表征方法 4.光纤白光干涉仪 5.基于光纤白光干涉方法的应变、温度测量技术 6.表观应变与温度补偿技术
光
迈克尔逊干涉仪
纤
白
光
干
M-Z干涉仪
涉
技
术
应变 温度
1975年提出原理
1976年在光纤通信领域中实现了可能方案
传感臂：光纤光程长S=2nL1 参考臂：光程总和2nL2+2X
调整扫描镜的位置，使传感 臂和参考臂的光程可以发生 匹配，也就是说满足 2nL1=2nL2+2X。
在该位置附近，出现与上图 类似的白光干涉图纹。
其中，零级条纹近似在干涉 条纹的中央，具有最大的振 幅，对应于两臂光程精确相 等处。
传感器两个端面上产生两个 传感信号：一个信号来自于 传感器前端面的部分反射。 这部分反射光通过长度为L0 的传感器。第二个光信号在 传感器的后端面反射。