物理光学大作业——基于光纤马赫-泽德干涉的测力方法设计

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1、物理光学大作业题目基于光纤马赫-泽德干涉的测力方法设计班号*******学号**********学生姓名********哈尔滨工业大学摘要：设计了一种利用光纤马赫—泽德干涉的测力的方法。固定在弹性元件上的光纤随弹性元件的受力形变而发生形变，从而引起相位的变化。由相位的变化可以得出形变的大小，再根据胡克定律，可得弹性元件受力大小。关键词：光纤马赫—泽德干涉；测力；胡克定律1引言自1881年迈克尔逊发明迈克尔逊干涉仪以来，将光的干涉现象用于测量变得简单可行，此后又出现了萨格纳克干涉仪、马赫—泽德干涉仪、法布里—泊罗干

2、涉仪等一些干涉仪。这些干涉仪与1960年出现的激光结合能提供一种前所未有精确、快速、非接触的测量。由于干涉光路的搭建非常困难，使得这些干涉仪在复杂的外界环境中的应用受限。光纤的出现改变了这一情况。使用光纤可以方便的改变光路，用光纤搭建上述干涉仪的干涉光路就可以构成相应的光纤干涉仪。在光纤通讯中，光纤作为传输介质传输信息。在传输过程中，光纤易到外界因素的干扰，如温度，压力等，这些变化会导致光波参数(强度、相位、频率、偏振态等)发生变化。于是可以通过测量光波参数的变化，就可以知道外界物理参数的变化，由此就产生了光纤传

3、感技术。2光纤传感器简介光纤传感器以光学测量为基础，以光纤为传光或传感的媒体将被测量的变化转换成光波的变化。实际上，只要能使光波强度、频率、相位和偏振态四个参数之一随被测量变化，即使四量之一被待测量调制，再结合光探测器和解调器便可测出被测量。这便是光纤传感器的基本工作原理。光纤传感器可分为光强调制，相位调制，偏振态调制和频率调制四种形式。其中常用的是光强调制和相位调制。按光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器又分为功能型(传感型)、非功能型(传光型)和拾光型光纤传感器三类。功能型光纤传感器中的光纤不仅起着传输光波的

4、作用，而且还作为敏感元件感受被测量的变化。由于它对光波实行了“调制”，所以它既传光，又传感。传光型光纤传感器的光纤仅用于传输光波，对光的调制用其他元件实现。拾光型光纤传感器是用光纤作为探头，接收有被测对象反射、散射或辐射的光，典型的例子是光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器。[1,2]各种光纤传感器的类型及分类如表1所示。[1]表1光纤传感器的类型及分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）萨格纳克效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位

5、移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa-7-非干涉型强度调制光纤传感器遮光板遮挡光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜后液晶的反射气体分子的吸收光纤泄露膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤传感器法拉第效应泡尔效应双折射变化光弹效应电场、磁场电场、电压温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb，abbb频率调制光纤传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、

6、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注:MM—多模光纤;SM—单模光纤;PM—偏振保持光纤。a—功能型光纤传感器；b—非功能型光纤传感器；c—拾光型光纤传感器。光纤传感器与传统传感器相比有着一系列优点:1)高灵敏度。例如马赫—泽德光纤干涉仪能检测到0.1的相位差，若光源的波长为1，相当于光程差。2)抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统不传送电信号，因此，光信号在传输中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，在电力系统的检测中得到了广泛应用。3)结构简单、体积小、质量轻、耗能小。4)电绝缘性和化学稳

7、定性。光纤是化学性能稳定的高绝缘物质，且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。5)良好的安全性。光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量时，不存在漏电和电击的危险。[2]3普通光纤干涉仪结构与原理简介3.1光纤迈克尔逊干涉仪结构与原理光纤迈克尔逊干涉仪的结构与原理如图1所示，光源发出的光经过透镜会聚，入射到光纤耦合器DC，将光分成两路，一路作为参考光，入射到反射镜M1，另一路作为测量光，两路光被反射回到耦合器会聚并干涉，干涉光由探测器接收。当测量光一臂的反射镜M2发生移动，干涉条纹（干涉信号的相位）就要发生

8、变化，输出光强的表达式为(1)因此，可以通过判断相位的变化来对外界物理量进行测量。[3]-7-图1光纤迈克尔逊干涉仪原理图3.2光纤萨格纳克干涉仪结构与原理光纤萨格纳克干涉仪结构与原理如图2所示。它是利用萨格纳克效应构成的一种干涉仪，是光纤陀螺的基本结构。输入的光经过耦合器分成两束，分别沿顺时针和逆时针方向在光纤环中传播，最后在耦合器处会合，发生干涉。围绕着垂直于环面的轴