光纤干涉仪传感器简介

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1、1绪论1.1研究背景光纤干涉仪利用了光纤来实现光的干涉，被大量的用在传感领域，是种重要的光纤传感器件。因此，有必要先介绍下光纤传感技术。光纤传感技术是一种以光纤为媒介，以光波为载体的新型传感技术，起源于上世纪七十年代。伴随着光通信和光电技术的发展，光纤干涉仪传感技术在过去几十年取得了巨大进步。光纤传感器逐渐商用，取代传统传感技术的能力明显增强，同时为重要参数的传感提供新机会。目前，光纤传感技术已在钢筋混凝土结构监测、电力系统，化学传感，医药，生物，石油天然气和航空航天等领域取得重要应用。相对于传统的传感

2、技术来说，光纤传感技术具有许多固有的优势。具体表现在以下方面：（1）适合极端环境下工作。光纤传感器的抗电磁干扰能力强，同时具有耐高温，耐腐蚀和耐高压等特性。（2）重量轻，结构小巧，适合嵌入式环境监测。（3）具有低的传播损耗，适合远程监控。适合波分复用和分布式监测，传输容量大（5）具有优异的传感性能，其灵敏度高，分辨率高，可测量参数种类多，可以实现多参量同时高效的传感。（6）可以进行活性探测和非接触式测量等。利用光纤传感器对生物分子进行传感不需要先对生物分子进行标定。光纤传感器种类众多，根据传感区域是否为

3、光纤本身，可以大体分为本征型和非本征型两类。本征型光纤传感器是指传感器由光纤自身构成，外界环境参量作用于光纤，改变光纤中传播的光的参量从而进行传感。本征型光纤传感器同时具备了传输光信号和传感两个功能。非本征型光纤传感器的光需要离开光纤到达光纤外的传感区域，然后光返回光纤，光纤主要起到传递光信号的功能。根据工作原理中调制的光参数不同，光纤传感器主要有波长调制型[1]、振幅调制型[2]、偏振调制型[3]和相位调制型[4]四类。目前波长调制型主要依靠光纤光栅实现，在光栅中谐振波长会随着外界环境的变化产生漂移。

4、振幅调制型主要是基于对光的直接耦合和损耗原理。偏振调制型主要基于外部环境使光的偏振状态发生变化来进行传感。相位调制型是通过检测外界环境对相位产生的变化来进行传感的，但是光电探测器只能检测光强信号，所以相位调制型一般需要通过干涉原理将相位信号转化成强度信号来进行传感。事实上光纤相位传感器又叫做光纤干涉仪传感器。光纤干涉仪传感器在大的动态范围具有优越的传感性能，是一种具有高灵敏和高分辨率的光纤传感器[5,6]。1.2光纤干涉仪概述光纤具有优良的导光性能，光纤干涉仪和其它干涉仪一样，其干涉的实现主要包括分光和

5、合束两个过程。在光纤中可以通过灵活设计使光在一处分开，然后以不同的方式在光纤中传播，最后在另一处合并，满足干涉条件就发生干涉现象。应用于传感的光纤干涉仪在设计过程中需要考虑到外界环境的因素能造成干涉光之间的相位差产生变化，从而能够实现对外界环境的监测。在军事应用的驱动下，早在上世纪70年代便开始了光纤干涉仪传感器的研究。目前，具有代表性的光纤干涉仪可以分为光纤法布里-珀罗干涉仪（Fabry-PerotInterferometer,FPI）、马赫-泽德干涉仪（Mach-ZehnderInterferome

6、ter,MZI）、迈克尔逊干涉仪（MichelsonInterferometer，MI）和萨格纳克干涉仪（SagnacInterferometer，SI）四种类型。下面主要对这四种类型的光纤干涉仪从原理、实现方式和应用领域进行简要的介绍。1.2.1光纤Mach-Zehnder干涉仪光纤Mach-Zehnder（MZ）干涉仪基于双光束干涉原理，两束光发生干涉后输出光强可以用下式1-1表示。式中表示两光束的相位差，对于MZ干涉仪MZ主要由两光束有效折射率差和传播路径造成。外界环境变化造成的相位差变化会引起

7、输出光谱的改变，从而能实现对外界环境的传感。II=2IcosII（1-1）1212MZ早期的光纤Mach-Zehnder干涉仪如下图1-1所示。通过一个3dB耦合器将一束光分成两束在两段光纤中传播，然后在另一个3dB耦合器处合并，两束光的光程不同会产生固定相位差从而发生干涉。在这种结构中，一个臂为参考臂，另一个臂为传感臂，传感臂受外界环境影响会使两束光的相位差改变，从而会导致干涉光谱的变化。通过对干涉光谱进行检测就能对环境变化进行监测。图1-1早期光纤MZ干涉仪结构示意图早期的这种结构具有应用困难

8、，容易受环境影响，稳定性差，体积大等诸多缺点，所以很快被全光纤型的MZ干涉仪取代。全光纤型MZ干涉仪让两路光在同一段光纤中传播，这包括以不同的模式传播和不同的路径传播，从而克服了早期的光纤MZ干涉仪的缺点。目前已经有很多种实现全光纤干涉的办法，但主要还是基于分光和合束两个步骤。下面介绍些目前常见的实现全光纤MZ干涉仪的办法。1）通过锥形结构实现分束和合束。如图1-2a所示，在锥形处由于光纤结构发生了突变，使得纤芯和包层的结构遭到破坏，从而包