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相位干涉型光纤传感器的研制实验背景相位干涉型光纤传感器：•利用外界因素引起光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器•其中，光波相位的变化通过干涉技术转化为光强的变化光纤干涉仪的优点：•单膜光纤为光路•可以克服加长光路长度时对相干长度的限制实验原理：一.光纤干涉仪相位调制机制真空中波长为λ0的光入射到长度为l，纤芯折射率为n的光纤上以入射端面为基准，出射光相位为φ＝k0nl＝kl（1）式中，k0＝2π/λ0k＝k0n由（1）式可知，n和l的变化都会导致光波相位的变化，即实现相位调制Δφ=Δ(kl)=k0(lΔn+nΔl)（2）其中，温度变化对相位调制的作用有：Δφ/ΔT=k0(lΔn/ΔT＋nΔl/ΔT)稍加转换Δφ/lΔT=k0(lΔn/ΔT+nΔl/lΔT)（3）二.马赫－曾德尔光纤干涉仪结构和测温原理•此光纤干涉仪为最早用于温度测量的一种光纤温度传感器•由一条参考臂（提供相位基准），一条传感臂（用于光相位调制，对测量物理量敏感）组成•测量臂相位变化由温度引起，则光纤干涉仪的温度灵敏度如（3）式：Δφ/lΔT=k0(lΔn/ΔT+nΔl/lΔT)（3）此式即为最后计算时应用的公式的长度，ΔT为温度变化量，k0＝2π/λ0Δφ/lΔT=k0(Δn/nΔT+nΔl/lΔT)等式右侧：当单模光纤规格已知时，光纤的温度灵敏度则是确定值。剥去护套层的石英玻璃光纤，Δn/nΔT=0.68×10－5/oCΔl/lΔT=5.5×10－7/oC(λ0=632.8nmn=1.456)计算出光纤温度灵敏度的理论值Δφ/lΔT＝107rad/oC·mΔφ/lΔT=k0(Δn/nΔT+nΔl/lΔT)等式左侧：在实验时，测出探测臂长度l，测量出温度变化ΔT，数出干涉条纹移动数Δm，由Δφ＝2πΔm计算实际光纤温度灵敏度Δφ/lΔT，并与理论值（107rad/oC·m）对照实际实验装置图光纤注入端光纤出射端数据表格温度/oC23.9528.2933.7639.0346.10条纹移动数017406293实验数据与结果010203040506070809010020253035404550温度/摄氏度移动条纹数•实际光纤裸露部分长度27厘米，计算得理论值每1℃有4.60条纹移动•由实验数据结果得每1℃有4.20条纹移动，相关系数r＝0.9998，比较符合理论计算结果，一方面说明在一定温度范围内光线干涉仪作为温度传感器的可行性，另一方面也说明实验装置设计部分还存在系统误差，有进一步改进的可能性和必要性实验讨论•一.随着实验进程显现的问题及解决•1.光路设计和干涉图样的获得注入端：这是我们在实验中遇到的第一个难点，因为注入的效果直接影响干涉图样的质量经过多次试验后，最大注入效率可以达到50％以上，完全可以满足信号强度的要求，当然，并不是信号越强越好，经过实验发现，适当降低信号的强度可以增加条纹的对比度，易于观察和读数出射模式问题：由于内外芯折射率相差较小，用波动模式解出能在光纤中稳定传播的模式如下当入射光轴与光纤光轴平行时，应得模式一图样，而当角度逐渐增大时，就会出现如模式三的图样，我们在实验中就遇到了这种“四瓣”的情况另外，只有从内芯出射的光才能形成干涉条纹，从外芯和包层出射的光不能形成理想的干涉条纹，只能影响干涉条纹的反衬度解决的办法是在光纤的传输部分弯几个半径较小的圆，可以部分的削弱非内芯传输的光能，然而，这个办法后来被放弃了，原因就是这种办法影响了信号的稳定度2.系统和信号的稳定这是我们在实验中遇到的第二个难点，经过初步的调试后获得的干涉图像虽然比较清晰，然而稳定性不好，轻微的空气扰动和实验台的震动都会引起干涉条纹的移动，幅度可以达到2－5个条纹，如果想进行温度传感部分的测定，就要先解决系统的稳定性问题这个问题的解决依赖于一次偶然的发现，我们观察到，在没有任何弯曲，不受到任何应力作用情况下的光纤受到震动的影响最小，此时条纹的稳定度和反衬度均达到最佳。这说明中间的弯曲和应力均会影响到内芯光波传播的模式，因此理想的状态应是光纤在水平面上自然伸直，此时即能得到理想模式一通过上面的发现我们想通过干涉图像进一步定性了解各种应力对不同状态的光纤稳定性的影响，并争取在进一步测量中将这种影响予以消除1）光纤两端固定A.加拉力，光波出射模式有较大变化，条纹移动不明显B.加压力，模式有一定变化，条纹有移动2）光纤中间弯曲振动影响模式，不影响条纹移动3）加扭力振动对模式影响不大，条纹有较小的回复性移动结论：拉力和弯曲对干涉图像质量影响最大，因此光纤本身应尽量避免绷紧和扭曲光纤注入端对振动十分敏感，因此用胶带沿其自然伸展方向予以固定，非测量段光纤均用胶带固定在防振台上，输出端亦用磁性物质予以固定作好稳定措施后的效果：在一般情况下，可以保证干涉条纹在数小时内保持稳定，条纹基本不动，完全符合后续实验工作的需要3.测量臂部分加热器的制作这一部分完全出自同学们的设计和手工制作，效果令人满意，也节省了实验的时间，加快了进度。当然，这一装置仍然有温度梯度的存在，为此，又设计了进一步的改良装置，尚未通过实验予以检验信号臂部分改良后的信号端部分二.进一步的展望应该说，以上的实验数据和结论都还只是初步和阶段性的成果，以此为基础，还可以进行更深层次的探讨和研究1.教学方面以光纤代替空气，是对光传播途径的重大改良，通过对光纤干涉现像的研究，并与普通光学干涉现像的对比，可以了解到这一改良的意义所在加深对干涉原理的认识和了解，同时增强光纤操作技术方面的训练2.研究方面光纤作为传感器，利用光的干涉现像进行微小变化的测量，并不只局限于温度方面，同时可以测量力学量，电学量和磁致伸缩等一系列物理量的变化，有广泛的前景即使作为温度传感器本身，尚有许多值得探讨之处：首先，测量精度可以进一步提升，在稳定性很好的条件下，可以逐渐提高测量的精度，利用读数显微镜和CCD，再配以其它技术，可以观测到很小的条纹定向移动，提高精度其次，系统误差的存在，说明有进一步改良的可能，当然，现在认为误差的原因是温度梯度也许尚存在未能发现的影响干涉图样的实验条件不在塑料管内灌油的情况温度/oC21.2624.7828.2531.6435.1038.5241.9445.37移动条纹数0102030405060700102030405060708020304050温度/摄氏度移动条纹数由实验结果看出，不灌油后，实测光纤温度灵敏度下降至每1℃有2.90条纹个数，相关系数r＝0.9997，与原来实际值4.20和理论值4.60相比，影响非常明显，故认为主要系统误差出在温度梯度上，并给出了相应的改良方案•3.应用方面光纤的弯曲究竟如何影响到干涉图像仍是困扰我们的问题之一。为了提高传感器的灵敏度，加长相干长度，光纤在实际工作中是必须要弯曲的，而且防振条件会比现在更差，如何从理论上解决这一问题，给出更好的设计方案，也将是我们这一实验今后的努力方向所在