基于白光干涉的光纤传感系统

基于白光干涉的光纤传感系统小组成员:李峰08272010、姜勇勇08272009、秦亮08272014、何洪涛08272007选题的意义：单模高相干激光检测设备采用激光波长为标准量，在精密测量条件下，可达纳米级甚至亚纳米级测量精度；但由于受光学传递函数的周期影响，这类系统的单值动态范围一般很小。并且，由于测量系统在重新启动时无法识别出干涉级的级数，只能对物理量进行相对测量。同时，这类系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，结构复杂，成本高。相比之下，采用低相干光源的白光干涉仪则能解决其中的一些难题，它不仅可用来对物理量进行绝对测量，而且能对传感器的动态范围得以扩展，分辨率得以提高。而且，用于系统的低相干光源及多模光纤价格便宜。而且在未来的航天、医疗、建筑、军事等领域，越来越需要灵巧、实时、准确的传感器，而光纤传感器就有这些优点。它具有体积小、易弯曲、抗电磁干扰等优点，有很大的研究、开发和应用价值。随着光纤白光干涉传感技术的不断发展，该技术日趋完善，同时也发展了越来越多的应用。低相干大尺度光纤结构传感器在瑞士建筑业中被广泛使用，获得了几个微应变的分辨率，其测量范围超过几千个微应变。可以预期，这种基于白光干涉技术的传感器将在智能结构和材料中起到越来越重要的作用。研究现状：近年根据白光干涉的特点，相继研究出了基于绝对测量技术和多路复用技术的光纤传感器和测试系统，用于应变、温度、压力等物理量的测量。对于绝对测量的研究主要集中在提到测量范围和检测精度；对相干复用技术的研究主要集中在发展多路复用传感器的结构和解调系统的形式，目的是在保持检测精度的前提下，增加传感器数量与容量。研究目标：实现基于白光干涉的测量物体表面形貌的光纤传感系统，探测器测量样品表面到探测头的距离，由于应用宽光谱的白光作为光源，测量是连续的，绝对的。通过对光谱的分散取消机械运动部分，提高检测速度。研究内容：1.分析白光干涉测量的原理白光干涉仪示意图。白光干涉是一种测量物体表面形貌的方法，来自光源的白光被分光棱镜分成两束，经过测量臂和扫描参考臂后，分别被测量反射镜和参考反射镜反射回来，干涉仪的光程差通过移动参考反射镜来改变。干涉信号由探测器阵列或光谱仪器接收，最后进行分析处理。由于白光的低相干性，当测量参考臂沿光轴移动时，只当光程差为0时，白光迈克耳逊干涉仪输出的干涉条纹出现中心极大峰值，可据此来获取被测物理量的绝对值。白光干涉的缺陷是测量参考臂必须是机械移动的，测量比较耗时而且只适用于静态物体的测量，这个缺陷可以通过在干涉仪的一臂引入色散模块然后在探测器前加一个光谱仪来解决。已知色散模块的折射率与光的波长有关，而且线性于波数K=2π/λ，n(k)=n(k0)+a(k-k0),a是色散参数，k0是白光的中心波长，某一波长k干涉仪输出的光强为I(k)=1/2I(k0)[1+cosФ(k）]该波长时测量臂与参考臂之间的相位差Ф（k）是Ф（k）=2k{z-d[n(k)-1]}=2k{z-d[n(k0)+a(k-k0)-1]}所以相位差是关于波数的抛物线，中心波数是kc=z/2ad-[nk0-ak0-1]d/2ad测量表面距离虚拟的参考面的距离为z=[n(k0)+2akc-ak0-1]d=[N(kc)-1]d已知中心波数k0所对应的z0，那么有kc-k0=△k=(z-z0)/2ad=△z/2ad对于光纤来说，△k=△z/2（afh-af）L,afh、af是参考、测量光纤的色散参数，L是参考光纤的长度，这样测出kc，就能得到z。下面三图依次为随波长改变的相位差、输出光强、kc峰位置。2.讨论白光干涉传感系统的组成部分示意简图白光干涉传感系统示意图系统分为四块，分别是光源及光纤传输系统、白光干涉仪系统、光谱接收系统、分析软件。模块一位测量系统提供功率可调的宽带可见光，解决光源、干涉仪、光谱仪之间的传输问题；模块二可以获得绝对距离信息并输出到信号采集系统；模块三将接收到的干涉光谱信号转换为电信号，传给计算机；模块四通过软件分析光谱信号数据得到被测绝对距离。可行性分析：该传感器结构简单，传感器大部分通过长光纤连接探测头，不需机械扫描，并且具有高测量速率。预取达到指标：测量范围在0-1mm,精度在微米量级。参考文献：TianchuLi,AnboWang,KentMurphy,andRichardClaus,White-lightscanningfiberMichelsoninterferometerforabsoluteposition–distancemeasurement,Opticsletters,20(7),1995.PavelPavlícek,GerdHäusler,White-lightinterferometerwithdispersion:anaccuratefiber-opticsensorforthemeasurementofdistance,APPLIEDOPTICS,44(15),2005.