光纤干涉测量技术应用及发展趋势

姚 尧，王志鹏，田郁郁，程 鹏，巩 莹

（1 天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

（2 国网天津市电力公司培训中心，天津 300170）

1 引言

光纤干涉测量，基于相位调制的原理，利用待测体敏感单元的作用，使在其中传播光路的相位发生变化，两光线发生干涉作用，检测干涉条纹的变化来计算相位变化量，进而得到被测对象的信息[1]。

2 光纤干涉传感器测量应用领域

光纤干涉传感器测量已经应用到温度、压力、磁场、位移、速度等物理量的测量，文中将围绕其中几方面重点阐述光纤干涉技术的应用及未来的发展方向。

2.1 温度测量

光纤干涉温度传感器利用温度变化来改变干涉仪的干涉条纹[2]，如M-Z干涉仪、F-P干涉仪、萨格纳克效应干涉仪等。

由于温度变化会引起相位变化。假设折射率在环境温度场中保持恒定，由于泊松效应引起的光纤直径变化而产生的波导传播常数变化忽略不计[3]，那么光纤中的相位变化随温度变化为：。

2.2 压力测量

光纤技术应用于压力测量的光纤应变传感器，以光信号为传播载体，常用的压力测量方法主要基于光弹效应、微弯效应、F-P干涉腔等等[4]。

图1 传统F-P干涉仪结构简图

F-P干涉仪结构简单，灵敏度高，图1显示为结构简图。入射光纤与反射光纤两端面M1、M2镀膜包覆于石英毛细管中，通过熔接形成F-P干涉腔。光线从入射光纤左侧进入，通过端面M1后一部分反射形成一束干涉光。另一部分光线继续传播至端面M2后反射形成另一束干涉光，此光线再透过端面M1继续传播进入入射光纤，与第一束光发生干涉作用。当有外界压力作用于光纤，F-P干涉腔的长度产生随即改变。

若单一波长的入射光经过F-P腔后返回至入射光纤的干涉光强为：。

2.3 磁场测量

光纤光栅磁场传感器，利用法拉第磁光效应原理，使光学性质发生变化。恒定或低频外磁场会破坏晶体的对称性，在光波的传播方向上施加某磁场，其偏振面随光振动方向发生偏转，并满足公式：。

2.4 位移测量

一束激光A通过扩束镜B，经两此D、E两反射面反射后汇合产生干涉条纹，如图2所示，反射镜D固定，反射镜E可在光线传播方向上移动，移动后的反射镜E′与E间的间距为L，F为干涉条纹分布场，物体位移量可由公式计算[9]。其中，为变化的干涉条纹个数，为介质折射率，此方法可以在光波波长数量级范围内测量微小角度或位移变化。

图2 干涉型光纤位移测量原理图

3 典型实例

3.1 光纤传感器在温度测量领域的应用

以目前广泛使用的Mach-Zehnder光纤温度传感器为例，如图3所示。

图3 Mach-Zehnder光纤温度传感器结构示意图

Mzch-Zehnder光纤由一束激光器发出一束激光，前置一扩束器，经扩束器的光纤再经分束器分别经显微物镜聚焦，进入两根相同长度的单模光纤，最终两束单模光纤在汇聚处发生干涉作用，通过由光电转换、差分放大器、低通滤波器所组成的光电探测系统识别。这两束光纤其中一根放置于恒温器中，其光程不产生变化，另一束光纤置于待测温度场中，其长度和折射率均随温度场的温度变化而改变，两光纤中传输光的相位差发生改变，干涉条纹发生移动，光电探测系统识别到的光强周期性变动，进而识别到温度场的温度变化。

3.2 光纤传感器在压力测量领域的应用

将光纤光栅压力传感片的光栅平行或垂直贴在应变体上进行压力测量，当光纤光栅受到由压力变化而产生的挤压时，光纤干涉引起光线的布拉格中心波长变化，通过对中心波长的调制解调得到压力变化[10]。测量原理图如图4所示。

图4 光纤压力测量应用原理图

除了直接将传感片贴在应变体上以外，北京航空航天大学高分子及复合材料系教授张博明还研究了一种符合材料结构应用于动态压力测量系统，此方法应用于汽车称重系统，实验结果表明，运动中的汽车速度达50km/h时，质量为2810.3kg的汽车在行驶中的压力测量误差约为0.56%；速度达60km/h时，质量为2548.6kg的汽车在行驶中的压力测量误差约为8.81%[11]。高德文等人研究了光纤光栅径向压力作用下的称重系统，实验证明光纤光栅在径向压力作用下产生双折射效应[12]，当光纤光栅轴向压力为零时，布拉格中心波长移动是有效折射率的单函数，其波长移动量变化与径向载荷具有线性关系，测量波长变化可检测压力。

4 光纤干涉传感器未来发展方向

4.1 满足干涉条件的光源需要有一定的稳定度

若光波频率不稳定，则会产生很大的噪声，随光波频率的减小，此噪声会相对增大，随干涉仪光程差的增大而增加，由此会产生无法区别于被测信号的干扰信号。为满足相干长度，激光光源的线宽必须很窄。光线返回光源输入端会使输出光频率不稳定，线宽加宽，产生过大的噪声。使用中通常在耦合器至激光器之间加入光隔离器，隔离光线对激光器光源的影响[13]。

4.2 相位衰落现象需要迫切解决

当外界扰动时，光纤干涉传感器输出相位调制信号，检测该信号的变化，即可测得被测信号。光纤干涉传感器获得的转换信号与被测信号成非线性关系，容易被机械扰动、温度漂移因素影响，出现相位衰落现象使得传感器输出信号夹杂更多噪声。因此近年来也相继产生了多种抗相位衰落的信号检测方法，如PGC调制解调、相位跟踪检测、差分延迟外差(DDH)、合成外差(SHET)、光程补偿外差(OPCH)等等。

4.3 传统的信号检测方法需要突破

干涉型光纤传感器的原理就是将微弱的光信号转化成正更容易检测的电信号。由于从输入信号、光电转换、传输过程中每一步都会产生干扰而导致各种随机相移，通过放大增益将噪声信号放大，噪声信号比被测信号产生的相位调制信号大很多，这就要求改进传统光信号检测方法，避免在噪声信号中提取微弱光信号的过程。

4.4 多路复用技术

在现实检测环境中，单一的传感器很难获得待测信号很全面的信息，必要时需要结合多种复用技术[14]构成二维传感器。通过对光源、光纤、传输系统、光电转换系统等的复用，用尽量少的组件构成低成本的二维传感器是今后光纤干涉传感器极具前景的发展趋势。

5 结语

文中通过解析光纤干涉传感器的原理，结合实例介绍现代光纤干涉测量技术的应用，虽然光纤干涉测量技术种类繁多，应用领域众多，但是它作为一种新型的科技手段，也存在很多待解决的问题，如光源稳定度引起的噪声、相位衰落、传统信号检测方法的瓶颈、多路复用技术难以结合等。随着光纤干涉技术的不断成熟，它将更广泛地应用于科研、军事等。