光纤干涉传感应用初探

赵闰添

20世纪60年代，利用光的各种属性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等）的光检测技术通过激光作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得了飞速发展。20世纪90年代后期，光子产业通过光通信技术取得了巨大的成功，光纤传感器呈产业化发展，在国际上形成了五大应用领域，即医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和智能结构。

随着国家对环境和工程监制的重视加强，各种新型传感器成为了工业界和学术界的研究热点。光纤传感器因其具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，易于远程操作等优点，逐渐成为当今学术与工业界的研究热点。

一、光电检测电路应用于干涉仪的应用

（一）光电检测电路

光检测电路包括以下几个部分：半导体发光器、光学系统器件、光信号的匹配器、光电转换器、电信号的放大与处理器、微机及控制系统。

（二）光电检测器

光电检测器采用光子效应实现光辐射量与测量物理量之间的转换，其中外光电效应是一种光子效应，逸出电子动能的计算公式为：

（1.1）

式中，v表示逸出的速度;m表示电子质量。

光子的频率和波长的计算公式分别为：

（1.2）

（1.3）

光电探测器包括光电池和光电二极管两种类型，在光照条件下，光电二极管和光电池均可以产生光生电势，由光电二极管作为光电探测器的结构如图1所示。

图1 光电二极管的结构

（三） 光电检测电路的设计

根据光电二极管特性，同时考虑与反馈电阻相并联的电容极小的问题，光电二极管的输出电压为：

（1.4）

式中，E表示光照强度;表示反馈电阻;S表示光电灵敏度。

选择用同轴探测器设计光电检测电路，反馈电阻为：

（1.5）

那么高频介质频率为：

（1.6）

为了使光纤干涉仪性能优异，提高测量精度，所以构建出光电检测电路的光纤干涉仪。光电检测电路的工作原理就是光电转换电路，基于其中的探测器、噪声等因素的分析，以及其工作模式的对比，从理论上可以得出电路在光纤干涉仪中的应用效果良好。

二、 光纤迈克尔逊干涉仪的应用

（一） 代替传统的迈克尔逊干涉仪应用于教学

传统的迈克尔逊干涉仪在演示双光束的干涉时，能够较清晰地看出干涉条纹，但动态演示干涉过程效果不理想。而光纤迈克尔逊干涉仪系统能从电信号和光信号两方面演示双光束的干涉，特别是与PC机相连后，能够动态地演示双光束干涉的整个过程，因为在图2中步进电机的移动引起的相位变化为

（1.7）

式中ls信号臂光纤的长度， lr为参考臂光纤的长度，两束光干涉光强为

（1.8）

这能够从理论、实验同时进行解释双光束干涉的实质。

图2    迈克尔干涉仪系统结构图

（二）测量微位移

把信号臂一侧的反射端面贴在待测量对象（比如置于空气中）上 ， 信号臂光纤端面与反射端面距离为，式（1.4）变形为

（1.9）

当反射端面随着待测物体发生微位移时，使发生变化 ，即式（1.9）中的变化，进而使得式（1.8）的干涉光的光强I变化 ，以此来达到测量微位移的目的。采用光的干涉法测量微位移是目前精度最高且实用的方法。

利用迈克尔逊测量微位移系统，可以很好的应用于机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业，也是上述产业、产品及技术不断进步的制约因素，特别是在军事领域，高精度的微位移测量有着重要的意义。

（三）测量折射率

把信号臂一侧的反射端面固定，信號臂光纤端面与反射端面距离为待测物体长、折射率为，待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之间后，式（1.6）变形为

（1.10）

待测物体长可以测量出来，在式（1.10）中待测物体折射率改变了干涉光的光强，由光强的变化测量物体的折射率。

迈克尔逊干涉仪通过这种方法来测量液体、空气及玻璃等各种介质的折射率，可以很好的应用于医学研究、石油化工等领域，在我国研究测量等领域起着至关重要的作用。

（四）迈克尔逊干涉仪的其他应用

虽然迈克尔逊干涉仪在各方面应用甚广，但它的最著名应用即是它在迈克尔逊-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，迈克尔逊干涉仪还可以测量磁场的强弱、压力等。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克尔逊干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。

三、 马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪的应用

（一）代替传统的Mach-Zehnder干涉仪用于教学

传统的Mach-Zehnder干涉仪在演示双光束的干涉时 ，能够较清晰地看出干涉条纹 ，但动态演示干涉过程效果不理想。而光纤Mach-Zehnder干涉仪系统能从电信号和光信号两方面都能演示双光束的干涉，把PD1、PD2与PC机均相连，能够动态地演示双光束干涉的整个过程，这能够把理论与实验结合来解释双光束干涉的实质。

（二）测量微应变、应力和测量磁场的强弱

把传感臂紧贴在被测量对象表面， 当应变波作用在信号臂上时， 使得光纤发生微小形变进而改变信号臂光纤的折射率 ，光纤的折射率n的变化使相位差Δφ变化，进而使得干涉光的光强I 变化，以此来达到测量微应变、应力的目的。并且，根据干涉光光强I与信号项呈线性关系，这对于工程应用是相当有用的。把传感臂涂上一层磁敏材料置于待测量磁场中，当磁场作用在磁敏材料上时，使得光纤发生收缩进而改变信号臂光纤的折射率 n 和长度，这样使得相位差Δφ变化，进而使得干涉光的光强I变化， I与磁场近似线性关系，以此来测得磁场的强弱精度较高。

四、光纤法布里珀罗（F-P）干涉仪的应用

（一）光纤法布里珀罗（F-P）干涉测量微位移

根据等厚干涉的原理，设计了只有一种厚度的干涉结构，即光纤法布里珀罗（F-P）干涉，产生干涉的一束光从光纤端面反射，另一束光纤透过光纤端面，再从光纤端面下方的一个光学反射面反射进光纤。这两书光频率相等，只要光纤端面与光学反射面一定，两束光的相位差固定，方向相反，在光纤端面产生干涉。其干涉结构图如图3所示，在光纤端面附近同轴放置一个光学反射面，光学反射固定在压电陶瓷（PZT）上。

图3 光纤F-P干涉结构

为了演示利用光学干涉测量位移原理，本章利用压电陶瓷的压电特性来产生微位移;当PZT上加上一个正电压时，PZT伸长，光学反射面与光纤端面的距离变短，两干涉光束的光程差变小;当PZT上加上一个负电压时，PZT变短，光学反射面与光纤端面的距离变长，两干涉光束的光程差变大。这样，随着光程差的改变，干涉条纹成明暗交替变化。

设光纤端面与光学反射面直接的距离为L，两个端面保持平行，同时因光在两光学反射面的入射角θ很小，近似为零，则两束相干光的相位差为：

（1.11）

其中λ为入射光的波长，n为空气中的光学折射率，近似为n ≈ 1，则光纤端面上的干涉条纹强度经光电探测器转换，输出的电流强度为：

（1.12）

其中R1为光纤端面的反射率，R2为光学反射面的反射率。从式（1.11）、（1.12）中可以看出，当，即时，探測到的干涉电信号成最大值;当时，探测到的干涉电信号成最小值;当时，探测到干涉电信号为零。因此，随着光程差的改变，干涉电信号出现从最大值-零-最小值-最大值的周期变化，只要测出最大值的变化次数就可测出光学反射面的位移大小。为了提高光学反射面的光反射率，可在其反射面上镀一层膜。整个干涉测微位移实验演示结构如4所示：

图4 光学干涉测微位移演示结构

（二） 光纤法布里珀罗（F-P）干涉测量微应变

光纤F-P应变传感器的特点是采用单根光纤利用多光束干涉来检测应变。它避免了两根光纤配对的问题，比迈克尔逊干涉型应变传感器更适用于低频率应变信号的测量。因此，这种传感器从80年代诞生至今一直是主要的开发和研究的对象。F-P光纤应变传感器可分为内、外两种。图5、图6分别为内F-P应变传感器、外F-P应变传感器结构示意图。

当激光经过光纤的端面的时候会发生反射，如果在外界条件作用下，F-P传感器的传感腔将发生变化，那么从端面返回的光束就会产生一定的相位差，从而满足干涉条件，发生多光束干涉，那么从光探测器输出的光强也就会有一定的规律变化。因此这种光纤传感器非常适用于试件的疲劳度测量、悬臂梁的微应变测量以及布入复合材料本身形成内在的传感网络。

图内F-P应变传感器结构图

图6外F-P应变传感器结构图

从20世纪60年代至今已有五十余年，国内外对光纤传感的研究从未停息，本文对光纤传感系统、干涉型光纤传感系统的潜在研究，还没有向更深的方向深入研究，希望未来有机会可以进一步的研究干涉型光纤传感器，使其能有更高的精确度，能适应各种恶劣环境，让我国光纤传感技术更加接近世界水平，在我国乃至世界光纤传感方面迈出重要的一步。（作者单位：成都日有利盛体育文化传播有限公司）