物理光学大作业——基于光纤马赫-泽德干涉的测力方法设计.doc

物理光学大作业
题目基于光纤马赫-泽德干涉的
测力方法设计
班号*******
学号**********
学生姓名********

哈尔滨工业大学
摘要:设计了一种利用光纤马赫—泽德干涉的测力的方法。固定在弹性元件上的光纤随弹性元件的受力形变而发生形变,从而引起相位的变化。由相位的变化可以得出形变的大小,再根据胡克定律,可得弹性元件受力大小。
关键词:光纤马赫—泽德干涉;测力;胡克定律
1 引言
自1881年迈克尔逊发明迈克尔逊干涉仪以来,将光的干涉现象用于测量变得简单可行,此后又出现了萨格纳克干涉仪、马赫—泽德干涉仪、法布里—泊罗
干涉仪等一些干涉仪。这些干涉仪与1960年出现的激光结合能提供一种前所未有精确、快速、非接触的测量。
由于干涉光路的搭建非常困难,使得这些干涉仪在复杂的外界环境中的应用受限。光纤的出现改变了这一情况。使用光纤可以方便的改变光路,用光纤搭建上述干涉仪的干涉光路就可以构成相应的光纤干涉仪。
在光纤通讯中,光纤作为传输介质传输信息。在传输过程中,光纤易到外界因素的干扰,如温度,压力等,这些变化会导致光波参数(强度、相位、频率、偏振态等)发生变化。于是可以通过测量光波参数的变化,就可以知道外界物理参数的变化,由此就产生了光纤传感技术。
2 光纤传感器简介
光纤传感器以光学测量为基础,以光纤为传光或传感的媒体将被测量的变化转换成光波的变化。实际上,只要能使光波强度、频率、相位和偏振态四个参数之一随被测量变化,即使四量之一被待测量调制,再结合光探测器和解调器便可测出被测量。这便是光纤传感器的基本工作原理。
光纤传感器可分为光强调制,相位调制,偏振态调制和频率调制四种形式。其中常用的是光强调制和相位调制。
按光纤在传感器中所起的作用,光纤传感器又分为功能型(传感型)、非功能型(传光型) 和拾光型光纤传感器三类。功能型光纤传感器中的光纤不仅起着传输光波的作用,而且还作为敏感元件感受被测量的变化。由于它对光波实行了“调制”,所以它既传光,又传感。传光型光纤传感器的光纤仅用于传输光波,对光的调制用其他元件实现。拾光型光纤传感器是用光纤作为探头,接收有被测对象反射、散射或辐射的光,典型的例子是光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器。[1,2]
各种光纤传感器的类型及分类如表1所示。[1]
表1光纤传感器的类型及分类
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干
涉
型
相位调制光纤传感器
干涉(磁致伸缩)
干涉(电致伸缩)
萨格纳克效应
光弹效应
干涉
电流、磁场
电场、电压
角速度
振动、压力、加速度、位移
温度
SM、PM
SM、PM
SM、PM
SM、PM
SM、PM
a
a
a
a
a
非干涉型
强度调制光纤传感器
遮光板遮挡光路
半导体透射率的变化
荧光辐射、黑体辐射
光纤微弯损耗
振动膜后液晶的反射
气体分子的吸收
光纤泄露膜
温度、振动、压力、加速度、位移
温度
温度
振动、压力、加速度、位移
振动、压力、位移
气体浓度
液位
MM
MM
MM
SM
MM
MM
MM
b
b
b
b
b
b
b
偏振调制光纤传感器
法拉第效应
泡尔效应
双折射变化
光弹效应
电场、磁场
电场、电压
温度
振动、压力、加速度、位移
SM
MM
SM
MM
b,a
b
b
b
频率调制光纤传感器
多普勒效应
受激喇曼散射
光致发光
速度、流速、振动、加速度
气体浓度
温度
MM
MM
MM
c
b
b
注:MM—多模光纤;SM—单模光纤;PM—偏振保持光纤。a—功能型光纤传感器;b—非功能型光纤传感器;c—拾光型光纤传感器。
光纤传感器与传统传感器相比有着一系列优点:
1)高灵敏度。例如马赫—,若光源的波长为1μm,相当于10-11m光程差。
2)抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统不传送电信号,因此,光信号在传输中不会与电磁波发生作用,也不受任何电噪声的影响,在电力系统的检测中得到了广泛应用。
3)结构简单、体积小、质量轻、耗能小。
4)电绝缘性和化学稳定性。光纤是化学性能稳定的高绝缘物质,且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。
5)良好的安全性。光纤传感器的敏感元件是电无源的,故在生物体内测量时,不存在漏电和电击的危险。[2]
3 普通光纤干涉仪结构与原理简介
光纤迈克尔逊干涉仪结构与原理
光纤迈克尔逊干涉仪的结构与原理如图1所示,光源发出的光经过透镜会聚,入射到光纤耦合器DC,将光分成两路,一路作为参考光,入射到反射镜