振动光纤传感器的研究.doc

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1、基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究光纤传感器技术是随着光纤的发展和光纤通信的出现而慢慢形成的一门新兴技术。它是以光作为载体，并且以光作为传输介质，对被测参数实现传感。由于它是一种光学的传感器，在传感方式传感原理、信号探测、信号传输方法和信号处理等方面都与传统的电子传感器完全不同，因此出现了很多种不同种类的光纤传感技术，引起了全世界的广泛的关注和研究。光纤传感技术和传统的电子传感器相比，有以下主要特点：抗电磁干扰；不产生电磁干扰；灵敏度更高；可以在很多危险和强电磁场干扰的场合使用：传输和传感集为一体；能够容易实现传感器的分布式测量等。传统传感器在应用中的诸多限制正是

2、由于光纤的这些独特优点的存在得到了弥补。满足了现代测量技术的需要，也极大的促进了传感技术的发展。与此同时，光纤传感器在国防工业和军事领域也有重要的应用价值，光纤传感技术在现代的先进的设备中无处不在。光纤传感技术的发展和应用主要分为四个大的阶段：上世纪八十年代以前，强度调制型光纤传感器的研究占主要地位；八十年代以后，干涉型光纤传感技术开始了大规模的研究；进入九十年代后光纤光栅被发明，因此出现了大批基于光纤光栅的传感技术。进入新世纪后，各种各样的新型的光纤技术都逐步的完善，光纤传感技术从此步入商业化的进程，进入了实用阶段。目前，一方面，多种多样的新器件的出现推动了这一技

3、术的进步；另一方面，新的需求也牵引着光纤传感技术向前发展。十九世纪初，用干涉实验证明了光具有波动这一特性，也就是著名的杨氏干涉实验。从此以后，人们开始对各种干涉测量技术的研究，并且逐步形成了高灵敏度的测量方法。激光的出现，高强度的相干光源也能很容易的得到，因此这－Ｎ量技术得到了快速的发展和应用。光纤的出现，使干涉仪中的光不必在空间中传播，可以在弯曲的损耗很低的波导中进行传播。全光纤系统可以使干涉仪变得更加可靠稳定，也更加紧凑，省去了麻烦的调节过程，也很大程度的降低了外界干扰形成的噪声，测量的灵敏度因此得到了大幅度的提高。干涉型光纤传基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研

4、究感器就在这样的背景下出现了。干涉型光纤传感器的基本原理是：通过被测物理参数的作用，使得光纤内传输的光的相位发生了变化，再用干涉测量的技术把光的相位的变化转换成光强的变化，从而检测出被测物理量。１．２光纤法布里．珀罗（Ｆ—Ｐ）传感器概述多光束干涉是指相互平行，而且任意两束光之间的光程差（相位差）都相同的一组同频率光束的相干叠加。很多光学现象，如布拉格衍射、薄膜干涉、牛顿环、以及干涉滤波片等，都是属于多光束干涉产生的。法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）干涉仪也称为Ｆ．Ｐ标准具，是一种典型的多光束干涉仪，它利用两个反射镜的很多次来回反射而设计制作的。当光的传输路径是光纤时，在光纤内

5、部形成两个反射面。这样光就会在这两个反射面分别发生反射的现象。因此会形成后向传输的光，这两束光因为光程差的原因，就会产生干涉现象。因此，这两个反射面的距离变化就决定了反射光干涉的光谱的变化。我们可以通过对反射光的干涉谱进行检测，并且找到合适的解调方法，可以推导出两个反射面距离的变化。进而推导出影响距离变化的物理量。２．由于被测物理量对两个反射面距离的变化非常敏感，且光纤结构简单、小巧，并且能抗电磁干扰，检测灵敏度高，响应速度快，稳定性，体积好等优点，所以可以用作小型化的实时的温度，压力等物理量的传感。光纤法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）传感器的技术核心是基于Ｆ－Ｐ干涉仪原理的

6、干涉腔来精确检测各种物理量。Ｆ．Ｐ干涉仪主要分为两个主要类型：本征型光纤Ｆ－Ｐ干涉仪（ＩＦＰＩ）和非本征型Ｆ—Ｐ干涉仪（ＥＦＰＩ）。美国弗吉尼亚大学王安波所领导的小组研制出了很多种光纤Ｆ－Ｐ传感探头结构，并且通过多种解调机理对一系列物理量进行测量【２．８】。在许多工业领域的物理测量中取得了重大突破。ＭｏｒｉｎＡ所在的科研小组【９ｊ利用多个光纤Ｆ．Ｐ传感器探测头形成一系列的阵列，用于分布式检测应变。研制出一种基于白光Ｆ．Ｐ干涉效应的光纤传感器用于监测桥梁结构中的压力、应变、结构损伤情况、结构振动、裂缝的产生等内部的状态，并取得良好的测试结果。并且用于我国的三峡工程、广

7、西百色工程等一系列的大型土木工程的安全监测工程。第一章绪论１．３非本征Ｆ．Ｐ光纤传感器的应用背景两个相互平行的光学平面就构成了一个Ｆ．Ｐ腔。如果这两个平面都是光纤的端面，或者其中一个是光纤端面就构成了光纤Ｆ．Ｐ腔。１．如果作为传感器使用的话，在光纤的端面镀膜制作成的Ｆ．Ｐ干涉仪的成本就会相对较高。所以另外一种形成Ｆ．Ｐ干涉腔技术就是将光纤的一个端面进行切割，这样就可以利用切割后的光纤端面和空气之间大约有４％的菲涅尔反射。这样在两根光纤端面之间，或者一根光纤端面和另外一个反射面之间形成Ｆ—Ｐ腔，从而形成了这样一种低反射率的外腔式的光纤Ｆ—Ｐ干涉仪（ｅｘｔｒｉｎｓｉ