马赫-泽德光纤干涉仪的类别、特性及应用

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    自1977年美国海军研究所(NRL)开始研究光纤传感系统(FOSS)以来,光纤传感器的品种已有近百种在世界很多国家的实验室里出现,而且有相当数量的光纤传感器正在研制当中。近年来,光纤传感器作为一种新兴的应用技术,在许多领域都已显示出强大的生命力,并得到大力发展。

    光纤传感器从传感机理上来说,可分为振幅型(也叫强度型)和相位型(也叫干涉仪型)两种。

    相位型光纤传感器的原理是在一段单模光纤中传输的相干光,由于待测物理场的作用,产生相位调制。理论上,相位型传感器的灵敏度要比现有的传感器高出几个数量级,并可通过改变光纤上的涂层来改变其传感的物理量。这样使用共同的光源和检测技术就能研制成传感不同物理量的具有极高灵敏度的传感器。

    马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪就是相位型光纤传感器中的一种,与其他相关传感器相比,具有灵敏度很高,体积小,能耗少,重量轻,不受电磁影响,耐腐蚀,易于实现系统的遥控和控制等特点。

    1　马赫-泽德光纤仪的类别、结构及特性

    马赫-泽德光纤干涉仪按其测量的不同物理量分为3类:马赫-泽德光纤温度传感器,马赫-泽德光纤压力传感器和马赫-泽德光纤加速度传感器。

    1·1　马赫-泽德光纤温度传感器

    马赫-泽德光纤温度传感器结构如图1所示,包括激光器、扩束器、分束器、两个显微镜、两根单模光纤(其中一根为测量臂,一根为参考臂)、光探测器等。

    马赫-泽德光纤温度传感器工作时,激光器发出的激光束经分束器分别送入长度基本相同的测量光纤和参考光纤,将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉,从而出现了干涉条纹。当测量臂光纤受到温度场的影响时,光相位发生变化,从而引起干涉条纹的移动。干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。光探测器接收到干涉条纹的变化信息,并输入到适当的数据处理系统,最后得到测量结果。

    光纤的温度灵敏度以及相位移由式(1)给出: 

    式中,φ为相位移;Δφ为相位移变化;ΔT为温度变化; n为光纤的折射率;εl为光纤的纵向应变;εr为光纤的径向应变; p11、p12为光纤的光弹系数 

    式中,φ为干涉仪两个光纤臂的相位移; n为光纤折射率。

    式(1)中等号右侧第一项代表温度变化引起光纤光学性质变化而产生的相位响应;第二项代表温度变化使光纤几何尺寸变化引起的相位响应。当干涉仪用的单模光纤的规格和长度已知时,光纤的温度灵敏度等有关参数就是确定值。表1给出一种典型的单模光纤的各个特性参数值。根据表内数据,可以计算出光纤的温度灵敏度以及有关各项。