基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器研究

　　一、引言

　　光纤传感技术是 20 世纪 70 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外界被测量信号的新型传感技术，是许多经济、军事强国争相研究的 高新技术，可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域，在航天(飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声纳)、石油开采(液面高 度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输(高压输电网的电流测量、电压测量)、核工业(放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测)、医疗(血液流 速测量、血压及心音测量)、科学研究等众多领域都得到了广泛的应用。

　　1883 年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作发明迈克尔逊干涉仪使得测量微小位移量和微振动变得简单。而由于光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、体积 小、重量轻、可绕性好等特点，人们将两者的优点结合在一起出现了光纤迈克尔逊干涉仪。 光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点，可以检测温度、压力、角位移、电压、电流、声音和磁场等多 种物理量[1]。 再者，迈克尔逊干涉仪因具有结构简单、条纹对比度好、信噪比高、条纹的计数和被测位移的计算关系简单等优点而受到广泛的研究和应用。

　　二、光纤迈克尔逊干涉仪系统原理

　　光纤迈克尔逊干涉仪的基本工作原理如图1所示[2]。He- Ne 激光通过耦合透镜进入单模光纤后被光纤耦合器分成强度相等的两束，分别进入参考臂和传感臂中传播。两干涉臂中传播的光线经各自光纤端面的反射镜M1、M2 反射重新返回光纤中，当干涉仪两个臂间的光程差小于光源的相干长度时，两束光在光纤耦合器的另一输出端将发生干涉。输出的干涉信号进入光电探测器D。这样 光电探测器D就给出了干涉强度和两束光光程差之间的函数关系，这就是干涉图。图2为光纤迈克尔逊干涉相位差与光强的关系图。

　　图1中，I₁、I₂为光纤出射端面反射的光强，I_1r、I_2r为试件界面反射进入光纤的光强。 图1中所示的4 束反射光到达光探测器产生干涉，其输出光强Iout可表示为[3]：

　　式中，I₁、I₂—光纤出射端面反射的光强;I_1r、I_2r—试件界面反射进入光纤的光强;I₁₂，I_11r，I_12r，I_21r，I_22r，I_1r2r—两束入射光和两束反射光干涉的光强。

　　用φ1和φ2分别表示干涉仪两臂的光纤端面反射光I1和I2到达探测器的位相，而分别用φ1r和φ2r表示试件表面反射体和有声绝缘体的反射体的反射并进入光纤中的光I1r和I2r到达探测器的位相。