光纖干涉測量技術應用及發展趨勢

姚 堯，王志鵬，田郁郁，程 鵬，鞏 瑩

（1 天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

（2 國網天津市電力公司培訓中心，天津 300170）

1 引言

光纖干涉測量，基于相位調制的原理，利用待測體敏感單元的作用，使在其中傳播光路的相位發生變化，兩光線發生干涉作用，檢測干涉條紋的變化來計算相位變化量，進而得到被測對象的信息[1]。

2 光纖干涉傳感器測量應用領域

光纖干涉傳感器測量已經應用到溫度、壓力、磁場、位移、速度等物理量的測量，文中將圍繞其中幾方面重點闡述光纖干涉技術的應用及未來的發展方向。

2.1 溫度測量

光纖干涉溫度傳感器利用溫度變化來改變干涉儀的干涉條紋[2]，如M-Z干涉儀、F-P干涉儀、薩格納克效應干涉儀等。

由于溫度變化會引起相位變化。假設折射率在環境溫度場中保持恒定，由于泊松效應引起的光纖直徑變化而產生的波導傳播常數變化忽略不計[3]，那么光纖中的相位變化隨溫度變化為：。

2.2 壓力測量

光纖技術應用于壓力測量的光纖應變傳感器，以光信號為傳播載體，常用的壓力測量方法主要基于光彈效應、微彎效應、F-P干涉腔等等[4]。

圖1 傳統F-P干涉儀結構簡圖

F-P干涉儀結構簡單，靈敏度高，圖1顯示為結構簡圖。入射光纖與反射光纖兩端面M1、M2鍍膜包覆于石英毛細管中，通過熔接形成F-P干涉腔。光線從入射光纖左側進入，通過端面M1后一部分反射形成一束干涉光。另一部分光線繼續傳播至端面M2后反射形成另一束干涉光，此光線再透過端面M1繼續傳播進入入射光纖，與第一束光發生干涉作用。當有外界壓力作用于光纖，F-P干涉腔的長度產生隨即改變。

若單一波長的入射光經過F-P腔后返回至入射光纖的干涉光強為：。

2.3 磁場測量

光纖光柵磁場傳感器，利用法拉第磁光效應原理，使光學性質發生變化。恒定或低頻外磁場會破壞晶體的對稱性，在光波的傳播方向上施加某磁場，其偏振面隨光振動方向發生偏轉，并滿足公式：。

2.4 位移測量

一束激光A通過擴束鏡B，經兩此D、E兩反射面反射后匯合產生干涉條紋，如圖2所示，反射鏡D固定，反射鏡E可在光線傳播方向上移動，移動后的反射鏡E′與E間的間距為L，F為干涉條紋分布場，物體位移量可由公式計算[9]。其中，為變化的干涉條紋個數，為介質折射率，此方法可以在光波波長數量級范圍內測量微小角度或位移變化。

圖2 干涉型光纖位移測量原理圖

3 典型實例

3.1 光纖傳感器在溫度測量領域的應用

以目前廣泛使用的Mach-Zehnder光纖溫度傳感器為例，如圖3所示。

圖3 Mach-Zehnder光纖溫度傳感器結構示意圖

Mzch-Zehnder光纖由一束激光器發出一束激光，前置一擴束器，經擴束器的光纖再經分束器分別經顯微物鏡聚焦，進入兩根相同長度的單模光纖，最終兩束單模光纖在匯聚處發生干涉作用，通過由光電轉換、差分放大器、低通濾波器所組成的光電探測系統識別。這兩束光纖其中一根放置于恒溫器中，其光程不產生變化，另一束光纖置于待測溫度場中，其長度和折射率均隨溫度場的溫度變化而改變，兩光纖中傳輸光的相位差發生改變，干涉條紋發生移動，光電探測系統識別到的光強周期性變動，進而識別到溫度場的溫度變化。

3.2 光纖傳感器在壓力測量領域的應用

將光纖光柵壓力傳感片的光柵平行或垂直貼在應變體上進行壓力測量，當光纖光柵受到由壓力變化而產生的擠壓時，光纖干涉引起光線的布拉格中心波長變化，通過對中心波長的調制解調得到壓力變化[10]。測量原理圖如圖4所示。

圖4 光纖壓力測量應用原理圖

除了直接將傳感片貼在應變體上以外，北京航空航天大學高分子及復合材料系教授張博明還研究了一種符合材料結構應用于動態壓力測量系統，此方法應用于汽車稱重系統，實驗結果表明，運動中的汽車速度達50km/h時，質量為2810.3kg的汽車在行駛中的壓力測量誤差約為0.56%；速度達60km/h時，質量為2548.6kg的汽車在行駛中的壓力測量誤差約為8.81%[11]。高德文等人研究了光纖光柵徑向壓力作用下的稱重系統，實驗證明光纖光柵在徑向壓力作用下產生雙折射效應[12]，當光纖光柵軸向壓力為零時，布拉格中心波長移動是有效折射率的單函數，其波長移動量變化與徑向載荷具有線性關系，測量波長變化可檢測壓力。

4 光纖干涉傳感器未來發展方向

4.1 滿足干涉條件的光源需要有一定的穩定度

若光波頻率不穩定，則會產生很大的噪聲，隨光波頻率的減小，此噪聲會相對增大，隨干涉儀光程差的增大而增加，由此會產生無法區別于被測信號的干擾信號。為滿足相干長度，激光光源的線寬必須很窄。光線返回光源輸入端會使輸出光頻率不穩定，線寬加寬，產生過大的噪聲。使用中通常在耦合器至激光器之間加入光隔離器，隔離光線對激光器光源的影響[13]。

4.2 相位衰落現象需要迫切解決

當外界擾動時，光纖干涉傳感器輸出相位調制信號，檢測該信號的變化，即可測得被測信號。光纖干涉傳感器獲得的轉換信號與被測信號成非線性關系，容易被機械擾動、溫度漂移因素影響，出現相位衰落現象使得傳感器輸出信號夾雜更多噪聲。因此近年來也相繼產生了多種抗相位衰落的信號檢測方法，如PGC調制解調、相位跟蹤檢測、差分延遲外差(DDH)、合成外差(SHET)、光程補償外差(OPCH)等等。

4.3 傳統的信號檢測方法需要突破

干涉型光纖傳感器的原理就是將微弱的光信號轉化成正更容易檢測的電信號。由于從輸入信號、光電轉換、傳輸過程中每一步都會產生干擾而導致各種隨機相移，通過放大增益將噪聲信號放大，噪聲信號比被測信號產生的相位調制信號大很多，這就要求改進傳統光信號檢測方法，避免在噪聲信號中提取微弱光信號的過程。

4.4 多路復用技術

在現實檢測環境中，單一的傳感器很難獲得待測信號很全面的信息，必要時需要結合多種復用技術[14]構成二維傳感器。通過對光源、光纖、傳輸系統、光電轉換系統等的復用，用盡量少的組件構成低成本的二維傳感器是今后光纖干涉傳感器極具前景的發展趨勢。

5 結語

文中通過解析光纖干涉傳感器的原理，結合實例介紹現代光纖干涉測量技術的應用，雖然光纖干涉測量技術種類繁多，應用領域眾多，但是它作為一種新型的科技手段，也存在很多待解決的問題，如光源穩定度引起的噪聲、相位衰落、傳統信號檢測方法的瓶頸、多路復用技術難以結合等。隨著光纖干涉技術的不斷成熟，它將更廣泛地應用于科研、軍事等。