趙閏添

20世紀(jì)60年代，利用光的各種屬性（干涉、衍射、偏振、反射、吸收和發(fā)光等）的光檢測技術(shù)通過激光作為非接觸、高速度、高精確度的檢測手段獲得了飛速發(fā)展。20世紀(jì)90年代后期，光子產(chǎn)業(yè)通過光通信技術(shù)取得了巨大的成功，光纖傳感器呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在國際上形成了五大應(yīng)用領(lǐng)域，即醫(yī)學(xué)和生物、電力工業(yè)、化學(xué)和環(huán)境、軍事和智能結(jié)構(gòu)。

隨著國家對環(huán)境和工程監(jiān)制的重視加強(qiáng)，各種新型傳感器成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。光纖傳感器因其具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，易于遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為當(dāng)今學(xué)術(shù)與工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

一、光電檢測電路應(yīng)用于干涉儀的應(yīng)用

（一）光電檢測電路

光檢測電路包括以下幾個(gè)部分：半導(dǎo)體發(fā)光器、光學(xué)系統(tǒng)器件、光信號的匹配器、光電轉(zhuǎn)換器、電信號的放大與處理器、微機(jī)及控制系統(tǒng)。

（二）光電檢測器

光電檢測器采用光子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光輻射量與測量物理量之間的轉(zhuǎn)換，其中外光電效應(yīng)是一種光子效應(yīng)，逸出電子動能的計(jì)算公式為：

（1.1）

式中，v表示逸出的速度;m表示電子質(zhì)量。

光子的頻率和波長的計(jì)算公式分別為：

（1.2）

（1.3）

光電探測器包括光電池和光電二極管兩種類型，在光照條件下，光電二極管和光電池均可以產(chǎn)生光生電勢，由光電二極管作為光電探測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電二極管的結(jié)構(gòu)

（三） 光電檢測電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)光電二極管特性，同時(shí)考慮與反饋電阻相并聯(lián)的電容極小的問題，光電二極管的輸出電壓為：

（1.4）

式中，E表示光照強(qiáng)度;表示反饋電阻;S表示光電靈敏度。

選擇用同軸探測器設(shè)計(jì)光電檢測電路，反饋電阻為：

（1.5）

那么高頻介質(zhì)頻率為：

（1.6）

為了使光纖干涉儀性能優(yōu)異，提高測量精度，所以構(gòu)建出光電檢測電路的光纖干涉儀。光電檢測電路的工作原理就是光電轉(zhuǎn)換電路，基于其中的探測器、噪聲等因素的分析，以及其工作模式的對比，從理論上可以得出電路在光纖干涉儀中的應(yīng)用效果良好。

二、 光纖邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用

（一） 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邁克爾遜干涉儀應(yīng)用于教學(xué)

傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀在演示雙光束的干涉時(shí)，能夠較清晰地看出干涉條紋，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面演示雙光束的干涉，特別是與PC機(jī)相連后，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個(gè)過程，因?yàn)樵趫D2中步進(jìn)電機(jī)的移動引起的相位變化為

（1.7）

式中l(wèi)s信號臂光纖的長度， lr為參考臂光纖的長度，兩束光干涉光強(qiáng)為

（1.8）

這能夠從理論、實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行解釋雙光束干涉的實(shí)質(zhì)。

圖2? ? 邁克爾干涉儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）測量微位移

把信號臂一側(cè)的反射端面貼在待測量對象（比如置于空氣中）上 ， 信號臂光纖端面與反射端面距離為，式（1.4）變形為

（1.9）

當(dāng)反射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時(shí)，使發(fā)生變化 ，即式（1.9）中的變化，進(jìn)而使得式（1.8）的干涉光的光強(qiáng)I變化 ，以此來達(dá)到測量微位移的目的。采用光的干涉法測量微位移是目前精度最高且實(shí)用的方法。

利用邁克爾遜測量微位移系統(tǒng)，可以很好的應(yīng)用于機(jī)械、儀表、工具、兵器、宇航等產(chǎn)業(yè)，也是上述產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品及技術(shù)不斷進(jìn)步的制約因素，特別是在軍事領(lǐng)域，高精度的微位移測量有著重要的意義。

（三）測量折射率

把信號臂一側(cè)的反射端面固定，信號臂光纖端面與反射端面距離為待測物體長、折射率為，待測物體置于信號臂光纖端面與反射端面之間后，式（1.6）變形為

（1.10）

待測物體長可以測量出來，在式（1.10）中待測物體折射率改變了干涉光的光強(qiáng)，由光強(qiáng)的變化測量物體的折射率。

邁克爾遜干涉儀通過這種方法來測量液體、空氣及玻璃等各種介質(zhì)的折射率，可以很好的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究、石油化工等領(lǐng)域，在我國研究測量等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。

（四）邁克爾遜干涉儀的其他應(yīng)用

雖然邁克爾遜干涉儀在各方面應(yīng)用甚廣，但它的最著名應(yīng)用即是它在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中對以太風(fēng)觀測中所得到的零結(jié)果，這朵十九世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)天空中的烏云為狹義相對論的基本假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。除此之外，邁克爾遜干涉儀還可以測量磁場的強(qiáng)弱、壓力等。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測中邁克爾遜干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

三、 馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀的應(yīng)用

（一）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀用于教學(xué)

傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉儀在演示雙光束的干涉時(shí) ，能夠較清晰地看出干涉條紋 ，但動態(tài)演示干涉過程效果不理想。而光纖Mach-Zehnder干涉儀系統(tǒng)能從電信號和光信號兩方面都能演示雙光束的干涉，把PD1、PD2與PC機(jī)均相連，能夠動態(tài)地演示雙光束干涉的整個(gè)過程，這能夠把理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合來解釋雙光束干涉的實(shí)質(zhì)。

（二）測量微應(yīng)變、應(yīng)力和測量磁場的強(qiáng)弱

把傳感臂緊貼在被測量對象表面， 當(dāng)應(yīng)變波作用在信號臂上時(shí)， 使得光纖發(fā)生微小形變進(jìn)而改變信號臂光纖的折射率 ，光纖的折射率n的變化使相位差Δφ變化，進(jìn)而使得干涉光的光強(qiáng)I 變化，以此來達(dá)到測量微應(yīng)變、應(yīng)力的目的。并且，根據(jù)干涉光光強(qiáng)I與信號項(xiàng)呈線性關(guān)系，這對于工程應(yīng)用是相當(dāng)有用的。把傳感臂涂上一層磁敏材料置于待測量磁場中，當(dāng)磁場作用在磁敏材料上時(shí)，使得光纖發(fā)生收縮進(jìn)而改變信號臂光纖的折射率 n 和長度，這樣使得相位差Δφ變化，進(jìn)而使得干涉光的光強(qiáng)I變化， I與磁場近似線性關(guān)系，以此來測得磁場的強(qiáng)弱精度較高。

四、光纖法布里珀羅（F-P）干涉儀的應(yīng)用

（一）光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微位移

根據(jù)等厚干涉的原理，設(shè)計(jì)了只有一種厚度的干涉結(jié)構(gòu)，即光纖法布里珀羅（F-P）干涉，產(chǎn)生干涉的一束光從光纖端面反射，另一束光纖透過光纖端面，再從光纖端面下方的一個(gè)光學(xué)反射面反射進(jìn)光纖。這兩書光頻率相等，只要光纖端面與光學(xué)反射面一定，兩束光的相位差固定，方向相反，在光纖端面產(chǎn)生干涉。其干涉結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在光纖端面附近同軸放置一個(gè)光學(xué)反射面，光學(xué)反射固定在壓電陶瓷（PZT）上。

圖3 光纖F-P干涉結(jié)構(gòu)

為了演示利用光學(xué)干涉測量位移原理，本章利用壓電陶瓷的壓電特性來產(chǎn)生微位移;當(dāng)PZT上加上一個(gè)正電壓時(shí)，PZT伸長，光學(xué)反射面與光纖端面的距離變短，兩干涉光束的光程差變小;當(dāng)PZT上加上一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，PZT變短，光學(xué)反射面與光纖端面的距離變長，兩干涉光束的光程差變大。這樣，隨著光程差的改變，干涉條紋成明暗交替變化。

設(shè)光纖端面與光學(xué)反射面直接的距離為L，兩個(gè)端面保持平行，同時(shí)因光在兩光學(xué)反射面的入射角θ很小，近似為零，則兩束相干光的相位差為：

（1.11）

其中λ為入射光的波長，n為空氣中的光學(xué)折射率，近似為n ≈ 1，則光纖端面上的干涉條紋強(qiáng)度經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換，輸出的電流強(qiáng)度為：

（1.12）

其中R1為光纖端面的反射率，R2為光學(xué)反射面的反射率。從式（1.11）、（1.12）中可以看出，當(dāng)，即時(shí)，探測到的干涉電信號成最大值;當(dāng)時(shí)，探測到的干涉電信號成最小值;當(dāng)時(shí)，探測到干涉電信號為零。因此，隨著光程差的改變，干涉電信號出現(xiàn)從最大值-零-最小值-最大值的周期變化，只要測出最大值的變化次數(shù)就可測出光學(xué)反射面的位移大小。為了提高光學(xué)反射面的光反射率，可在其反射面上鍍一層膜。整個(gè)干涉測微位移實(shí)驗(yàn)演示結(jié)構(gòu)如4所示：

圖4 光學(xué)干涉測微位移演示結(jié)構(gòu)

（二） 光纖法布里珀羅（F-P）干涉測量微應(yīng)變

光纖F-P應(yīng)變傳感器的特點(diǎn)是采用單根光纖利用多光束干涉來檢測應(yīng)變。它避免了兩根光纖配對的問題，比邁克爾遜干涉型應(yīng)變傳感器更適用于低頻率應(yīng)變信號的測量。因此，這種傳感器從80年代誕生至今一直是主要的開發(fā)和研究的對象。F-P光纖應(yīng)變傳感器可分為內(nèi)、外兩種。圖5、圖6分別為內(nèi)F-P應(yīng)變傳感器、外F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

當(dāng)激光經(jīng)過光纖的端面的時(shí)候會發(fā)生反射，如果在外界條件作用下，F(xiàn)-P傳感器的傳感腔將發(fā)生變化，那么從端面返回的光束就會產(chǎn)生一定的相位差，從而滿足干涉條件，發(fā)生多光束干涉，那么從光探測器輸出的光強(qiáng)也就會有一定的規(guī)律變化。因此這種光纖傳感器非常適用于試件的疲勞度測量、懸臂梁的微應(yīng)變測量以及布入復(fù)合材料本身形成內(nèi)在的傳感網(wǎng)絡(luò)。

圖內(nèi)F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖6外F-P應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖

從20世紀(jì)60年代至今已有五十余年，國內(nèi)外對光纖傳感的研究從未停息，本文對光纖傳感系統(tǒng)、干涉型光纖傳感系統(tǒng)的潛在研究，還沒有向更深的方向深入研究，希望未來有機(jī)會可以進(jìn)一步的研究干涉型光纖傳感器，使其能有更高的精確度，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，讓我國光纖傳感技術(shù)更加接近世界水平，在我國乃至世界光纖傳感方面邁出重要的一步。（作者單位：成都日有利盛體育文化傳播有限公司）