光纤传感实验南开大学光学实验

南开大学本科光学实验五课件

实验3——基于M-Z光纤干涉仪结构的光纤传感实验

光纤传感技术的发展是伴随着光纤技术及其制作技术的发展而发展的，光纤传感是以光纤作为信息传输媒质，光作为信息载体。自20世纪60年代高锟博士在详细地研究了造成玻璃中损耗的主要原因后，提出了基于光学全反射原理的光导纤维的全新概念，认为通过制造工艺的改进，完全有可能制作出低损耗的光纤。1970年，美国Corning公司首次研制出损耗为20dB/km的石英光纤，这一技术上的突破，不仅为光电子信息技术的蓬勃发展奠定了基础，而且为光纤激光器、光纤传感等应用特种光纤的开发提供了先进的技术基础。光纤传感技术也随着光纤制作技术的发展蓬蓬勃勃地发展起来，人们利用光纤进行传感技术的研究不断深入，进行了大量的工作。由于光纤的物理、化学、机械性能优良，具有良好的抗电磁干扰和高电磁绝缘性能，并且十分安全，因此光纤传感器在诸如工农业生产、科学实验室研究、军事、空间技术等领域获得大量应用。

一、实验原理

光纤传感可分为传导型和功能型两大类，传导型是将光纤作为传导介质，主要是利用光纤传光的优异特性；功能型则是利用光纤对外界温度、应变等物理量的变化对光纤传光特性的影响进行传感的。传感光纤中光波的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、光纤波导横向尺寸所决定。当应力、应变、温度等外界场对光纤作用时，可直接改变光纤中的上述三个波导参量，其中的纵向效应使光纤的长度L变化 L，横向泊松效应使光纤的芯径进而导致传播常数β变化 β，弹光效应或热光效应使光纤的纤芯折射率n变2a变化 a，

化 n，这些参数的变化将引起光纤中光波相位的变化。

设光纤长度为L，相位延迟为

（1） Φ=βL

式中

β=nk0是光波在光纤中的传播常数，n为光纤纤芯的折射率，k0=2πλ0是光

λ0为光在真空中的波长。

在真空中的波数，

对（1）式求微分，得

β β

dΦ=d(βL)=βdL+L da （2） dn+L

a n

式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差，第二项表示传感光纤折射率变化引起的相位差，第三项表示传感光纤芯径变化引起的相位差。由于第三项的值相对很小，所以一般忽略不计。因此（2）式可以近似为

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