基于Sagnac干涉仪光纤传感器干扰检测定位技术研究_图文

1、北京交通大学硕士学位论文基于Sagnac干涉仪光纤传感器干扰检测定位技术研究姓名：贾俊申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：娄淑琴;刘艳20080501中文摘要摘要：干涉型光纤传感器是光纤传感器中光相位调制型传感器，多用于物理旋转状态的测量，也用于时变信号的测量。基于干涉仪设计的光纤陀螺仪已被广泛应用于军事及商业上。基于干涉仪的光纤传感器在长距离、小泄露管道检测定位上有其明显的优势，同时也可应用在光纤围栏报警系统中，具有简单高效、安装便捷、维护简单、成本较低等优点。本文在介绍了光纤传感器理论及技术和数据采集系统知识的基础上，主要针对干涉仪原理以及干涉仪单点定位原理及实验进行研究，得到

2、了一些有效的信号分析处理方法。获得的主要研究成果有：（）研究了干涉原理，推导出了光在折射率为的光路中传播时，萨格纳克效应产生的相位差与旋转角速度间关系。（）研究了基于虚拟仪器和总线的数据采集系统。掌握了数据采集卡的使用方法，并利用语言进行了数据采集程序的编写。（）进行了干涉仪单点干扰实验研究，采集实验中的传感信号，并对所采集信号进行分析、处理，研究了其定位实现原理，并对定位误差进行分析。介绍了基于干涉仪的传感系统在光纤围栏报警中的应用以及管道泄漏检测定位中的应用，对其存在的问题进行了分析及探讨。（）研究了干涉仪单点干扰实验数据的频谱处理方法。利用小波分析法获取频谱的近似部分，以获得零频点分辨率

3、较好的频谱。（）研究了从干涉仪单点干扰实验数据中获取零频值的方法。提出了一种获取零频值的新方法，并进行编程实现，实现了干扰源定位的信号分析处理的关键步骤，该方法可推广到较广的应用范围。关键词：光纤传感系统；干涉仪；：检测定位分类号：，：（），（）（），（）（），：；，；：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：贾

4、嫠签字日期：么裾年歹月）日导师躲氢子签字日期：跏年肖独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：赁侵签字日期：洳年多月，？致谢本论文的工作是在我的导师娄淑琴教授和刘艳老师的悉心指导下完成的，娄淑琴教授和刘艳老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年年来娄淑琴教授和刘艳老师对我的关心

5、和指导。娄淑琴教授和刘艳老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向娄淑琴教授和刘艳老师表示衷心的谢意。另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。课题的目的和意义绪论传感器技术是现代信息技术的重要组成部分，是代表国家科技竞争力的核心技术之一。光纤传感技术【】【】是现代传感器技术的一个重要分支，是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号（即被测量）的新型传感技术。干涉型光纤传感器属于光纤传感器中的光相位调制型传感器，多用于物理

6、旋转状态的测量，也用于时变信号的测量，例如具有连续且较为平坦的宽频声音信号。基于干涉仪设计的光纤陀螺仪和水听器已经成为商用应用最为成功的干涉型传感器件，并被分别用于角速度和超声波的测量中，广泛应用于军事武器以及航天器的制导上【】【】。干涉型传感器中，干涉仪的设计是传感器中重要的组成部分。而在各类光纤干涉仪中，光纤马赫一泽德（，简称）干涉仪和光纤迈克尔逊干涉仪一般被设计为两臂具有相同的路径，用以消除对干涉仪影响较为明显的光源的噪声。与干涉仪相比，干涉仪有其自身的优点：、干涉仪具有互易性特点，使其能够清除在等干涉仪中由于环境温度所造成的不稳定因素的影响。因而当光纤干涉型传感器被设计用于对外界振动源

7、的测量时，能克服的不稳定性。、干涉仪为零光程差，因此不存在两传感臂长度不一致引起的噪音，且对光源要求低，可使用高功率的宽带光源，更适合长距离管道检测【】。根据干涉原理，两束光相位差的大小与扰动点位置、扰动噪声引起的光波相位变化速率成正比，可设计光纤围栏报警系统，以光纤本身作为传感器件，整根光纤都是探测器件，利用接收到的信号变化的不稳定性，判断围栏是否受到外界入侵，当传感系统附近有泄漏声、冲击声和爆炸声等信号为连续且较平坦的宽频信号干扰源时，通过对于扰信号的分析，干涉型传感器还可用于实现干扰源的定位。在实际应用中，基于干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏检测技术可实现长距离、小泄漏管道检测。由于光纤传

8、感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、耐高温等特点，因此在易燃、易爆的环境下比电子传感器更具有潜在的优势。基于干涉仪设计的光纤传感系统在石油、化工、电力、通信等领域内有着广泛的应用前景【】，因此，深入研究干涉型光纤传感器具有非常重要的意义。国内外研究现状光纤干涉型传感器在各种光纤传感器中以其简单的结构和较高的灵敏度在实验研究、实际应用中得到了广泛研究与应用。在光学测量领域，干涉测量技术是物理量检测中较为精确的技术之一。常见的有利用光弹性效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用弘效应的旋转角速度传感器等同。世纪年代低损耗光纤出

9、现以后，光纤干涉型传感器的研制有了长足进展，并很快得到实际应用。最早设计的干涉型传感器用于检测微弱的声波扰动，这项技术在年代中后期取得较大的成果。而后，科学家们致力于研究解决干涉仪的解调、噪声、偏振控制以及复用等问题。干涉型光纤传感器【】由于利用干涉原理有其自身的特点。与和干涉仪相比，干涉仪具有对外界环境变化不敏感的特性。自从年等人设计了干涉仪之后，已有多篇报道介绍了它的应用。这种干涉仪应用较多的是作为复用器、非线性环镜和光纤传感器。目前，采用干涉仪的光纤传感器的研究及应用情况已有很多篇报道。这种传感器可被用于测量电流、声音等外界物理量，而基于干涉仪设计的光纤陀螺仪和水听器已得到广泛应用【。在

10、国内，基于干涉原理光纤围栏（或边界）报警系统】【】的研究已经有相关介绍，并也提出了实验方案、软件模拟实验和硬件的模拟实验结果，但只是检测是否存在干扰源，并未对干扰源的类型做进一步研究。在国外，对于基于干涉原理光纤围栏报警系统的研究方向为：能自动识别引起干扰信号的类型，如动物、人、车等所对传感系统所产生的干扰，在实际应用中也提出了解决方案并进行实验研究。实验中常将传感光纤环臂作为传感器，当探测到小幅度振动或机械扰动时，利用干涉型传感器，将信号通过合适的算法进行模数转换以及数字信号处理，重建干扰源所产生的扰动函数，然后与数据库中存储的不同干扰源信号图形进行相关度分析，设定相关度大小，进而分析出干扰

11、源类型，实现自动识别功能。这种报警系统能进一步对干扰源类型进行识别，并且简单高效，适于推广及用户使用。国内外在干涉型光纤传感系统干扰源检测定位方面也进行了相关研裂眨】，主要研究了应用在管道泄漏中泄漏点的检测和定位，传感系统只需一个光源和一条传感线路，集传感和传输于一体，可对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息进行测量。同时，由于其获得的信息量大，单位时间所需要的费用大大降低，从而可获得较优的性价比；又由于分布式光纤传感技术具有灵敏度高、动态范围大等特点，因此可用于小泄漏管道检测。干涉型光纤传感系统在长距离、小泄漏管道检测和定位上有着重要的应用，被广泛应用在石油化工、电力工业、通信等领域

12、中。本文主要内容本文的主要内容包括：（）光纤传感理论及技术研究。总结光纤传感技术的发展及应用，特别是光纤干涉型传感器。重点研究干涉仪的原理，对干涉仪的原理进行了理论推导，推导出萨格纳克效应产生的相位差与旋转角速度间的关系。（）基于虚拟仪器和总线进行数据采集系统研究。重点研究了基于虚拟仪器编程知识及编程方法和数据采集卡的性能及应用，编制驱动程序驱动，对传感信号进行数据采集。（）干涉仪单点干扰定位实验研究。重点研究干涉仪单点干扰实验原理、定位方法，并对实验结果进行了分析处理。实验结果表明，实验分析所得的干扰源位置与理论分析所得的干扰源位置基本相符，可实现干扰源的检测及定位。在实验数据分析处理过程中

13、，重点研究了频谱处理方法以及获取零频值的方法。利用小波分析法对频谱进行处理，很好地解决了频谱中由于频率成分过多造成的频谱模糊、不能有效显示零频点所在区域的问题，为下一步获取零频点提供了有效、可分辨率高的频谱。同时，提出并编程实现了一种可有效获得准周期性频谱中极值点的方法，提供了一种新的解决频谱频率成分较多、波动较大情况下，求取局部区间最低点（或最高点）方法。最后，对实验误差进行了分析，并指出了在实际应用中，文中所提出的数据分析、处理方法仍有其适用性，其中小波分析法和获取零频值方法可适用范围较广，在类似实际情况下均可应用。光纤传感技术光纤传感理论及技术光纤传感技术就是利用光纤对一些物理量的敏感特

14、性，将外界物理量转换为可以直接测量的物理量的技术，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。光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，光纤不仅可以作为光波的传播媒介，而且由于光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、转动等）的作用而发生变化，因此可将光纤作为传感元件来探测各种物理量。作为被测量信号载体的光波和作为广播传输媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易于各种光探测器的接收，可方便地进行光

15、电或电光转换，易与现代装置和和计算机相匹配。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的敏感低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量的加载，是优良的敏感元件；光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。光纤传感系纠】是利用光纤传感技术所设计的传感系统，它主要包括光源、传感器探头或传感光纤、传输光纤和光纤器件、光电探测器等。通过光电转化器件，将光信号的处理问题变成电信号的处理问题，利用计算机强大的数据分析和处理能力，有效完成所得到的信息辨识和处理。图光纤传感系统的基本组成部分光纤传感的发展趋势主要

16、有以下几个方面：（）在光纤通信中，在可调谐滤波器的基础上，研制出以可调制通用的传感元件（如光纤光栅、光纤干涉仪等）为基础的响应各种参量的光纤传感器。例如光纤光栅传感网。光纤光栅是用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器，例如，光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度等参量检测的光纤传感器和各种光纤传感刚。（）全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发。例如分布式光纤传感网。分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用光波在光纤中传输的特性，测出沿光纤长度方向每一

17、点的被测量值。这是光纤特有的一种新型传感器，可给出大空间里温度或应力等参量的分布值【】【。（）开展如医学和生物、电力工业、化学和环境、军事以及智能结构等各应用领域的专业化成套传感技术的研发。例如用于智能材料和结构的光纤传感技术【】【】。在材料和结构的制造过程中，将传感元件和驱动元件埋入其中，传感元件可对结构的状态参数（如应变、温度、损伤程度等）进行实时测量，驱动元件可以对结构状态作必要的调节或控制，可保证结构安全运行并工作在最佳状态。因为这种结构具有一定的“智能，被称为智能结构。这种光纤传感器具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、带宽大等特点，可以同时作为传感元件和传输媒质，并

18、实现多点或分布式测量，该技术是国内外目前研究热点之一【。光纤干涉传感器在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在实验研究、实际应用中有着较大的发展优势。光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器，基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，从而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，进而得到被测对象的信息。常见的有利用光弹性效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用效应的旋转角速度传感器等。相位调制光纤传感器是以

19、被测量引起敏感光纤内传播的光波产生相位变化，再利用干涉测量技术把相位的变化变换为光强的变化，以传感被测量。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度，被广泛应用于高分辨率实验室测量装置。早期的光学干涉仪感测部分是用传统光学元件组成，具有受待测量影响而改变光特性的功能，限制了它在一般场合下的实用性。目前的干涉仪都是以光纤为感测部分，光纤受到待测量作用而改变其中传导光的特性。常利用单模光纤作为光路的干涉仪，可以排除相干光在空气中传播带来的空气扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变化造成的光纤干涉仪工作不稳定性。光纤光波干涉可以把相位的变化转化为光能的变化。因而，光纤传感器可进行由光波

20、相位变化和光纤干涉两部分组成的相位调制，以克服光探测器不能直接测到相位变化的不足【】。光纤干涉仪与传统的分立元件干涉相比，其优点在于：容易准直；可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度；封闭式的光路，不受外界干扰；测量的动态范围大。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制作用，干涉仪完成相位一光强转换任务。干涉型传感器具有较高的灵敏度。常用的光纤干涉仪主要有种：迈克尔逊（）干涉仪、马赫一泽德（）干涉仪、萨格纳克（）干涉仪和法布里一珀罗（）干涉仪。光纤相位调制机理和光纤干涉仪光纤相位调制机理相位调制型光纤传感器的基本传感原理是：通过被测量能量场

21、的作用，使光纤内传播的光相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向尺寸所决定，可以表示为此，其中为光在真空中的波数，以为传播路径上的折射率，为传播路径上的长度。一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述个波导参数，从而产生相位变化，实现光波的相位调制。另一方面，光波的相位也可以由效应决定¨。与其他调制方式相比，相位调制技术具有很高的检测灵敏度，如可测到的最小相位变化为。，对温度的测量精度为（），对压力的测量精度为（），对应变（轴向）的测量精度为（），如果信号检测系统可以测

22、出的相位移，则对于每米光纤的检测灵敏度，对温度为，对压力为，对应变为肛，动态测量范围可达，且探头形式灵活多样，适于不同的测试环境，同时响应速度快。在相位调制型光纤传感器中，相位调制是一种能通过光纤干涉仪的敏感光纤作为相位调制元件，将敏感光纤置于被测量能量场中，由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位调制。通常引起光纤中光相位调制的物理效应有应力应变效应、温度应变效应、效应。下面简单介绍一下这些物理效应。（）应力应变效应。应力应变效应是导致光相位调制的最基本的物理效应，它是光纤相位调制电流传感器的出发点。当光纤受到纵向（轴向）的机械应力的作用时，光纤的长度、芯径以及纤芯折射率都将发生变化

23、，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。（）温度效应。温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中，把温度变化等效为作用力时，将同时影响光纤折射率和长度的变化。（）效应。效应是由法国人在年首次发现并得到实验证实的。它揭示了同一条光路中两束相向传播的光的光程差与其旋转速度的解析关系，即同一光源同一光路，两束相向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比。光纤干涉仪对于一个相位调制干涉型光纤传感器，光纤完成相位调制的任务，干涉仪完成相位一光强的转换任务。在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。例如，设有振幅分别为和的两个相干光束，如果其中一束光

24、的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域产生干涉。干涉场中各点的光强为尸日昱：耳妒（）式中，异、分别为两束相干光的光强，矽是由于外界因素（被测量）造成的两束相干光之间的相位差，如果检测到干涉仪光强的变化，就可以确定两束光直接的相位变化，从而得到待测物理量的大小。下面将介绍常用的几种光纤干涉仪。（）迈克尔逊（）光纤干涉仪【】夕。翳目，分柬器图迈克尔逊干涉仪原理图图所示是普通光学迈克尔逊干涉仪的原理图。激光器输出的单色光由分束器分成光强相等的两束光。其中一束射向固定反射镜，然后反射回到分束器，被分束器投射的那一部分光由光探测器接受，被分束器反射的那部分返回到激光器。激光器输出的经由分束器投射的

25、另一束光入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器，另一部分经分束器投射，返回到激光器。当两个反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时，射到光探测器上的两个相干光束便产生干涉，干涉光强由式（）确定，两束相干光的相位差为缸（）式中，是光在空气中的传播常数，越是两束相干光的光程差。由式（）和式（）可知，可移动反射镜每移动址长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，即变化一个周期。在许多环境比较恶劣的条件下，如水声探测器和地下核爆核查测试等，为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，一般采用全光纤干涉仪结构来保证测量的准确性与高灵敏度。迈

26、克尔逊全光纤干涉仪结构图如图。图迈克尔逊全光纤干涉仪图中以一个耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。激光器发出的光经耦合器分为两束，分别经过参考臂和测量臂。两束光在两臂的端面处分别发生反射返回耦合器，分光后，一部分反射光进入光探测器，另部分光被反射回激光器。当被测物体发生形变时，带动粘附于被测物体上的光纤应变使得干涉条纹移动，从而测得该应变。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。（）马赫一泽德（）光纤干涉仪图马赫一泽德干涉仪原理图图所示是马赫一泽德干涉仪原理图，它与迈克尔逊干

27、涉仪有相似之处：从激光器输出的光束先分后合。两束光由可动反射镜的位移引起相位差，并在光探测器上产生干涉。另外，这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉量不利。此外，由图可以看到，从分束器向上还有另外两束光，一束为上面水平光束的反射部分，另一束为垂直光束的透射部分。干涉仪也能探测小至，的位移。作为工程实用的传感器，常采用全光纤干涉仪，如图所示。谶光器光电探测器图马赫一泽德全光纤干涉仪马赫一泽德干涉仪与迈克尔逊干涉仪同属双光路干涉仪，两者不同之处在于，迈克尔逊干涉仪在两臂上各装一个反射镜，使唯一的一个耦合器同时起到

28、分束和合束的作用。而马赫一泽德干涉仪使用了两个耦合器分别进行分束和合束。从激光器发出的相干光通过耦合器分成相等的两束。一束在信号臂中传输，另一束在参考臂中传输。外界信号作用于信号臂，耦合器把两束光再耦合，再分成两束光经光纤传送到光探测器。根据双光束干涉原理，两个光探测器接受到的光强分别为：罩（）（），、，等（卸）（）、，式中，最表示激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强；表示由外界因素引起传感臂与参考臂之间的相位差，其中包括外界信号引起的相位差；口表示光传播过程中综合光衰减因子，其中包括耦合器及两臂的光衰减系数。一般地，此类干涉仪中采用两个相同的耦合器。马赫一泽德光纤干涉仪的典型应用有光纤压力

29、传感器、光纤加速度传感器以及利用磁致伸缩材料的光纤磁场传感器等。（）萨格纳克（）光纤干涉仪【】图萨格纳克干涉仪原理图图所示为萨格纳克干涉仪原理图。激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合回路，然后在分束器上会合，被送入光探测器中，同时也有一部分光返回激光器。在这种干涉仪中，把任何一块反射镜在垂直它的反射表面的方向上移动，两束光的光程变化都是相同的。因此，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。但是，当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度转动时，根据萨格纳克效应，两束传播方向相反的光到达光探测器的延迟不同。这个相位延迟量

30、可表示为：器（）式中，为光路围成的面积，为真空中的光速，厶为真空中的光波长。通过探测器检测干涉光强的变化，便可确定旋转角速度。因此，光纤干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。图为全光纤干涉仪结构图。激光器发出的光经耦合器分成两束相同的光，分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，形成沿相反方向前进的两束相干光波。当传感光纤没有受到干扰时，此干涉现象趋于稳定；当受到外界干扰时，会产生不同的相移，光探测器可测得这种变化。这种全光纤结构的传感器更适于实际应用和现场测量。图光纤干涉仪结构图（）法布里一珀罗（）光纤干涉仪】【】赤激光啼光操器测器固定反射镜可移动反身寸镜图法布里一珀罗干涉仪原理图图所示为法布里一珀罗干涉

31、仪原理图。它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜。其反射率通常达以上。由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面做很多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接受。这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里一珀罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强变化为肛至理（一尺）（）式中，为是反射镜的反射率，矽为是相邻光束间的相位差。由上式可知，当反射镜的反射率值一定时，透射的干涉光强随妒变化。当矽（为整数）时，干涉光强有最大值；当（切（为整数）时，干涉光强有最小值（丽）昂（）这样，透射的干涉

32、光强的最大值与最小值之比为乏（等）（）可见，反射率越大，干涉光强变化越显著，即有高的分辨率，这是法布里一珀罗干涉仪最突出的特点。通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，使干涉测量有极高的灵敏性。干涉仪原理本文主要研究的是干涉型光纤传感器，下面将对干涉原理进行详细的介绍。年，法国人首先提出来萨格纳克效应。这是一种光学效应：当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干涉。其原理图如图所示：图萨格纳克效应示意图从光源发出的光被分成强度相等的两束分束光后由点进入环形光路，其中一束沿顺时针方向传播，另一束沿逆时针

33、方向传播。这两束光绕行一周后，又在处会合，假定环行光路中介质的折射率为，环路相对惯性空间无旋转时，两束沿相反方向传输的光在绕行一周后所经历的光程相等，都等于环行光路的周长，即：厶厶（）式中，厶为沿顺时针方向光束所经历的光程，厶为沿逆时针方向光束所经历的光程。两束光绕行一周所需时间也是相等的，即：（）式中，为顺时针方向光束绕行一周所需时间，为逆时针方向光束绕行一周所需时间，为真空中的光速。当环形光路以角速度绕垂直轴沿顺时针方向旋转时，这两束光绕行一周重新回到点所走的光程不再相等。对应地，它们所需的时间也不再相等。沿顺时针方向传输的光绕行一周后到达点（点旋转后的位置点），经历的光程为：厶万尺（）绕

34、行一周所需时间为：。厶。（尺）（）沿逆时针方向传输的光绕行一周后到达点（点旋转后的位置点），经历的光程为：厶。万，（）绕行一周所需时间为：乞厶（尺乞）（）两束光绕行一周后到达点（点旋转后的位置点）时间差为：一（）两束光绕行一周后到达点（点旋转后的位置点）光程差为：缸厶一厶（）由式（）可知，两束光的光程差缸与角速度成正比。下面讨论光在折射率为的光路中的传播。当光路未旋转之前，两束光在光路中的传播速度均为，当有角速度（设为顺时针方向）输入时，两束光的传播速度不再相等，根据洛仑兹一爱因斯坦速度公式变换式，可得沿顺时针、逆时针传输的两束光的速度分别为：雨丽丽（一）乞函顽丽（）在此情况下，两束沿相反方向

35、传输的光束绕行光纤环一周的时间分别满足下列关系：。：（万掣）（）仃乞。：（万一只笺）（），将式（）、（）分别代入式（）、（）中，得万（）（）以；：耳（。（）（）¨故址。一，（）由上式可以看出，在介质中沿相反方向传输的两束光绕光纤环一周的时间差垃与在真空中的情况出完全相同，故在折射率为情况下，产生的光程差为：，：兰丝：（）式中，为光在介质环路中的传播速度。若光纤环的长度为，绕成半径为的圆环，则有，的值为：丝（）两束光之间由光程差址产生的相位差矽为：七址：车址一，（）以式中，后：孚为波矢量。允式（）是以单匝光纤环为例推导出的结果，而实际上光纤陀螺一般采用的是多匝光纤环（设为匝）的光纤线圈

36、，则其相位差为：竺丝：（）抛砘式中，为光纤线圈的总长度，为光纤线圈环的直径。由上可知，萨格纳克效应产生的相位差与旋转角速度成正比，其比例因子为：垒竺。萨格纳克干涉仪是构成其他光纤干涉系统的基础【。引言基于虚拟仪器和总线的数据采集系统“数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换为数字量后，再由计算机等相关仪器进行存储、处理的过程。数据采集系统在许多系统中如光纤传感系统、通信系统、交通控制系统等都有着非常重要的作用。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在信息科学飞速发展的这个时代，数据采集和存储技术已经是数字信号处理中非常重要的环节，将决定整个系统的性能。基于虚

37、拟仪器和总线的数据采集与存储系统，由于可靠且易于实现、经济等优点，得到了广泛的应用。但当数据传输率很高时，保持高速数据存储过程的可靠性、实时性将会成为一个比较难的问题。数据采集系统的发展目前集中在传输速度、采集精度、可靠性和成本效益上。数据采集系统通常是一个独立的应用系统，它有自己专门的硬件和软件子系统。其中数据采集卡是数据采集系统的主要组成部分，它是外界电信号与计算机之间的桥梁，完成对数据的测量和传输。数据采集的研究一直是工程实践中一项倍受人关注的领域。人们都希望能够获得一种能够完全记录现场信号的设备，特别是那些高速、实时性要求高的场合，从而为各类设备的试制提供实验数据，构建各类仿真、半仿真

38、、实物系统。虚拟仪器虚拟仪器概念虚拟仪器（）是世纪年代由美国国家仪器公司（，）最早提出的新概念。所谓虚拟仪器技术【】，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的功能。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用的电测量仪器。其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能，利用计算机来管理仪器、组织仪器系统、进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统仪器的目的。虚拟仪器主要包含两方面的含义：虚拟仪器的面板是虚拟的；虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。它的主要特点有：（）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟

39、仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以修改仪器功能和面板，设计仪器功能，实现与外设、网络及其它连接。（）虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，突出了“软件就是仪器的新概念。（）虚拟仪器充分利用了计算机强大的数据处理、传输功能，可以创造出功能强的仪器，使得组建系统变得更加灵活、简单，便于构成复杂的测试系统。（）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一为虚拟仪器标准，使得仪器功能更易于扩展，系统生产、维护和开发费用降低。虚拟仪器充分发挥计算机强大的数据处理能力，解决过去由于硬件制造工艺的限制而无法完成的仪器功能，由计算机编程实现

40、传统仪器的测试与控制任务。而且功能比传统仪器更加强大。虚拟仪器与传统仪器相比有很多优点，如对输入信号的处理和计算可以更加复杂，测试结果的表达方式更加丰富多样；可方便地存储和交换测试数据；价格低而且可以重复利用；功能升级方便，技术更新快等优点。虚拟仪器是综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件技术，代表了测量仪器与自动测试系统的发展方向。虚拟仪器基本构成虚拟仪器是由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成：（）虚拟仪器硬件平刽】计算机。一般为一台机或者工作站，是硬件平台的核心。接口设备。接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有其相应得接口设备，如利用机总线

41、的数据采集卡板（简称为数采卡板，）、总线仪器模块、串口总线仪器。虚拟仪器的构成方式主要有种类型，如图所示。图虚拟仪器构成方式系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式仪器系统，这种系统采用或计算机本身的总线，将数据采集卡板（）插入计算机的空槽中即可。系统是以标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。系统是以标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。系统是以标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。串口系统是以标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（）虚拟仪器的软件】文本式编程语言，如：，等；图形

42、化编程语言，如：、等；实现虚拟面板功能的软件程序；定义测试功能的流程图软件程序。语言概念及特点是美国公司推出的一种基于语言（，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。它提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。它还提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，有利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为方便。不仅提供了与遵从、协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持、等软件标准的库函数。虽然是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。图形化软件平台具有一般编程语言的特点，带有各种软件包和过

43、程库，它的特点：、图形化编程，使得编程十分方便、快捷；、具有类似仪器的用户界面，例如开关、按钮、各种显示等功能，使用户操作计算机如同操作实际的仪器；、带有较全的仪器接口、数据采集接口、网络接口软件包，在与外界通信时只须作相应的配置，而不需编写繁锁的驱动程序；、带有很多的分析软件包，可以直接对数据进行分析、处理。编程虚拟仪器主要包括三部分：前面板、框图和图标接口部件【。前面板是的交互式用户界面一即用户与程序代码发生联系的窗口。前面板是控件和指示器的组合，控件仿真常规仪器上的输入输出设备类型，如旋钮和开关，并提供一种机制将输入从前面板传送到基本框图。另一方面，指示器提供一种机制显示前面板背后的框图

44、数据。指示器包括各种图形和图表，以及数字、布尔型和字符串指示器，当使用术语“控件时意味着“输入，而当使用术语“指示器”时意味着“输出。前面板如下图所示。图前面板图框图是的源代码，是用语言写出来的，框图是实际的可执行代码，框图上的图标表示较低层的、内部函数和程序控制结构，将这些图标连接起来是为了让数据流过。软件启动后，系统会自动创建一个缺省的文件，该文件包含两个窗口，一个用作编辑前面板，另一个用作编辑流程图。流程图的窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码。通过连线将输出、接收数据的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制程序执行的流程。需特别指明的是：运行是数据流驱动的。简单地说，就是只有当所有的输入数据都准备好的时候，一个节点才能执行其功能，当节点执行完后，它所有的输出端口都会产生一个数据值。数据都是从源端流到目的端。数据流不同于执行一个传统程序的控制流方法（通过执行一系列的指令来实现的）。控制流执行是指令驱动，而数据流执行是数据流驱动或依赖数据的。这里提到的节点是程序执行的元素，它们类似于传统编程语言中的状态、操作、函数和子程式。包含广泛用于数学计算、比较、转换、输入输出的函数库。另一类节点类型是结构。结构就是传统编程语言的循环、条件