两种双光束干涉型光纤温度传感器研究及门诊系统数据表结构说明书

两种双光束干涉型光纤温度传感器研究摘要传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密仪器、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合型和高新技术密集型前沿技术之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术不可缺少的重要组成部分。目前，传感器已成为国民生活不可缺少的重要组成部分“光纤传感是融纤维光学、微电子学、精密机械和计算机等学科于一体的高新技术，这就注定它是一门技术难度大，协作配套广的知识密集型产业”故对其理论的深层次研究和新原理光纤传感器的开发成为当务之急。文章阐述了相位调制型光纤传感器的基本原理，光纤迈克尔逊和马赫一泽德尔干涉仪的基本原理,以及光纤迈克尔逊和马赫一泽德尔干涉仪的研究现状及应用情况，在此基础上，利用相位调制法设计了基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度和电压传感装置,对Mach-Zehnder干涉仪进行了实验研究，实验中通过改变测量臂温度(改变压电陶瓷两边的电压)的方法改变Mach-Zehnder干涉仪的臂长差,研究了外加温度与干涉仪光谱的输出关系,采用波长定标的方法，当温度在26℃-80℃的区间变化时，得出了干涉谱线中某一特定波长的移动与外加温度的关系,得到了0.957nm波长调节范围,对应干涉仪相位改变约4π，线性拟合度达到0.972。理论与实验得到较好的吻和。研究了M-Z干涉仪的电压传感原理：将M-Z干涉仪的传感臂粘贴到一圆筒状的压电陶瓷上，该压电陶瓷圆筒的内外侧焊有电极"当有直流电压加到其上时，压电陶瓷会在纵向伸长,带动其上的光纤长度发生变化,从而引起干涉仪两臂的长度差别产生变化，使干涉条纹发生移动“通过实验定标,当我们观察到条纹移动了多少，就能反过来推知电压的大小”PZT的驱动电源为直流稳压电源，电压范围为：-28.7-28伏特。拟合线性度为0.9991;调谐的范围是2.18nm(相当于整体平移了1.95π)，所以调谐灵敏度为0.038nm/Volt。在第3章,详细地对光纤Mach-Zehnde干涉仪和Micheson干涉仪做了数值研究，得出了一些重要结论。随后给出了两种光纤干涉仪的应用例子。关键词光纤传感器；相位调制；Mach-Zehnde干涉仪StudyontwokindsofdoublebeaminterferenceopticalfibertemperaturesensorAbstractSensorteehnology15oneofthemeasurementteehnology,semiconductor,technology,comPuterteehnology,informationProeessingteehnology,miero,eleetronies,Pties,acousties,Preeisioninstruments,bioniesandmaterialsseienceandothersubjects,mutualPlusacomPrehensiveeross,intensivehigh,teehandcutting,edgeteehnologies.It15imPortantbasisfornewteclmologiealrevolutionandmodeminformationsoeiety,andit15imPortantandindisPensableeomPonentforautomatiedeteetionandautomatic,eontrolteehnology.AtthePresent,thesensorshavebeeomeanimPortantPartoftheour,life.FiberOPticSensor15ahigh,teehdiseiPlinewhiehmeltsfiberoPties,micro,eleetronies,Preeisionmaehinery,eomPutersandteehnologies.It15adiffieultteehnologiealindustrywithextensiveeooPerationofmulti,subjeet.Therefore,isveryimPortanttoin,dePthstudyofthetheoryandPrineiPlesofthenewfiber,oPtiesensordeVeloPment.TheartieledeseribesthebasiePrineiPlesoffiber,oPtiesensors,Fiber,oPtieMiehelsonandfiber,oPtieMaeh,Zehnderinterferometers,aswellasFiber,oPtieMiehelsonandfiber,oPtieMaeh,ZehnderinterferometersoftheresearehandaPPlication.Onthisbasis,AkindoftemPeraturesensordevicebasedonall,fibreMach,Zelmderinterferometer15designedtliroughPhasemodulationmethod.TheMaeh,ZehnderinterferometerhasbeenstudiedexPerimently.DuringexPeriment,throughehangingthePathdiffereneeofthetwoarmsoftheMaeh,ZehLnderinterferometerbyehangingthetemPerature,westudytherelationshiPbetweentheoutPutsPeetnjmoftheMaeh,ZehnderinterferometerandexternaltemPerature.AdoPtingthewavelengthsealemethod,wegettherelationshiPbetweentheshiftingwavelengthandextemaltemPeratureWlliletemPerature15from-26C-80C.Thetuningrangeis0.957nm.Thephaserange15about.Thefittinglinearity15uPto0.972.TheexPerimentalresultsshowgoodeonsisteneywiththetheoretiealones.TheeleetricvoltagesensorbasedonMaeh,Zehnderinterferometer15alsostudiedinthisthesis.TherefereneeanlloftheMaeh,Zehnderinterferometer15attaehedona]eylindraeeousPZT.Theeleetrodes15sealedattheouterandinnersideofthePZTeylinder.ThePZTwillelongateattllelognitudinaldireetionwhenaneleetrievoltage15aPPliedontheeleetrodes.Henee,thefiberwhiehenwindthePZTcylinderwillextended.ThelengthehangeoftWOannsoftheinterferometerwillindueethedriftoftheinterferometriefringe.Aflersealing,weeangetthevoltagewhenwekn0whowmanyinterferometriengesdrifl.One,eleetriemanostatPowersuPPly15usedtoehangethevoltageaPPliedonthePZTeylinderThevoltagerange15from,28.7to28.7volt.ThelinearfittingfaetoroftheexPerimentalresult150.9991.Thetuningrangeoftheinterferometriefringe152.18nm,whieheorresPondsthatthefringemovesaboutl.95.SoThetuningsensitivity150.038nm/Volt.Inehter3,thefiberMach,ZehnderinterferometerandMichesoninterferometer15numerieallystudiedindetail,fromwheresomeinPortantresultsaregotten.Subsequently,severalaPPlieationexamPlesaregiveninthelaterseetionofthisehaPter.KeywordsPhasemodulatio,Phasedemodulatio,Miehelsoninierferomete,Maeh一Zehnderinterferometer目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章 光纤传感器基础知识 11.1光纤传感器的原理与分类 11.1.1光导纤维导光的基本原理 11.1.2光纤传感器结构原理及分类 41.2光纤传感器的主要元器件 61.2.1光源 61.2.2检测器 71.2.3传感元件 8第2章 光纤传感器的调制原理与相位解调技术 92.1调制原理 93.2相位调制型光纤传感器 11第3章M-Z干涉仪理论分析与应用 173.1M-Z干涉仪的散射矩阵分析法 173.1.1理论分析 173.1.2数值计算结果 183.2M-Z干涉仪的干涉分析法 193.2.1理论分析 193.2.2数值计算结果 193.3M-Z干涉仪应由 203.3.1光纤温度传感器 203.3.2全光纤Mach-zehnder干涉仪的温度传感的研究 21参考文献 24第23页共45页光纤传感器基础知识1.1光纤传感器的原理与分类1.1.1光导纤维导光的基本原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论中指出的：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用几何光学的方法来分析光的传播现象。为此,我们采用几何光学的方法来分析[1]。（一）斯乃尔定理当光由光密物质射至光疏物质时,如图1-l(a),其折射角大于入射角,即n1>n2时，θr>θi。有：（1-1）由（1-1）可知：入射角θi增大，折射角θr也随之增大，且始终θr>θi。当θr>90度时θi仍小于90度，此时，出射光线沿界面传播，如图1-1（b），成为临界状态，有为临界角。时，，发生全反射现象，如图1-1（c）所示，其出射光不再折射全部反射回来。（a）光的折射示意图（b）临界状态示意图（c）光的反射示意图图1-1光在不同物质分界面的传播(二)光纤的种类按纤芯和包层材料的性质，光纤可分为玻璃光纤和塑料光纤两类。按折射率分布不同,则可将光纤分为阶跃型和梯度型两种,如图1-2所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变,但在纤芯与包层界面处折射率有突变,如图1-2（a）所示。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外由大渐小呈抛物线分布,至界面处与包层折射率一致，因此，这类光纤有聚焦作用，光线传播的轨迹近似于正弦波，如图1-2（b）所示[2]。（a）阶跃型（b）梯度型图1-2两种折射率分布光纤传输的光波,可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时,将形成驻波"形成驻波的光线组称为模，它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时,能传播几百个以上的模,而纤芯很细时,只能传播一个模。前者为多模光纤,用于非功能型光纤传感器；后者是单模光纤,用于功能型光纤传感器。(三)光纤结构光纤是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。光纤呈圆柱形，它通常由纤芯和包层两个同心圆柱的双层结构组成，如图1-3所示[3]。图1-3光纤结构纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤芯折射率n1比包层折射率n2稍大些，两层之间形成良好的光学界面。光线在由折射率较大（光密介质）的纤芯和折射率较小（光疏介质）的包层构成的这个界面上形成全反射传播。（四）光纤导光原理及数值孔径NA光以某一入射角由光密介质(折射率n1)射向光疏介质(折射率n2)时，如入射角大于某一特定的值，会发生全反射现象,这个特定的角度被称为临界角。由Snell’sLaw:(1-2)根据这个原理,只要使纤芯的折射率大于包层的折射率，则当光以大于的入射角射到纤芯与包层的界面上时，光就被限制在纤芯中传播。光在光纤内经过若干次全反射，从光纤的一端传到另一端，这就是光纤传光的基本工作原理。在实际应用中，人们更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时，能使折射光完全在纤芯中传播，即在如图1-4中，角多大时才能使。图1-4光纤导光示意图图1-4可以看出:入射光线AB与轴线00交角为，入射后折射（折射角为）至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成角角，CK与DE夹角为。可得出：（1-3）（1-4）由（1-3）式得：（1-5）由（1-4）式得：并代入（1-5）式得：（1-6）式（1-6）中为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故；为纤芯折射率，为包层折射率。当，由（1-6）式得（1-7）当的临界状态时，，（1-8）光学中把（1-8）式中定义为“数值孔径”NA。NA是衡量光纤集光性能的主要参数，它表示无论光源发射功率有多大,只有张角(如图1-4)内光功率能被光纤接收并传播。当时,集光能力与NA的平方成正比;当NA二l时,集光能力最大。一般希望有较大的数值孔径,这也有利于藕合效率的提高。但NA过大，光信号畸变就会比较严重。以上主要分析了多模光纤的导光原理,主要依据是射线理论。但是对于单模光纤(纤芯半径一般在10um以下)，主要依据更为复杂的光纤模式理论。1.1.2光纤传感器结构原理及分类(一)光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置；光纤传感器则中一种把被测量的状态转变成可测的光信号的装置,由图1-5可见，在测量原理上的本质的差别，下面，简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理。（a）传统传感器（b）光纤传感器图1-5传统传感器与光纤传感器从本质上讲,光就是一种电磁波,电磁波的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此,在讨论光的敏感测量时必需考虑光的电矢量E的振动。通常用下式表示：。式中：A-电场E振幅矢量；光振动频率；光相位；t光传播时间。由式（1-10）可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随波测量状态的变化而变化,或者说受被测量调制，我们就有可能通过对光的强度、偏振、频率或相位调制等进行解调,获得我们所需要的被测量的信息[1]。即当光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用会发生变化，通过测量光波的特征参量就可以得到作用在光纤外面的物理量的大小，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量[4]。（二）光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类[1](见图1-6)。（a）功能型光纤传感器(b)非功能性光纤传感器(c)拾光型光纤传感器图1-6根据光纤在传感器中的作用分类2.按被测对象不同光纤传感器分为光纤温度传感器、光纤电压传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等等。3.根据光受被测对象的调制形式（1）强度调制型光纤传感器。这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。这类光纤传感器的优点是结构简单、容易实现、成本低。其缺点是受光源强度的波动和连接器损耗变化等的影响较大。（2）偏振调制光纤传感器。这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。（3）频率调制光纤传感器。这是一种利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。（4）相位调制传感器。其基本原理是利用被测量对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常生变化，而导致光的相位变化,然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测量对象的信息。这类传感器的灵敏度很高，但由于需用特殊光纤及高精度检测系统,因此成本高。（5）)波长调制型光纤传感器。被测量在敏感头内与光发生相互作用的结果如果是改变了光的波长，就叫波长调制型光纤传感器。1.2光纤传感器的主要元器件1.2.1光源在这里，只讨论光纤传感器常用光源的性能，并指出选用光源的基本原则[4]。1.白炽光源。这类光源通常为钨丝灯泡，其辐射近似地为黑体辐射。白炽灯源的优点是廉价、容易获得、使用方便。其缺点是稳定性较差，寿命短。2.气体激光器。常见的有：氦氖激光器、二氧化碳激光器和氢离子激光器等。这里只讨论氦氖激光器，其他的很少应用。它是一种廉价、低功率、高相干光源。3.固体激光器，也称为晶体激光器。卞要有红宝石激光器、掺钱忆铝石榴石激光器和钱玻璃激光器等。这类激光器的优点是体积小巧，坚固耐用；高功率，高辐射密度，发射光谱均匀且窄，容许单模工作等。其缺点是相干相和频率稳定性都不如气体激光器。4.半导体激光器。它是光纤传感器最重要的光源，它具有体积小巧、坚固耐用、寿命长、可靠性高、辐射密度适中，电源简单等优点。这类光源有非相干辐射的发光二极管(LED)和相干辐射的半导体激光二激管(LD)等。5.宽带光源。传感解调系统对光源要求有较大的带宽和较强的输出功率，此宽带光源是光纤传感尤其是分布式光纤传感系统中的重要器件之一。虽然半导体工艺日臻完善，以上缺点可以得到不同程度的改进，但较低的性价比也是超辐射发光二极管不能被普遍应用的一个重要原因。相对而言，以掺杂光纤中增益介质超荧光谱为基础的宽带光源则是一个较好的选择，它有着易于和光纤传感系统祸合，温度稳定性好，3dB谱宽大，模式好等一系列优点。光纤传感器所用的光源种类繁多，从白炽光源到激光器的各种光源都可采用。我们选择光源时，应当遵循下述原则：根据系统要求,选择辐射强度足够大的光源，而且要求在敏感元件的工作波长上有最大的辐射功率；光源必须与光纤相匹配，以便获得最好的祸合效率；光源的稳定性要好，能长期在室温下工作。1.2.2检测器在光纤传感器中，光电检测器是必不可少的器件，它起着把光信号变为电信号的关键作用。这里只简单地介绍几种常用电检测器的主要性能及其选用原则。1.半导体光电检测器。主要有PIN光电二极管、雪崩式光电二极竹、PIN-FET微型组件等。它们的结构虽有所不同，但检测过程基本相同。即在入射光子作用下，产生电子一空穴对,然后受强电场作用而分离出自由电子，最后收集起来形成光电源。因此，实际上它们就是光子计数器。2.光电倍增管。这是一种最灵敏的光电检测器,它能检测出每秒钟只有一个光子的光电流。它可很好地控制光电倍增怜的倍增过程,因此不存在过剩噪声问题。选择电光检测器的依据是：可能获得理想的光信号强度、光背影电平和所需要的信噪比等因素。而信噪比则由所要求的信号分辨力决定。为了获得足够大的信噪比，必须满足：灵敏度要高；由检测器引入的噪声必须最小。因此应当选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件；可靠性高,稳定性好。1.2.3传感元件在这里,光纤传感系统中的传感头主要指基于光纤技术的传感头。在干涉形光纤传感系统中光纤即起到感测外界物理量的作用。这里再介绍一种传感头-光纤光栅。光纤光栅是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，使得光在其中的传播行为得以改变和控制。1978年，加拿大的K.0.Hill及其同事在实验中观察到氢离子激光在光纤中相向传输形成驻波时，在光纤中形成折射率周期分布的光栅。这种周期分布的光栅可将满足布拉格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光照除去后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到1000k，带宽却很窄。随着光纤光栅写入技术的逐渐完善,世界各国掀起了光纤光栅技术研究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现,光纤光栅的被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域。光纤光栅具有抗干扰性(电磁场、湿度、化学腐蚀)强、寿命长、复用性(WDM和TDM)好等优良特性，因此光纤光栅在出现20多年来受到了广泛的重视。光纤传感器的调制原理与相位解调技术光的调制过程是将一携带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一过程的器件叫做调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号的变化而变化。光纤传感器的调制和解调可分为强度、相位、偏振、频率和波长等方式[5]。2.1调制原理1.强度调制强度调制是利用被测对象的变化引起敏感组件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。它是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是结构简单、容易实现，成本低，光纤的连接器和祸合器均已商品化。缺点是受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源。探测器一般用光电二极管、光电三极管和光电池等。其原理如图2-1所示。当光源发出的恒定光波工Ii注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波强度被Is调制，载有外力场信息的出射光I0，的包络线与Is形状相同,光探测器的输出电流工I0(或电压)也为同样的调制波。图2-1强度调制原理强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大，其功率信噪比尺可用下列公式计算：（2-1）式中：为信号电流；为光信号噪声电流；为前置放大器输入端等效电阻热噪声电流；为光电探测器噪声电流。2.相位调制相位调制的基本原理是利用被测量对象对敏感组件的作用，使敏感组件的折射率或传播常数发生变化，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，从而得到被测量对象的信息。光信号相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率随温度改变而引起的。相位的变化v与温度变化T的关系为：（2-2）式中：为线膨胀系数；为折射率温度系数；为纤芯平均折射率；为自由空间光波长；为传播常数与纤芯半径的变化率。可见,只要能检测出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。由于应变或压力同样也会改变光纤的传输特性，使光信号的相位发生变化，同理也可以测应变和压力。3.波长调制波长调制是利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里一铂罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。4.偏振调制光是一种横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H和光线的传播方向S正交。按照光的振动矢量E、H在垂直于光线平面内矢量轨迹的不同，又可分为偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光。偏振调制就是利用光偏振态的变化来传递被测对象的信息。5.频率调制频率调制并不以改变光纤的特性来实现调制，而是利用单色光射到被测物体上散射的光的频率发生变化来进行检测的。在这里,光纤一般只起着传输光信号的作用，而不是作为敏感组件。目前主要利用光学多普勒效应现实频率调制，原理如图2-2所示。图2-2多普勒效应示意图图中L为光源，P为运动物体，0是观察者的位置。如果物体的运动速度为v，则从光源发出的频率为厂的光经过运动物体P散射，观察者在0处观察到的频率为。根据多普勒原理可得：（2-3）根据这一原理制成的光纤激光一多普勒测振仪，测量的灵敏度非常高。利用这一原理制成的多普勒光纤流量计，可测量血液的流量。利用多普勒效应制成的传感器还有光纤速度、压力、加速度传感器等。3.2相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器是利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器。其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，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，从而得到被测对象的信息。光纤干涉仪是干涉型光纤传感器的核心，它的原理是光源发出的光通常被分成两束或多束，沿着不同的路径传播之后，分开的光束会再次回合，并到达同一探测器。若这两束光的振幅分别为和，其中一束光因为某种因素(压力、温度等)的影响而被调制了，则会与另一束光发生干涉。干涉后的强度课表示为：（2-4）式中,为相位调制导致的两相干光束之间的相位差。通过检测干涉光强的变化，以确定两相干光束间相位的变化，从而得到外部参量的数值。常用的光纤干涉仪主要有四种：迈克尔逊(Michelson)干涉仪、马赫一泽德尔(Mach-Ze恤der)干涉仪、萨格纳克(sagnae)干涉仪和法布里一拍罗(Fab-Perot)干涉仪。下面将详细介绍[5]。（1）迈克尔逊光纤干涉仪图2-3迈克尔逊干涉仪的原理图由图3-6可以看出，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，其中有一部分光经分束器透射并由光探测器接收，而被分束器反射的那部分光则返回到激光器。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上，而另一部分经分束器透射，返回到激光器。当两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相干光束便产生干涉。两相干光的相位差为，式中是光在空气中的传播常数，2配是两相干光的光程差。可移动反射镜每移动长度，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。由光强的变化可知应变的大小。图2-4光纤迈克尔逊干涉仪为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，可考虑用全光纤干涉仪结构。图2-4表示迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB藕合器取代了分束器，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。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的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。（2）马赫一泽德尔光纤干涉仪图2-5是M-Z干涉仪的原理图。它与迈克尔逊干涉仪有一些相同之处。同样，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。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，对干涉测量不利。图2-5Maeh一Zetinde干涉仪原理图此外，由图2-5可以看到，从分束器2向上还有另外两束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的透射部分。如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号。这在一些应用上是很方使的。作为一个工程实用的传感器,最好采用全光纤干涉仪。图2-6表不M一Z全光纤干涉仪的基本结构，以这个基本结构为基础还有很多变态结构。图2-6光纤马赫一泽德尔千涉仪保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂问的正交状态。所谓“正交状态”，是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为90°(3)萨格纳克光纤干涉仪萨格纳克干涉仪是利用萨格纳克效应构成的一种干涉仪，如图2-7所示。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光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器中，同时也有一部分返回激光器。图2-7萨格纳克干涉仪的原理图在这种干涉仪中，把仟何一块反射镜在垂直它的反射表面的方向上移动，两光束的光程变化都是相同的。因此，根据双光束干涉的原理，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，根据赛格纳克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延退不同，若平台以顺时针方向旋转，则在时钊一方向传播的光较时针方向传播的光延迟。这个相位延迟量可表示为。式中：为旋转率；A是光路围成的面积；C是真空中的光速；是真空中的光波长。这样,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，萨格纳克干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。图2-8光纤陀螺仪的结构其灵敏度比空气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。首先是由于采用若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积，其次是由于利用了电子探测技术。其次是由于利用了电子探测技术。其相移表达式为式中，N是光纤环的匝数。（4）法布里一泊罗光纤干涉仪由图2-9可知，法布里-伯罗干涉仪由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。图2-9法布里-泊罗干涉仪的原理图在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95%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作多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接收。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，从而使干涉测量有极高的灵敏度。这些干涉仪型传感器有个共同之处：在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。这些分开的光束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。这些干涉仪有极高的灵敏度，还具有非常大的动态范围，可用于检测位移，还可用于测量应变和应力。然而由于对使用环境的严格要求，限制了它们在实际条件下的应用。如果用单模光纤作为干涉仪的光路，就可立即取消对光路长度相当苛刻要求的限制。1m左右的光路长度是容易实现的,并且正在实用之中。目前能用于恶劣环境的极小、长寿命的固体激光器和光检测器，一些光路元件，如腐蚀或搭接的光纤-光纤藕合器，以及与它们相应的集成光学元件能够从市场上买到。因而，光纤传感器特别是相位型光纤传感器的研究和应用得到了很大发展。一些小型的、稳定性高的和非常牢固的干涉仪型光纤传感器已经开始得到应用。（a）迈克尔逊光纤千涉仪（b）马赫-泽德尔光纤干涉仪(c)法布里一泊罗光纤千涉仪(d)萨格纳克光纤干涉仪图2-10全光纤干涉仪结构四种不同类型的全光纤干涉仪结构如图2-10所示[5]。图(a)是光纤迈克尔逊干涉仪，这种传感器的特点：一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小；二是光的发出与接受在同一侧，属单端操作。如果把集成电路技术和目前的电光技术能力结合起来，则可以把其他所有元件(包括激光器、检测器和信号处理器等)组装在一小块与光纤可以对接、祸合简单的小型集成片上。第3章M-Z干涉仪理论分析与应用本章我们首先用散射矩阵分析法和干涉分析法分析并数值模拟了光纤Mach-Zehnder干涉仪；其次，理论分析并数值模拟了光纤Michelson干涉仪；最后介绍了MaCh-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪在传感器方面的应用。3.1M-Z干涉仪的散射矩阵分析法3.1.1理论分析图3-1Maeh-Zehnder光纤干涉仪的结构示意图从结构上讲，集成纤维型的分插复用器(ADM)是由多个Mach-Zehnder光纤干涉仪组成的[26]。为了简化，我们仅分析其中的一个Mach-zehnder光纤干涉仪，它主要由两个3dB耦合器和两段光纤L1和L2构成。主要工作原理是利用其两臂的光程差不同波长的输入光信号，可以输出到端口3，也可以输入到端口4，如图4-1。两个耦合器的散射矩阵可表不为[26][27]。（3-1）其中，，k1和k2分别是藕合器1、2的耦合系数，z1和z2分别是器件的熔锥区的有效耦合长度。而中间的两个臂可用传输矩阵表示为：（3-2）式中为光纤中基模的传输常数，夕为两臂的几何长度差。3.1.2数值计算结果（1），k2z2取不同值时的情况我们对coupler2的k2z2取不同的值时对器件的归一化输出功率进行了数值分析。假设相邻信道间隔为0.8nm，器件的工作波长在1550nm附近，计算结果如图。图3-2不同k2z2对应的归一化输出功率（2）臂长差的漂移对输出功率的影响现在我们分析两个臂长差的漂移v况对器件的影响"假设两个臂长均为10cm，两个耦合器均为3dB，考虑两臂长漂移0-250nm的范围内，相对变化量为0-2.5*10-6,这个量相当于两个臂的温度差约为5-10k，光纤的温度系数约为(0.2—0.5*10-6/k)，我们就两臂长差在0-250nm之间漂移对输出功率的影响进行分析计算，结果如图：图3-3不同的对应的归一化输出功率图3-3是不同的臂长差漂移所引起的归一化输出功率漂移，从左到右的四条曲线依次对应漂移分别为0nm，100nm、200nm、250nm。3.2M-Z干涉仪的干涉分析法3.2.1理论分析全光纤Mach-Zehnder干涉仪（见图3-1）假设两藕合器Cl和C2能量分光比分别为k1，k2。两耦合器起着光分路的作用，在忽略所有损耗的条件下，我们只考虑了某个偏振方向的耦合，,在忽略各自的双折射和偏振态演化的前提下，自port1输入的单位光强的光，考虑到光纤藕合器两个输出端的信号存在的相位差（即耦合臂中的光波的相位与直通臂中的光波的相位），自port1输入的单位光强的光分为两列光波，经耦合器coupler2后在端口3和端口4输出的干涉光场可表示为：（3-3）（3-4）相应地，其输出的光场强度表达式：（3-5）（3-6）下面主要讨论全光纤Mach-Zehnder干涉仪端口4处的输出谱几。两个藕合器的分光比、两臂的臂长差取不同值时，这两种类型的器件将具有不同的输出谱线。3.2.2数值计算结果（1）情况如果两个耦合器的分光比相等，取分别为0.1，0.15，0.3，0.5：在模拟中取臂长差，图4-4为T4在K取不同值时的输出谱线变化情况，可见在谱线的波长域也是由一系列等间距的透射峰组成，k取值不同，T4的周期保持不变，输出功率发生了改变，消光比也改变。选择不同的k值，会有不同的输出的功率。图3-4k取不同值时port4输出谱线（2），取不同值情况当时，。图4-5为在k2取不同值时随的变化曲线，可见其透射峰位于的整数倍位置上，当k2取值从0.1到0.5时，所得曲线的消光比依次增大，说明了在干涉理论中，其他的条件相同的情况下，相干光的振幅越接近，其干涉越强烈，即消光比越大。图3-5T4在k2取不同值时的随的变化曲线3.3M-Z干涉仪应用3.3.1光纤温度传感器光纤测温是20世纪70年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比具有很多优点：光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电了装置和计算机相匹配，光纤工作频率宽,动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。光纤温度传感器按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性随温度变换的特点，进行温度测定。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用，以避开测温区域复杂的环境，对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的"这类传感器由于存在光纤与传感头的光祸合问题，增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰较敏感。下面介绍几种主要的光纤温度传感器[6]。1.分布式光纤温度传感器。分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。分布式光纤温度传感器是基于瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射二种分布式温度传感器。2.光纤光栅温度传感器。光纤光栅温度传感技术主要研究Bragg光纤传感技术。根据Bragg光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生“波长移位”的原理制成光纤光栅温度传感器。3.光纤荧光温度传感器。光纤荧光温度传感器是目前研究比较活跃的新型温度传感器。荧光测温的工作机理是建立在光致发光这一基本物理现象上。出射的荧光参数与温度有一一对应关系，通过检测其荧光强度或荧光寿命来得到所需的温度的。4.基于弯曲损耗的光纤温度传感器。基于弯曲损耗的光纤温度传感器利用硅纤芯和塑料包层折射率差随温度变化引起光纤孔径的变化、光纤的突然弯曲引起的局部孔径的变化的原理测量温度。国内主要是对光纤的弯曲损耗与入射波长、弯曲半径、弯曲角度、弯曲长度!光纤参量和温度等的关系做了一些研究。5.干涉型光纤温度传感器。干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、Sagnac干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。3.3.2全光纤Mach-zehnder干涉仪的温度传感本节介绍全光纤Mach-Zehnder干涉仪用于测量温度传感器。应用M-Z干涉仪作传感测量时，通常采用以下两种光源，一种是用激光器作光源,通过观察干涉条纹的移动，从而感测相应的物理量。另一种是应用宽带光源,用锁相放大器记录相位的变化，但它只能在0-之间变化，从而限制了测量范围。我们用宽带光源作输入光源，用光谱分析仪对实验进行观测。采用波长定标方法,克服了测量范围小的不足，跟踪某一特定相位的移动对应波长的变化。图3-6为全光纤Mach-zehnder干涉仪的温度传感实验示意图。宽带光源(BBS)发出的光经过Mach-Zehnder干涉仪，然后由光谱分析仪(OSA)输出，其最小分辨率为0.1nm。实验中臂长差约为3.lmm。PC为一偏振控制器,其作用是调节光的偏振态以改变光的消光比"我们把干涉仪的一个臂用作参考臂,使其处于室温的温度，另一个臂取30cm放入恒温的水箱中，通过调节水箱中的温度以达到改变测量臂所处的温度，进而改变干涉仪中干涉光的相位。其结果表现为干涉仪的光功率谱线平移，由此可以感测测量臂相应温度的变化。干涉仪的两臂长分别为L1.和L2。水箱为DKB-501A型超级恒温水箱，测量范围0-90.0℃，精度为0.1℃。图3-6全光纤Mach-Zehnder干涉仪的温度传感实验示意由于全光纤Mach-Zehnder干涉仪对温度变化、空气流动!机械振动等外界的环境的扰动非常敏感，在实际实验中存在许多不确定性，必须加以稳定。为此对实验系统中所用的干涉仪采取了稳定措施，将大约2米长的两臂尽可能近的环绕起来，并封装在一个密封的盒中,尽可能保证相位差的改变仅由测量臂端的恒温水箱的水温变化引起。图4-7(a)是测量臂处于室温26℃中未放入水箱时干涉仪的频谱特性，两相邻最大值波长差为0.52nm,消光比为15dB。实验测得，当温度在26℃一80℃范围内变化时，干涉谱线向长波方向移动（若干涉仪的另外一个臂加热时，干涉谱线则向短波方向移动）。干涉仪对温度的响应很灵敏，在环境不变时，实验结果具有很好的重复性。图3-7为五个典型温度值对应干涉仪谱线的移动情况，波长调节范围0.957nm,对应干涉仪相位改变约。图3-7各种温度时Macch-Zehnder干涉仪输出波形我们对实验中各温度下Mach-Zehnder干涉仪输出波形比较,并对所对应的谱线的波长，以及各谱线波峰间隔进行测量。图3-8给出了干涉谱的某一特定波长随温度的变化关系，十字形符号表示实验结果。从图中得出了波长移动与温度成较好的线性关系，线性拟合度为0.972，温度灵敏度为1.7nm/100℃。图3-8特定测量波长的移动与温度的关系参考文献王化祥，张淑英．传感器原理及应用(第3版)[M].天津大学出版社，2007，2：244-250．刘爱华，满宝元．传感器原理与应用技术[M]．人民邮电出版社，2006，10:181-187李开成，叶妙元等．从电磁式电压互感器到光学式光纤电压互感器[J]．变压器，1995，（11）：6-8．孟庆尧，赵勇，郑明．干涉型光纤应变传感技术的发展与应用[J]．光电子技术，2005，（9）：171-173．周旭．现代传感器技术[M]．国防工业出版社，2007．1．160-166．TangXiaoqi，TangJi．ResearchonSchemeofPhaseCarrierModulationandDemodulationofMaeh-zehnder0PtailFibernterferometer．ACTAMETROLOGICASINICA，2002，23(1)：10-12．门诊系统数据表结构说明书注：此结构文档为文档完成当前时间的标准数据结构。因系统不断升级，数据结构也相应地升级，因此，当前数据结构以DATA文件夹下的数据结构文件（.XML）为准。MZ_BH门诊病人登记表序号列名中文名称类型长度小数充许为空自动增加备注1LSH流水号int40002GHRQ挂号日期int00103RQ日期tinyint10104MZH门诊号varchar150105XM姓名varchar400106ICYEIC余额money84107GHLB挂号类别tinyint10108KSBM科室编码varchar100109YS医生varchar1001010RYCS初复诊tinyint101011ZD诊断varchar1601012XB性别varchar201013FB费别tinyint101014CSRQ出生日期datetime831015SFZH身份证号varchar1801016JTZZ家庭住址varchar3001017cJTZZ详细家庭住址varchar5001018CBH参保号varchar2001019GHBHIC卡号varchar2001020HTDW合同单位varchar1001021QT备注varchar2001022STATE状态tinyint001023FZYS分诊医生varchar1001024BQJL病情记录image001025FZCXint001026GHXH挂号序号smallint001027XXZD详细诊断varchar5001028ICDFLAGtinyint101029YETZ婴儿体重smallmoney001030LXDH联系电话varchar1001031BRTW0money001032BRFR1int001033DBRDHvarchar2001034DBRXMvarchar1001035DBRXBvarchar201036DBRCSRQint001037DBRSFZHvarchar3001038BRFR0int001039GZDW工作单位varchar5001040PHONE工作单位电话varchar2001041MZ民族varchar1001042SF身分varchar1001043BSLQK病生理情况smallint0010STATEBIT0:0=候诊1=就诊;BIT1:0=未分诊1=已分诊;BIT2:0=未挂号1=已挂号;BIT3:0=未退号1=已退号;BSLQK:病生理情况bit0:孕妇bit1:肝功能不全bibt2:肾功能不全bit4:哺乳期bit5:严重肝功能不全bit6:严重肾功能不全MZ_BL门诊病历序号列名中文名称类型长度小数充许为空自动增加备注1MZHvarchar150002ZYHvarchar150103XMvarchar400104XBvarchar20105FBtinyint10106CSRQdatetime83107SFZHvarchar180108JTZZvarchar300109cJTZZvarchar5001010RYCStinyint101011CBHvarchar2001012GHBHvarchar2001013QTvarchar2001014HTDWvarchar1001015PRNPAGEtinyint101016PRNCOLtinyint101017PRNROWtinyint101018GMvarchar5001019YETZsmallmoney001020LXDHvarchar2001021GZDW工作单位varchar5001022PHONE工作单位电话varchar2001023MZ民族varchar2001024EMPI居民健康档案唯一索引varchar5001025BSLQK病生理情况smallint0010MZ_CF门诊处方明细表序号列名中文名称类型长度小数充许为空自动增加备注1SFIDint40002CFIDint40103BM编码varchar200004YL用量money00105ZL总量money92106CS次数varchar100107YF用法varchar100108DJ单价smallmoney44109FY费用money841010FYLB费用类别smallint101011STATEtinyint101012ZRL折让率numeric961013YFDJ用法单价smallmoney001014YFFYLB用法费用类别smallint001015YFFY用法费用money001016XH序号smallint001017LX类型tinyint001018TS天数tinyint001019CLLB处理类别tinyint001020YFCLLB用法处理类别tinyint001021SQDH申请单号int001022SM说明varchar2001023CFYLDWLX处方用量单位类型tinyint101024CFYLDW处方用量单位varchar401025CFZLDWLX处方总量单位类型tinyint101026MGROUPIDint001027ZXBZ专项标志int001028ZSZH注射组号smallint001029F_PRINT打印标志tinyint001030CFMC处方名称varchar10001031ZXKS执行科室varchar1001032YDJ原单价money0010STATEBIT3-0(数字):;0=西药1=中药;2=注射3=检查(当BIT7=1时有效);BIT6:0=总量使用剂量单位;BIT6:1=总量使用包装单位;BIT7:;0=收费员录入的项目;1=医生录入的项目;;ZXBZ:bit0:是否专项;bit4:是否自备bit8:是否组合项目bit9:是否试敏（仅对医生站有效）Bit10:是否门诊治疗项目组合bit11:协议处方F_PRINT:bit0:注射单是否已打印(在注射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