基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计.pdf

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南京航空航天大学硕士学位论文基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计姓名：

卢坤申请学位级别：

硕士专业：

测试计量技术及仪器指导教师：

梁大开20050201南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文基于力学教学实验改革工程背景，详细介绍了一种将基于光纤的迈克尔逊干涉现象的光纤传感器应用于应变测量实验系统的整体的设计过程，其中包括系统设计原理的总体分析，系统的软硬件的设计等等内容。

在本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为在本试验系统的设计上采取了基于迈克尔逊干涉原理的光纤传感器作为应变测量的首选。

但是相对与传统的电阻应变片测量试件的微应变的方法，光纤迈克尔逊传感器测量应变有其自身的缺点，第一无法对应变的类型有一个明显的指示，这就要求在后续的信号处理电路中给出如何判定应变方向的实现方法。

第二由于从根本原理上说应变的信号的比较的弱，导致给信号的处理也带来的麻烦，本文给出了如何提高信号的信噪比的方法。

本文首先介绍了光纤迈克尔逊干涉现象的基本原理，以及光路传感系统的实现，包括光源器件工作的电路设计与调试，测量系统的构建以及如何提高信噪比的方法。

其次，讨论了对传感信号的处理，包括对信号的整形放大，采集，对应变方向的判定以及信号的由下位机如何传输到上位Pc机的方法。

在其中涉及到了单片机的选型，电路的设计，CPLD的程序设计，单片机程序设计，最后讨论了用LabView软件编写了上位机的程序，包括信号的实时显示，应变大小的计算以及实验数据的报表生成以及打印等内容。

最后在此基础上，利用以上的一些成果，初步探索了如何使用光纤F-P传感器实现应变的测量。

关键词：

迈克尔逊干涉单片机光纤传感器判向电路基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计ABSTRACTInthispaper，weintroduceonedesignofastrainmeasurementsystem，whichisbasedontheFiber-optieMiehelsoninterfererphenomenaThetheoryofthesystemandhowtodesignthesoftandhardsystemalealsodiscussedinthepaperAtfirst，wediscussedthetheoryoftheMichelsonfiberopticalsensor，givingthewaytorealizethelightsystemincludingthecircuitdesignofthelaserandlightdetector，showinghowtoorganizethewholemeasurementsystemandhowtoimprovethequalityofsignalSecondlywediscussedhowtodeal埘廿lthesignalsuchasthesignalsmagnifyhowtoacquirethesignalanddeterminethedirectionofthestrainBesidesthese，wealsodiscussedhowtotransmitthesignalacquiredtothePC，andhowtoprocessitInordertorealizethesystem，wechoosethepropermicrocontrollerandCPLDandprogramthecodeAstothePC，wewroteaprogramtoshowthesignal，thenumberofstrainandthestraindirectionandSOonKeywords：

MiehelsonMCUfiberopticalsensor承诺书本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

作者签名：

日期：

南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论11光纤传感器及其研究现状现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。

在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其转变、传输和处理进行社会活动。

传感器是感知、获取、检测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置，被比喻为电子计算机实现电脑智能化的“五官”。

可以设想没有高度保真和性能可靠的传感器，纵有再好的传输和处理设备也无法发挥作用。

因此，传感器是实现信息化时代的主要技术基础。

光纤传感器是光、电子技术的新结晶，它的出现标志着传感技术的研究进入了一个崭新的领域。

光纤传感器作为一种新型先进的传感器出现在人们面前时，它以其独特的优点引起了人们对它的见钟情”，光纤传感器的一个突出的优点是在整个光纤长度上能连续地获得被测量的响应。

传统的几百个传感器阵列可以用一条光纤取代，由数百条电缆、许多二级控制中心和主控制室组成的复杂电器系统也可以由光纤和简单的控制器件组成。

如今，光纤传感器已经普遍用于各种物理量的测量，它具有许多独特的优点，诸如抗电磁干扰，结构轻巧，对材料结构本身的性能影响比较小的优点，广泛的应用于很多物理量如温度，湿度，应力，电流等的测量，是一种行之有效而且可靠的途径。

在未来的科技领域中将占有越来越重要的地位。

光纤传感器经历了70年代到80年代的起步阶段和发展阶段，这期间设计、研制了一些高性能、用途各异的传感器，有些已投入使用。

到了90年代初光纤传感器的研究进入了暂缓阶段，光纤传感器的稳定性的提高与成本的矛盾限制了它的广泛应用。

今天的光纤传感器进入了提高阶段，人们在探索新的光纤传感器的构成机理的同时，把研究的重点放在提高它的某种性能上，如提高精度、分辨率或抗干扰能力等。

自90年代以来，我国已有许多高校对光纤传感器进行了应用研究，并发表了大量的论文等研究成果。

光纤传感器埋入水利及土木建筑等可作为传光器件来代替电缆用于通讯、监控、办公自动化等，同时还可作为传感器件用于结构强度的监测和损伤预报，甚至进行损伤的自修复。

三峡大坝将埋入光纤传感网络对大坝内的应变、应力以及温度等物理量进行监测。

基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计光纤传感网络系统是利用光纤传输容量大的特点，结合多个不同类型的传感器组成的网络系统。

分布式光纤传感器与光纤蒙皮系统的研究是这种光纤传感网络系统在目前的最新应用和发展。

其中光纤智能蒙皮技术将首先运用到空间飞行器上，它把分布式光纤传感器阵列同计算机有机结合起来，这项技术的研究成功将使光纤传感技术的应用范围更广，3，4-51。

随着信息产业的迅猛发展，如机器人的深入研究、超大规模集成电路的芯片制作与定位等对传感器的性能要求越来越高，从而对光纤传感器进一步研究再一次成为热点。

光纤传感器的研究进入应用阶段，具有重大的实际意义。

12几种光纤应变传感器光纤传感器的种类繁多，就其检测对象可分为：

温度传感器、湿度传感器、速度传感器、磁场传感器、流量传感器以及力学量传感器等。

在此简单介绍与本文所研究的力学量传感器相关的几种光纤应变传感器：

（1）光纤微弯应变传感器光纤承受压力后会改变弯曲度，使得通过光纤中的一部分光产生散射损耗。

实际上光纤微弯后的影响因素是很复杂的，如它的折射率、断面形状、光轴都匿叫卅h一啦光学准直器j霉肄遁镜检偏镜l4波片。

带有光纤的复合材料。

图11偏振型光纤传感器原理图，将产生变形；同时还要产生双折射现象，引起数值孔径的变化。

为了适合埋入复合材料中使用，可以采用光纤本身纵横交错排列的方法，利用光纤本身的尺寸制成光纤微弯传感网络。

也可用两根光纤紧密绞合的传感元件，利用它可以做成智能结构中的测量应变的传感器。

两根光纤沿着长度均匀地弯曲，光通过时，一部分被散射产生损耗，当它承受应变时，绞合光纤曲率减小，损耗也就减小，从而可以根据光强度的损耗来确定应变值。

（2）偏振型光纤应变传感器16如上图11所示的是一个偏振型光纤传感器在测量复合材料的微应变的系统中的应用，从中我们可以看到偏振型光纤传感器的基本构成。

它采用激光二极管作为光源，通过光学准直器、l，4波片，再经透镜聚焦后进入埋入复合材料南京航空航天大学硕士学位论文中的光纤，当复合材料出现应变后，将使光纤产生变形劳改变纤芯的折射率，从而改变在光纤中传播偏振光的相位，光纤出口处的光相位发生改变，通过透镜、检偏镜、光敏管，可检测出这种改变量，从而确定复合材料的应变值。

（3）Bragg光栅光纤应变传感器71光纤Bragg光栅的制作与应用是近年研究的热点。

光纤Bragg光栅是在长度上应用特殊技术制作成纤芯折射率周期变化的一段光纤。

光通过光栅时，由于纤芯折射率的周期性变化而产生反射。

Bragg光栅光纤应变传感器是适用于智能复合材料中使用的一种准分布光纤应变传感器。

（4）法布里一珀罗腔干涉型（FP）应变传感器18，R。

oj光纤FP应变传感器的特点是图12内法布里一珀罗腔应变传感器采用单根光纤利用多光束干涉来图13法布里一珀罗光纤应变传感检测应变。

它避免了两根光纤配对的问题，比迈克尔逊型干涉型应变传感器更适合于低频率应变信号的测量。

因此，这种传感器从80年代诞生至今一直是主要的开发和研究对象。

FP光纤应变传感器可分为内、外两种。

图12、图13分别为内F-P应变传感器、外FP应变传感器结构示意图。

当激光经过光纤的端面的时候会发生反射，如果在外界条件的作用下，FP传感器的传感腔长将发生变化，那么从端面返回的光束就会产生一定的相位差，从而满足干涉条件，发生多光束干涉，那么从光探测器输出的光强也就会有一定规律的变化。

因此这种光纤传感器非常适用于试件的疲劳度测量、悬臂梁的微应变测量以及布入复合材料本身形成内在的传感网络。

（5）光纤迈克尔逊干涉仪（MI）应变传感器111,12图14光纤迈克尔逊干涉仪基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计如图14所示，这是一个最简单的光纤迈克尔逊应变传感器。

光源s发出的光，经过分光镜后分成两路，一路经透镜L2耦合进入光纤构成参考光，另一路经透镜L1耦合进入光纤构成信号光，被测表面变形使传感光纤长度发生变化，则光在光纤内部传输时的相位发生变化。

光纤的端面都均匀的镀了一层反射膜，两束光被反射后反向传输，当它们相遇时发生干涉，干涉光的相位差由被测面的应变决定，即干涉光强受到被测试件的应变的调制。

干涉光信号经光电管接收转换成电信号。

通过的对光信号的相应的处理我们就可以得到相应的应变的大小。

这种传感器的特点其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，因此基本上不受环境变化的干扰；其二是光的发射与接收在同一侧，属于单端操作。

使用时既可放在被测试件的内部形成智能材料，也可放在粘贴在被测试件的外部。

本文的光纤应变传感测试系统就是基于此原理研制的。

13本文的研究内容意义和目的本文的主要内容是利用光纤迈克尔逊干涉现象的基本原理来设计一种光纤微应变测量的试验系统光纤迈克尔逊干涉应变测量系统，此系统用于材料力学试验应变的测量。

131本文的研究内容：

一研制出光纤迈克尔逊传感光路系统，将其粘贴在实验件（纯弯梁或者等强度梁）上，调节电路以及对传感部分和电路部分做相应的改进，得到幅值较大，信噪比相对较高的信号。

二利用单片机主要是TI的新型的适用于仪器仪表的16位单片机MSP430F149，Altera的CPLD芯片以及相应的外围信号处理芯片实现信号的整形调理、采集处理以及应变方向的判定，并实现从单片机到上位机PC的传输。

三利用LabView图形化编程软件编写上位机的程序，实现PC从下位机MSP430F149接收数据，并借助LabView丰富的子函数以及强大的数据处理功能实现信号波形的“实时”显示，应变方向的显示，以及实验窗口界面的设计。

四在本系统的硬件电路的基础上对基于光纤FP传感器的应变测试系统信号的采集传输等做了一定的有益尝试，并且取得了一定的效果。

132本课题的意义：

光纤传感器是一种先进的传感器件，通常给人的感觉是神秘的而且理论高4南京航空航天大学硕士学位论文深，信号的解调装置复杂昂贵，加之一般的光纤传感器易于损坏，价格较高，因此在一般的教学实验环节学生的实验还是采用的传统的应变片来进行力学量的测量实验。

由于基于迈克尔逊干涉原理的光纤应变传感器相对于其他的各种光线传感器而言，工作原理简单，可以重复实验，信号的解调装置简单，因此非常适合在学生的力学实验中推广，这样可以让学生尽早的接触和认识它，让学生对光纤传感器有一定的感性认识。

将光纤迈克尔逊干涉系统引入实验教学，可在教学中直接的反映光纤传感技术的展新进展，让学生了解和掌握光纤、光电子技术基本应用和实验技能，这也是充实和提高物理光学实验教学的理想素材。

将光纤FP腔传感器应用于传统的力学量的测量，有利于拓宽学生的思路，丰富学生的测量技能，有利于通过两种不同的光纤传感器工作原理的比较使学生更深入的理解光纤传感器的特性。

14本章小结在本章中首先阐述了国内外光纤传感器的研究现状，指出了光纤传感器作为一种新型的传感器其优于其他传统型的传感器的地方。

于此同时介绍了几种比较常见的光纤传感器，简明扼要的阐述了这几种常见的光纤传感器的工作的原理。

最后给出了这个课题的目的研究内容以及实际的意义，指出这是一套学生试验系统，其目的是在锻炼学生的动手能力的同时增加学生对光纤传感器这样新知识，新事物的了解。

基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计第二章迈克尔逊干涉传感系统原理及光路设计21光的干涉原理当两束或多束频率相同，振动方向一致光波在空间叠加时，叠加区域内出现稳定的强度重新分布现象，叫光的干涉现象。

光波是电磁波，可用麦克斯韦方程组来描述。

由于仅仅电场强度矢量五引起人眼视觉效应，使照相底片感光，并使各种光电器件反应，因此在研究光学问题时，通常只考虑E，并称之为光矢量。

由于在各向同性介质中E的振动方向总是与光波的传播方向垂直，因此光波呈现横波性。

光的干涉理论实质上是建立在电磁场的线形叠加原理上的，按线性叠加原理，由几个不同的电磁波源在真空中一点上产生的电场强度矢量E=E（I）+置2）十日3）+&4）+（2一1）罨，），臣：

），罨，），量。

）是不同的波源独立地在该点上产生的电场强度矢量。

E

（1）=置】）expi（k：

一at一4）（2-2）E

（2）=E2expi（k2rat一疋）（2-3）211光干涉的基本理论2111干涉条纹的强度分布理想的频率和初始相位角稳定的光波可用（23）式表示。

考虑角频率同为珊的两列线偏振平面波的叠加，即E（11+E

（2）=E（11expi（kl，一at一点）+E2expi（k2，一at一万2）（2-4）应用三角函数变换得E=E

（1）+Et2）=Acos（atJ）其中A2=a?

+d；+2aIa2cos&I一82）占=arctan笙訾睾坚磐（25）t：

，COSO-+a，cosO，南京航空航天大学硕士学位论文q，口：

分别为臣。

），&：

）的光振幅，0为合成振幅。

，为场点的位置矢量：

k为波矢量；4和岛分别为两列平面波的初位相差。

此时，合成波也是互相干的。

由于场中一点的光强正比于该点上的电矢量振幅的平方，即q，=J=去坩IEl2（2-6）Z式中S为坡印廷矢量；v为波的传播速度；占为介电常数。

若仅仅考虑，的相对值时，可以认为，=fEf2，因此，两单色平面波所产生的合光强为，刊E12=EE+=（臣1）+E

（2）（E+

（1）+E+

（2）=lEI12+I岛12+2E1E2cosO=l+，2+2，1LcosO（2-7）式中：

0=kl，一七2r+（占l一以）=r（k1一k2）+（西一62）（2-8）2i瓦一cos口项称为干涉项；臼称为位相差。

当（国一62）为常数时，两个波源是互相干的。

式（2-8）的最后一步是在假定E，与E：

的振动方向相同的情况下得出的。

此项表示：

依赖，的不同，使0变化，因而使，在空间产生周期性的变化，这种变化就形成干涉条纹。

显然，光强的极大值条件为r（klk2）+（占lJ2）=2mx（m=O，1，2，）（2-9）光强的极小值条件为：

，（七1-k2）+（匹一疋）=2（m+1）71（m=0,-+1，2，）（2-lO）如果初相位差（点一万：

）以无规则方式随机变化，两个波源就互不相干，结果使cos0的平均值为零，因而不发生干涉。

这就是用两个独立的（普通的）光源不能观察到干涉条纹的原因。

如果两列波为偏振波，则干涉项也取决于偏振状态。

当偏振态互相正交时，E，E，=0，也同样无干涉条纹。

这不仅对线偏振波，而且对圆偏振波以及椭圆偏振波也同样成立。

若，1=1：

=1。

，并且4=如，则在P点的位相差口=r（k。

一k2），因此P点的光强为基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计，_4小os2掣（211）可见P点的光强由两光波到P点的光程差决定。

大多数干涉装置属于上式的情形。

2112干涉条纹的方向、间隔和空间频率在式（24）中，假定（4一d：

）=0，则光强极大值形成的条件为，（kl一也）=2ran（2-12）式（28）是垂直于矢量膏=（-k：

）的平面族方程式，即极大值的空间分布，表明干涉条纹的方向垂直于矢量k。

因为频率相同，所以有限|-kl=竿，几所以露是两边为k，和k，的等腰三角形的底边【241。

这样，极大值平面就平行于A，和七，之间的内角平分线。

从第m级极大值平面到坐标原点。

的距离是=2xmIkl，干涉级次为m和m+l的相邻平面间的距离是图21两同频平面波的干涉仁I一_两2丽P=+。

一=2nkI=2n-Ikl-k：

I（213）而旧=ElkIsin詈=等sill詈，因此，干涉条纹的间距是e=丑（2sin詈），当w很小时，sinw*w，所以有P。

鲁（2-14）W式中：

WW是在相遇点处，两相干光之间的夹角；或两平面波阵面之间的夹角，叫相干光束的会聚角。

由于（215）与干涉仪的具体结构的几何参数无关，因此是一个普适公式。

干涉条纹的空间频率南京航空航天大学硕士学位论文。

：

三：

盟：

幽e2to222sin（w2）：

竺五五r215）2113干涉条纹的可见度干涉场中某一点P附近的条纹清晰程度可用干涉条纹的可见度g来度量，它的定义是孝2瓦1一nImin（2-16）式中：

L。

和L。

分别为P点附近条纹的极大值和极小值。

善=群畚=警”巳）l骂12+J巨12+L”12”“7式中：

口=|E|2IE：

12=，1：

是两相干光波的强度比：

P。

=E。

IF。

J是沿矢量巨方向的单位矢量，P：

=E：

lE：

I是沿矢量岛方向的单位矢量【”H15那。

212光干涉的基本技术2121产生干涉的条件1两叠加光波的频率相同；2两叠加光波有相同的振动分量；3两叠加光波的位相差恒定；4两叠加光波的光强不能相差过大。

2122影响干涉条纹可见度的因素由前面干涉条纹可见度的定义以及式（217）知：

当I。

=0时，孝=l，可见度有最大值，条纹最清晰，这种情况称为完全相干；当Im。

=。

时，舌=0，条纹消失在背景光中，这是非相干情况；一般0lm。

，一时，条纹的可见度0f1，称为部分相干。

条纹的可见度主要与以下几个因素有关：

1光源的大小：

2光源的单色性：

3两相干光波的振幅比；4两相干光的偏振状态；基于光纤迈克尔逊干涉现象的应变测量系统设计2,2光纤迈克尔逊干涉应变传感系统的基本原理光纤对许多外界参数有定的效应，光纤传感器就是利用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。

研究光纤传感器原理实际上就是研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。

外界信号可能引起光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等性质发生变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。

221应力应变效应的传感机理当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度（应变效应）、光纤芯的直径（泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应）都将变化，这些变化将导致光纤中光波的相位变化。

对于直圆柱光纤，采用圆柱坐标（，妒，z）系，光纤的轴线为z轴。

设阶跃型光纤中传播一平面电磁波，传播方向与光纤轴线（即g-轴）方向一致，记为甲（r，妒，：

）wr，伊，z）=掣o（r，妒）伸一雕（2一t8）式中，盯为角频率，为传播常数，、壬，。

（，庐）为横向场。

由式（2-18）知，光波通过长度为三的光纤后，出射光波的相位延迟为妒=工（2-19）式中，口为光波在光纤中的传播常数。

当光纤的长度或传播速度变化时，引起光波相位变化为伊=肚+LA,fl=肚咩）+嗟）An+嗟灿（2-20）LOa口、“J式中，妒为和引起的相位变化，口为光纤芯的半径。

式（220）中第一项表示光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应）；第二项表示感应折射率变化（光弹效应）引起的相位延迟；第三项为光纤芯的直径变化（泊松效应）引起的相位延迟。

一般说，泊松效应引起的相位延迟相对前面两项小得多，第三项忽略后，式（220）可写为妒：

三洋）+（娑）如（2-21）Lon根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变有如下关系：

南京航空航天大学硕士学位论文8f马屿A84挑战：

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暑：

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、暑：

是光纤的光弹系数：

只。

=三（异。

一忍：

）；蜀、岛是光纤的横向应变；岛是光纤的纵向应变。

在各向同性材料中，=毛