物理光學(xué)大作業(yè)題目基于光纖馬赫-澤德干涉的測(cè)力方法設(shè)計(jì)班號(hào)號(hào)*******學(xué)******************學(xué)生姓名哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要：設(shè)計(jì)了一種利用光纖馬赫—澤德干涉的測(cè)力的方法。固定在彈性元件上的光纖隨彈性元件的受力形變而發(fā)生形變，從而引起相位的變化。由相位的變化可以得出形變的大小，再根據(jù)胡克定律，可得彈性元件受力大小。關(guān)鍵詞：光纖馬赫—澤德干涉；測(cè)力；胡克定律1引言自1881年邁克爾遜發(fā)明邁克爾遜干涉儀以來，將光的干涉現(xiàn)象用于測(cè)量變干涉儀等一些干涉儀。這些干涉儀與1960年出現(xiàn)的激光結(jié)合能提供一種前所未有精確、快速、非接觸的測(cè)量。上述干涉儀的干涉光路就可以構(gòu)成相應(yīng)的光纖干涉儀。因素的干擾，如溫度，壓力等，這些變化會(huì)導(dǎo)致光波參數(shù)(強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等)發(fā)生變化。于是可以通過測(cè)量光波參數(shù)的變化，就可以知道外界物理參數(shù)的變化，由此就產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。2光纖傳感器簡介轉(zhuǎn)換成光波的變化。實(shí)際上，只要能使光波強(qiáng)度、頻率、相位和偏振態(tài)四個(gè)參數(shù)測(cè)出被測(cè)量。這便是光纖傳感器的基本工作原理。光纖傳感器可分為光強(qiáng)調(diào)制，相位調(diào)制，偏振態(tài)調(diào)制和頻率調(diào)制四種形式。其中常用的是光強(qiáng)調(diào)制和相位調(diào)制。按光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器又分為功能型傳感型、非功能型傳光型)傳感器。[1,2]各種光纖傳感器的類型及分類如表1所示。[1]表1干涉型aaaaa器調(diào)制光纖-1-b強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器bbbbb非干bab型纖振bb器光頻b傳調(diào)感制b:光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有著一系列優(yōu)點(diǎn):1)高靈敏度。例如馬赫—澤德光纖干涉儀能檢測(cè)到0.1的相位差，若光源的波長為1相當(dāng)于光程差。，2)抗電磁干擾。由于光纖傳感器檢測(cè)系統(tǒng)不傳送電信號(hào)，因此，光信號(hào)在傳到了廣泛應(yīng)用。3)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、耗能小。4)電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。光纖是化學(xué)性能穩(wěn)定的高絕緣物質(zhì)，且敏感元件可以做成電絕緣和電無源元件。5)不存在漏電和電擊的危險(xiǎn)。[2]3普通光纖干涉儀結(jié)構(gòu)與原理簡介3.1光纖邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)與原理光纖邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡會(huì)DCM1，當(dāng)測(cè)量光一臂的反射鏡M2發(fā)生移動(dòng)，干涉條紋（干涉信號(hào)的相位）就要發(fā)生變化，輸出光強(qiáng)的表達(dá)式為(1)因此，可以通過判斷相位的變化來對(duì)外界物理量進(jìn)行測(cè)量。[3]-2-圖13.2光纖薩格納克干涉儀結(jié)構(gòu)與原理光纖薩格納克干涉儀結(jié)構(gòu)與原理如圖2樣。相位差（稱薩格納克相移）(2)式中—光纖的長度；—光纖環(huán)的直徑；—波長；—真空中光速；—角速度。通過對(duì)相移測(cè)量來得到轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。[3]圖23.3光纖馬赫—澤德干涉儀結(jié)構(gòu)與原理光纖馬赫—澤德干涉儀結(jié)構(gòu)與原理如圖3所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器-3-DC1，將光束一分為二，光纖一臂為信號(hào)臂，另一臂為參考臂。外界信號(hào)作用于信號(hào)臂光纖。再經(jīng)過耦合器DC2進(jìn)行干涉，干涉光照到探測(cè)器上，光強(qiáng)表達(dá)式分別為(3)(4)式中—入射光的光強(qiáng)；—耦合器的耦合系數(shù)；—外界信號(hào)作用于信號(hào)臂后產(chǎn)生的相位差。通過對(duì)干涉信號(hào)相位的提取來獲知作用在信號(hào)臂上外界物理量的變化。[3]圖34測(cè)力元件結(jié)構(gòu)這些變化將導(dǎo)致光纖中光波的相位發(fā)生變化。圖4。-4-圖45數(shù)學(xué)模型彈性元件受力發(fā)生形變，由胡克定律可得(5)式中—彈性元件的伸長或壓縮的量；—彈性元件所受的力；—彈性元件的長度；—彈性元件材料的楊氏模量；—彈性元件的橫截面積。光波通過長度為L的光纖后，出射光波的相位延時(shí)為(6)式中—光在光纖中的傳播常數(shù)；—光在真空中的波長；—光在光纖中的波長；n—纖芯的折射率。-5-光纖中的光波在外界因素的作用下，其相位的變化為[2](7)式中—纖芯的半徑。效應(yīng)引起的相位變化僅為總量的，可以忽略。各向同性光纖材料，不考慮泊松效應(yīng)，可得(8)式中；；—光纖的光彈系數(shù)。當(dāng)有N段光纖時(shí)，相位的變化為(9)結(jié)合胡克定律可得相位變化于力的關(guān)系式(10)所以(11)由此，可由測(cè)量出的相位變化得出作用在彈性元件上的力的大小和方向。6測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在光纖馬赫—澤德干涉儀的測(cè)量臂上接入光纖傳感器，用于獲得力信號(hào)并臂相位變化信號(hào)的承載信號(hào)，進(jìn)行相位調(diào)制，并采用零差調(diào)節(jié)法進(jìn)行解調(diào)。-6-干涉光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，再經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡妷盒耪麄€(gè)系統(tǒng)的如圖5所示。[3]圖5參考文獻(xiàn)[1]楊杰．兩種雙光束干涉型光纖傳感器的研究．山東：山東大學(xué)，2008：7，．[2]趙新秋．用于軋制力測(cè)量的微分光