基于马赫曾德干涉仪的传感器应用

基于马赫曾德干涉仪的传感器应用

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

基于马赫曾德干涉仪的传

感器应用

课程名称：近代光学创新实验

院系：航天学院

专业：电子科学与技术

姓名：

学号：

哈尔滨工业大学

1 马赫曾德干涉仪的原理

马赫曾德干涉仪原理图如图1所示。结构上，马赫曾德干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。经过传输矩阵法分

析可得输出端的光强为

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[1]。

图1 马赫曾德干涉仪的结构

2 非平衡马赫曾德光纤干涉仪传感器的原理

来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经信号臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。当信号臂光纤因温度、应力等原因相对另一条参考臂光纤发生变化，引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。由于干涉条纹的数量可以反映出被测量,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可得到测量被测量的目的。

3 马赫曾德干涉仪传感器的应用

光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统

的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。光纤传感器就调制方式来分有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中马赫曾德干涉仪传感器属于相位调制型传感器[1]。各种光纤传感器中，马赫曾德干涉仪由于有抑制光源噪声和模式噪声的特点，在高精度测量中越来越受到重视[2]。马赫曾德干涉仪传感器主要是应用于温度和应力传感，由于温度变化可有电流、电压的变化引起，应力的变化可由磁场、电场引起，故马赫曾德干涉仪传感器也可以应用于磁场、电流、电压等领域的传感。

3.1 基于马赫曾德干涉仪的温度传感器

利用全光纤马赫-泽德干涉仪设计温度传感器的原理图参见图3。由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根长度相同的单模光纤。其中，参考臂光纤不受外场作用，信号臂放在需要探测的温度场中。同时，采用两个不同焦距的透镜以增强光的耦合程度。依据马赫曾德干涉仪的原理，由两个光纤出射的两个激光束在耦合出口处发生干涉，产生干涉条纹，经传感器接收后将温度变化时干涉条纹的变化规律传输到监视器，通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化[3]。

图3 全光纤马赫-曾德干涉仪温度传感器原理图

3.2 基于马赫曾德干涉仪的磁传感器

马赫曾德干涉型磁传感器包含2条光纤：一条作为参考臂，另一条作为传感臂。在传感臂光纤上外贴一条（或几条）或涂敷一层磁致伸缩材料，如镍条、金属玻璃等。在外界待测磁场中，磁性材料发生磁致伸缩效应，从而引起光纤产生形变，导致光纤中光程及折射率改变，使得光的相位产生位移，通过对信号光纤与参考光纤中的两路光进行相干检测得出光相位位移，经过数据处理最终测得外界磁场大小[4]。

图4 光纤磁传感器系统简图

3.3 基于马赫曾德干涉仪的电流传感器

全光纤马赫曾德干涉仪电流传感器的一个臂通过细金属套管，并接入电路，通过控制流过金属套管电流的热效应调节其温度，干涉仪的两臂长差进行调谐，引起干涉光相位的改变，实现了对电流的传感[5]。

图5 非等臂马赫曾德干涉仪的电流调谐实验示

意图

3.4 基于马赫曾德干涉仪的电压传感器

全光纤马赫曾德干涉仪电压传感器的一个臂粘贴在压电陶瓷上，通过压电陶瓷电致伸缩效应，拉伸（或压缩）光纤，引起干涉光相位的改变，实现了对电压的传感。其基本原理图与基于马赫曾德干涉仪电流传感器原理图类似[2]。

4 总结

马赫曾德干涉仪传感器具有结构简单、造价低廉、灵敏度高等优点，因此具有很大的应用价值。研究表明，光纤材料，尤其是护套和外包层材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大。比如，利用固定在光纤上的电致伸缩材料（如压电陶瓷），可构成压电传感器；若在光纤上镀以特殊的涂层，则可构成作为特定的化学反应或生物作用的光纤化学传感器或光纤生物传感器等等。马赫曾德干涉仪传感器具有广泛的应用前景，未来的发展值得期待。

5 参考文献

[1]陈勇, 王坤. 马赫-曾德尔干涉仪的应用研究[J]. 数字通信, 2012, 6: 008.

[2]黄勇林, 冯德军, 许兆文, 等. 基于全光纤马赫-曾德尔干涉仪的电压传感研究[J]. 传感技术学报, 2001, 14(4): 344-348.

[3]冯梦云, 黄霞青. 基于全光纤马赫—曾德干涉仪的温度传感器设计[J]. 科技资讯, 2012, 19: 079.

[4]刘吉延, 斯永敏. 马赫-曾德尔干涉型磁传感器[J]. 传感器技术, 2004, 23(1): 14-17.

[5]童峥嵘, 冯德军, 杨石泉, 等. 基于全光纤马赫—曾德尔干涉仪的电流传感研究Ξ[J]. 南开大学学报(自然科学), 2002, 35(3).