基于频率扫描干涉法的光纤干涉仪臂长差测量方法研究

摘要

由于结合了高灵敏度和易于复用成阵的优点，基于Michelson干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪的干涉型光纤传感技术被广泛应用于物理、化学和生物参量的监测。在许多应用情况下，臂长差都是光纤干涉仪的一个基本参量。臂长差的长度不仅影响单一传感器的传感性能，而且影响着传感器阵列的一致性。一些复用技术是依赖于对干涉仪臂长差进行精确设定而实现的。随着光纤传感技术的发展，如何设计测量范围大、精度高、结构简单和稳健性强的光纤干涉仪臂长差测量系统一直是不断在进行研究的问题。　　本文基于频率扫描干涉技术，设计了一种使用方便、测量范围大和精度高的光纤干涉仪臂长差测量结构，能够实现对光纤干涉仪的无损测量，主要研究工作体现在：　　（1）对频率扫描干涉技术进行了研究，结合光纤干涉仪臂长差测量这一具体应用情况，提出了一种新的光纤干涉仪臂长差测量结构，发展了基本的频率扫描干涉测量原理，为后续装置搭建提供基础。　　（2）对光路和机械结构进行了设计，通过对关键器件选型和线路布置搭建了光纤干涉臂长差测量系统。编写了软件控制程序，包括位移台驱动程序和激光器与采集卡同步控制程序，实现了信号准确方便地采集。　　（3）编写了信号的初步处理程序，对可应用于本实验系统的精确的位相变化量提取方法和参考干涉仪臂长差改变量的测量方法进行了研究，以便对臂长差测量系统的测量精度进行提升。　　（4）分别使用频率扫描干涉法和本文研究方法对拥有不同臂长差的光纤干涉仪进行了测量，验证本实验方法的有效性。计算了测量结果的不确定度，并且对系统中不确定来源进行了分析，以便后续精度提升工作提供指导。　　基于以上工作，本文所述光纤干涉仪臂长差测量方法在50cm～50m的测量范围内实现了4.9×10-6Lmea（1σ）的测量不确定度，并且没有使用复杂的数据处理方法与笨重昂贵的光学仪器。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究要解决的问题

1.4 本文拟达到目标

第2章 光纤干涉仪臂长差的测量原理

2.1 频率扫描干涉理论

2.2 传统频率扫描干涉法的实施方法及其限制

2.3 使用参考干涉仪的频率扫描干涉技术

2.4 本章小结

第3章 全光纤干涉仪臂长差测量系统的设计

3.1 光路结构设计

3.2 测量系统软硬件设计

3.3 全光纤干涉仪臂长差测量系统性能测试

3.4 本章小结

第4章 位相变化量与光程差改变量获取方法研究

4.1 数据的去噪处理

4.2 位相变化量的获取方法

4.3 参考干涉仪两臂光程差改变量的精确测量

4.4 本章小结

第5章 实验与结果分析

5.1 臂长差测量对比实验

5.2 臂长差测量不确定度实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢