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） 白光非本征 Fabry-Perot 干涉型光纤微位移传感器的设计-毕业设计——自动化——测控技术与仪器-
毕业设计(论文)
白光非本征Fabry-Perot干涉型光纤微位移传感
器的设计
系 别 自动化工程系
专业名称 测控技术与仪器
班级学号 5080925
学生姓名
指导教师
2012年6月15日
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 1 页
摘 要
法布里-珀罗(F-P)光纤传感器是众多光纤传感器中重要的一个分支。相对于其它光纤传感器而言，其具有结构简单、体积小、成本较低、耐腐蚀等特点，可埋入建筑体作为定期检测使用，因此在大型建筑结构、复合材料、宇宙飞行器、军工产品等领域具有良好的应用前景。
本课题主要介绍白光非本征F-P 微位移光纤传感器的基础理论和主要性能指标，并给出的白光非本征F-P微位移光纤传感器总体方案设计。从光纤耦合和多光束干涉的原理出发，建立了非本征型法布里-珀罗干涉仪光纤传感器的理论模型。通过强度解调等方式对数据进行解调，并以虚拟仪器连接计算机对数据进行处理。
关键词:光纤传感器，非本征型法布里-珀罗干涉仪， 位移， 光谱
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 2 页
white-light Extrinsic Fabry-Perot Interferometric fiber
micro-displacement sensor design
Author:Chen Yushan
Tutor:Wang Qiaoyun
Abstract
Extrinsic Fabry-Perot interferometric(EFPI) fiber sensor is an important branch of optical fiber sensors. It is suitable for the applications in the building, composite materials, spacecraft, military, ect.fields, because of the advantages of simple structure, compact size, low cost, and corrosion-resistant characteristic.
This paper will describe the basic theory of white-light EFPI fiber micro-displacement sensors and key performance indicators, and then the white light of extrinsic f-p optical fiber micro-displacement sensor is designed. The theoretical model of EFPI micro-displacement fiber sensor is established based on the theory of optical fiber coupling and Fabry-Perot interference.
Key Words: fiber optic sensor, type extrinsic Fabry-Perot interferometer, displacement, spectral
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目 录
摘 要 ............................................................................................................................... 1
ABSTRACT .......................................................................................................................... 2
目 录 ............................................................................................................................... 3
1 绪论 ................................................................................................................................. 5
1.1 光纤传感器技术发展概述 ..................................................................................... 5
1.1.1 光纤传感器的特点 .......................................................................................... 5
1.1.2 光纤传感技术的发展过程 ............................................................................... 6
1.2 光纤传感器的分类 ................................................................................................. 7
1.3 光纤传感器研究的发展方向.................................................................................. 8
1.4 本文主要研究内容 ................................................................................................. 8 2 非本征法布里-珀罗光纤传感器的基本原理 ................................................................ 10
2.1 法布里-珀罗光纤传感器 ...................................................................................... 10
2.1.1 EFPI光纤传感器的典型结构 ........................................................................ 10
2.2 EFPI光纤传感器的干涉原理 .............................................................................. 11
2.2.1 EFPI光纤传感器的干涉模型 ........................................................................ 11
2.2.2 EFPI光纤传感器干涉对比度 ........................................................................ 14
2.3 微位移测量原理 ................................................................................................... 19
2.4 EFPI光纤传感器调制解调技术........................................................................... 20
2.4.1 强度解调
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
................................................................................................ 20
2.4.2 波长域光纤EFPI腔长解调方法 ................................................................... 23
2.4.3 EFPI腔的光强损耗分析................................................................................ 25
2.5 本章小结 .............................................................................................................. 26 3 EFPI光纤传感器制作与性能分析 .............................................................................. 27
3.1 传感器的制作 ....................................................................................................... 27
3.2 传感器测量范围的确定 ....................................................................................... 27
3.3 EFPI光纤传感器的误差分析 .............................................................................. 28
3.3.1 理论误差分析 ................................................................................................ 28
3.3.2 温度对EFPI的影响 ...................................................................................... 29
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 4 页
3.4 本章小结 .............................................................................................................. 30 4 EFPI传感器的数据处理 ............................................................................................... 31
4.1 GPIB接口总线的选取 ......................................................................................... 31
4.1.1 GPIB/USB总线的硬件原理 .......................................................................... 32
4.1.2 GPIB/USB总线的软件分层结构 .................................................................. 32
4.2 EFPI光纤微位移传感器系统程序 ....................................................................... 33
4.3 EFPI腔距实时监测程序 ...................................................................................... 34
4.4 最小均方误差估计算法 ....................................................................................... 34 结 束 语 ............................................................................................................................. 37
致 谢 ............................................................................................................................. 38
参考文献 ............................................................................................................................. 39
附 录 ............................................................................................................................. 40
附录A .......................................................................................................................... 40
附录B .......................................................................................................................... 53
附录 C .......................................................................................................................... 55
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1绪 论
作为一种重要的微位移检测装置，法布里-珀罗光纤传感器已日益引起有关方面的普遍关注，特别是在复合材料、大型建筑结构检测、宇航飞行器以及其它很多微位移测量中，F-P光纤传感器已成为广泛应用的微位移检测装置。因此F-P光纤传感器的设计具有十分重要的意义。本章阐述了光纤传感器的发展、光纤传感器的分类等几个重要问题，并分析了这几个重要问题的研究现状及今后的发展方向。最后简要介绍课题的研究目标和主要工作。
1.1光纤传感器技术发展概述
传感器技术可以说是18世纪工业革命开始以来最为关键的技术之一，是信息时代最为重要的标志性技术之一，是信息社会的重要技术基础，它与信息通信技术、计算机技术共同构成了当今信息产业的三大技术支柱，已经成为一个国家科学技术发展水平的重要标志，长期以来一直受到各国研究工作者的广泛关注。近年来，信息通信技术和计算机技术的迅猛发展也推动了传感器技术的快速发展。
传感器技术是产品监测、仪器及控制系统成功实现的关键技术。伴随着科学技术的突飞猛进，传感器已经不仅仅局限于在典型的工业环境中应用。近年来，在极端条件下和恶劣环境中能够不受其所处环境的影响。传统的电子学传感器由于不能够承受恶劣环境里特有的某些极端压力、温度、速度、干扰而使其在这种环境中的使用受到了限制。此外，在某些对传感器尺寸要求较高的环境里，传统的电子学传感器也不能满足要求。
1.1.1光纤传感器的特点
光纤传感器技术是伴随着低损耗光纤的诞生和光纤通信技术的迅猛发展而逐步发展起来的，光纤传感器技术的研究和发展迄今已有近四十年的历史，目前它已经成为传感器技术中的一个重要分支。光纤传感器以光波作为信息载体，以光纤作为信息的传输介质，对被测参量进行传感测量。由于光纤传感器与传统的电子学传感器在信息载体(电子学传感器是以电荷作为信息载体、光纤传感器是以光波作为信息载体)、传输介质(电
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 6 页 子学传感器是以电导线作为信息传输介质、光纤传感器是以光纤作为信息传输介质)上的差别，决定了光纤传感器具有传统电子学传感器无法比拟的特点:
1、光纤传感器是无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰同时又不产生电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，在易燃易爆等恶劣环境下使用安全可靠;
2、光纤传感器质量轻，光纤极细，适合于在对传感器质量要求较高的场合使用;
3、光纤传感器可以串/并联复用，更重要的是还可以进行分布式传感测量，容易形成传感器网络或者阵列;
4、光纤传感器可以埋入复合材料或结构中来实现材料、结构内部应变分布的实时监测，即制成光纤智能材料和结构;
5、光纤传输光波损耗小，可以不受任何电磁干扰地实现远距离测量和控制。
光纤传感器由于具有以上一系列传统电子学传感器所不具有的优点，自上个世纪七十年代美国海军研究所(NRL)开始执行光纤传感器系统(FOSS)
计划
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以来，得到了世界上很多国家的特别重视，已经在全世界范围内取得重大发展。光纤传感器应用于大型建筑物结构健康监测、智能油井技术也得到了各国政府的高度重视和大力支持。自光纤传感器被首次提出后的近四十年的时间里，广泛研究和应用的光纤传感器已达数百种，并在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、土木建筑工业、生物医疗、过程监测等领域中都已经得到实际应用。
1.1.2光纤传感技术的发展过程
光纤传感器技术的发展过程可以粗略地分为以下四个大的阶段:
1) 1980 年以前，光纤传感器技术发展的初级阶段，主要以强度调制型光纤传感器的研究为主;
2) 从1980 年后，随着各种光纤器件制作工艺的不断改进，各国的研究工作者开始大规模研究干涉型光纤传感器技术;
3) 进入1990 年后，随着光纤光栅制作工艺的不断改进、成熟，光纤光栅传感器技术进入了一个研究热潮;
4) 进入2000 年后，各种技术和器件已经成熟，光纤传感器开始进入了商业化进程，各种各样的光纤传感器公司开始成立，并得以存活，光纤传感器技术进入实用化阶段。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 7 页
与此同时，新的机理、效应、器件被不断的应用到光纤传感器技术领域中来，光子晶体、“慢光”和“快光”技术、全光开关等一些新技术的发展，将为光纤传感器技术的发展不断地增加动力。
1.2光纤传感器的分类
光纤传感器可从光纤的作用、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。从光纤作用角度分类可分为非功能型传感器和功能型传感器。非功能型传感器中的光纤仅起到传光的作用;而功能型传感器中的光纤既起到传光的作用又起到传感的作用。在目前开发的商精度、高分辨率及结构小型化的传感器中多以功能型传感器为主。从光信号调制方式角度分类，有光强调制型、波长(或频率)调制型、相位调制型及偏振调制型，其中，光强调制型和波长调制型在一般工程测量中因结构简单、测量范围大而应用较广;在对测量精度要求较高的场所则采用相位和偏振调制。
由于科学技术的高速发展，对传感器的精度、稳定性及体积小型化的要求越来越高，因此，相位调制型及偏振调制型传感器是目前研究和开发的主要对象。相位调制型传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。由于测试装置的结构和原理不同，又有麦克尔逊(Michelson)干涉型、马赫一增德(Mach-Zehnder)干涉型、赛格奈克(Sagnac)和法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型传感器。
麦克尔逊(Michelson)和马赫一增德(Mach-Zehnder)光纤传感器是由光源、参考光纤、信号光纤组成。由于两根光纤的长度不同，被测量的变化使光在他们的内部传输时产生的相位差也变化，从而使干涉光受被测量调制。根据光强的变化规律可知应变的大小。麦克尔逊(Michelson)光纤传感器的优点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的干扰。这种传感器在制作时的难题是如何保证两束光的强度相等。马赫一增德(Mach-Zehnder)光纤传感器的信号光纤在被测环境中，而参考光纤在其它环境中;传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔的光反馈等，但同时它也具有两个缺点，其一是所用的光纤较多，使用及安装都较麻烦;其二是需要参考臂，而一般情况下它难以和测量光纤安装在同一位置，这就使得输入输出臂不对称，从而导致测量的不稳定、环境对其影响较大和使用时安装困难，因此限制了这种应变传感器的应用。法布里-珀罗光纤传感器的特点是采用单根光纤、利用
多束光干涉来检测被测量，避免了以上两种传感器所需双根光纤配对的问题。当光
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 8 页 纤中的光遇到两反射镜后分别产生两束反射光，这两束反射光相遇后产生干涉。当干涉腔腔长随被测量变化时，两反射光的相位差发生变化，使得光强随相位差的变化而变化(进而使光电探测器输出的电信号随相位差的变化而变化。这种传感器充分体现光纤的质轻、灵敏度高的特点。因此，法布里-珀罗型是目前广为研究和开发的一种传感器。 1.3光纤传感器研究的发展方向
近年来，虽然每年都有大量的光纤传感器方面的文章报导，但多数还处于研究之中，随着科学技术的发展，电子与通信产品向高精度、小型化发展、对传感器提出了更高的要求，因此，光纤传感器进一步研究的发展趋势为:(1)全光纤小型化:使传感头全由光纤构成且只用一根光纤已成为发展趋势。全光纤传感器的体积小，工作可靠。而且光纤之间的熔接损耗约为0(01dB左右，这样的损耗不会影响传感器的正常工作。(2)多参量智能化:一个传感器同时测多个参量，既可减少测量装置的元件数，又可提高测量精度，近年来多参量传感器备受关注，很有发展前途，在这种传感器中，多参量的准确分离与提取是其技术关键。(3)多光纤传感器的融合、集成化;将多个传感器连成一体成为目前研究的新课题。(4)高精度实用化:高精度传感器是科学发展的需要，实用是研究的目的。光纤传感器在研究的过程中认为其各组成元件都是线性理想化的，这和实际有一定的差距。因此，光通道中的非线性及误差的研究是传感器进入实际应用的基础，白光源的模间干涉型配以先进的信号处理技术，在保证精度的同时，既降低成本又延长了使用寿命，但在这种传感器中如何提取相关信息的信号处理技术有待完善和进一步研究。
1.4本文主要研究内容
相对于传统的传感器而言，光纤传感器是一门新兴的技术，对光纤探头的制作方法和工艺也在不断探索与完善之中。对于光纤F-P干涉传感器，F-P腔的构建及内部反射镜面的制作是十分重要的，因此本课题的主要工作就是根据F-P干涉原理设计出非本征微位移光纤传感器(EFPI)并对信号分析等方面进行研究。论文结构如下:
(1)描述了课题的研究背景与意义，阐述了光纤传感器的原理、类型、检测系统及国内外研究现状和发展方向，概括描述了光纤F-P干涉结构的特征与类型，并介绍了论文的研究内容与结构安排。
(2)阐述了光纤的传光原理与多光束干涉原理，研究了F-P光纤传感结构的工作
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 9 页 原理、构建方法、解调方法及应用等内容，并分析了F-P腔的光强损耗问题。
(3)通过对光谱分析，课题所设计的传感系统可以通过检测F-P腔长的改变，实现微位移检测，达到了课题预期的目的。
(4)阐述数据通讯方式与数据分析方法
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2 非本征法布里-珀罗光纤传感器的基本原理 2.1法布里-珀罗光纤传感器
根据法布里-珀罗光纤传感器结构的不同，可以分成本征型法布里-珀罗干涉(IFPI)光纤传感器和非本征型法布里-珀罗干涉(EFPI)光纤传感器。“本征”是指传感器利用对外界信息具有敏感能力的光纤作为传感元件。“非本征”是指光纤在传感器中仅起到光传输介质的作用，对外界信息的敏感是通过其他功能元件来实现的。光纤EFPI传感器由光纤与反射端面构成。当外界温度、压力和应变等物理参量发生变化时，EFPI光纤传感器腔长改变，从而引起干涉强度的变化。通过测量光强变化可以解调出腔长信息即可实现相应参量的传感。
2.1.1EFPI光纤传感器的典型结构
图2.1 EFPI光纤传感器结构示意图
最为典型的EFPI光纤传感器是将具有良好垂直端面的导入光纤和反射光纤一同置入与光纤外径匹配的石英毛细管内，并使它们严格平行、同轴，通过螺旋微进装置和压电陶瓷调整石英毛细管和光纤的相对位置，使两个光纤端面间有十几至数百微米的
CO间距。利用激光或环氧树脂将两根光纤与石英毛细管固定在一起。导入光纤与光2
源和信号解调系统通过传输光纤连接在一起。反射光纤背端作毛化处理，这样能消除其反射干扰。两个反射率约为4%的光纤端面构成了一个的低细度法布里-珀罗干涉仪，其中形成的干涉可以等效为双光束干涉。图2.1是EFPI光纤传感器的结构示意
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 11 页 图。当EFPI光纤传感器所敏感的外界温度、压力和应变等物理参量发生变化时，引起两光纤端面间距即EFPI光纤传感器腔长改变，通过从返回干涉光信号中解调出腔长信息即可实现相应参量的传感。
2.2EFPI光纤传感器的干涉原理
2.2.1EFPI光纤传感器的干涉模型
EFPI光纤传感器是基于光学中法布里-珀罗干涉仪的原理。法布里-珀罗干涉仪是
,d由两个平行的光学平面组成的。当有一束单色光以角入射进入到厚度为，内部折射
n率为的F-P干涉仪后，将在入射表面产生反射和透射，透射光振幅和强度被多次分割，最终构成多束平行的反射光和透射光。如图2.1所示:
图2.2 法布里-珀罗干涉仪的原理
无论是反射光还是透射光，各个相邻光束之间具有相等的光程差。 当不考虑半波损失时，相邻光束的相位差为:
24cos('),,,nd ,,,L,,,00 (2.1)
,Ld,'其中为光程差， 为F-P 干涉仪的厚度，为干涉仪内部的折射率，为光n
,线在薄板中的折射角，为光在真空中的波长。 0
,当存在半波损失引起的附加光程差时，每一束光与前一束光落后的相位差为，可表示为:
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24cos(),,,nh,,,，L',,,,00 (2.2) 根据F-P干涉原理可知，反射光束或者透射光束之间相互叠加产生干涉。当构成
RF-P干涉仪的两个面的反射率相同时，反射光束的干涉强度可用公式表示为:
2Fsin(/2),,IIr02，1sin(/2)F, (2.3)
透射光强可以表示为:
1IIII,,,tr002,，F1sin(/2) (2.4)
F其中I为入射光的光强，参量为法布里-珀罗干涉仪的细度，定义其为: 0
4RF,2(1),R (2.5) R是法布里-珀罗干涉仪中光学平面的反射率。
在不同的反射率的情况下反射光强或透射光强与相位差的关系曲线如图2.2、图2.3所示:
图2.3 法布里-珀罗干涉仪反射光强分布
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图2.4 法布里-珀罗干涉仪透射光强分布
I由图可知，透射光强与反射光强I间的关系是互补的，反射光强与透射光强的tr
RR大小与反射率有关，随着的增大，反射光强的极小值(或透射光强的极大值)附近
RR的锐度越大;当?1时，反射光强随相位的变化极为明显;当,,1时，反射光强
R随相位差的改变呈现余弦变化的形式。反射光强或透射光强的周期和极值的位置与无关，仅由相位差决定。
对于光线EFPI 传感器，导光光线的端面与反射光纤端面构成F-P 干涉仪的两平行平面，空气作为腔体的填充物质(其折射率为1)。光线端面与空气之间分界面的反射R,4%R率，可以认为,,1，则:
2(1)1,,R (2.6)
212,[14sin(/2)]14sin(/2)12(1cos)，,,,,,RRR,,, (2.7)
因此，反射光强与透射光强可以表示为:
IRI,,2(1cos),r0 (2.8)
IRI,,,[12(1cos)],t0 (2.9)
反射光强是等振幅双光束干涉情况下强度随相位差改变呈余弦变化的形式，可以
RF认为在低界面反射率，低细度的EFPI光纤传感器中，二次以上的反射强度很小，
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F对干涉行为的影响可以忽略。因此，低细度的EFPI光纤传感器中反射光束的干涉行为可以等效为双光束干涉。
2.2.2 EFPI光纤传感器干涉对比度
EFPI光纤传感器干涉条纹可见度(也成为对比度)的定义为:
()II,maxmin,,(I)，Imaxmin (2.10)
IImaxmin其中是干涉条纹强度输出极大值，是干涉条纹强度输出极小值。
在白光EFPI光纤传感系统中，干涉条纹的可见度可以通过光谱仪测得的传感器的返回光谱的极大值和极小值直接计算出来;而在激光作为光源的EFPI光纤传感系统中，激光的波长是固定的，传感器的输出光强是腔距的函数。在此情况下，就需调节传感器的腔距来测量输出的极大值和极小值。
不考虑光束在EFPI光纤传感器内传输损耗和相位色散的情况下，传感器反射光强输出的干涉条纹的对比度为1。因此一般通过探测EFPI光纤传感器的反射光强来进行干涉仪光程差的测量以实现传感目的，并且反射光的探测只需要单根传输光纤。实际上，光束由导入光纤耦合到EFPI光纤传感器的空气腔内并在其中传输，再经反射光纤端面反射由空气腔耦合回光纤的过程中，由于光纤的孔径效应、传输光束在空间中的发散和相位色散等因素的存在，导致干涉条纹对比度的降低。光束在EFPI腔内的干涉行为决定的干涉条纹对比度直接影响EFPI传感器输出信号的信噪比。
对于单模光纤，我们可以认为其只传输基模。基模的光强分布可以用高斯分布来近似:
2r,,,()exp()rA12,0 (2.11)
1.6192.8792,NA,,，，,Va(0.65)01.56VV,其中为基模高斯分布光场的模场半径，为光
aA纤的归一化频率，为单膜光纤的纤芯半径，是基模光场归一化幅度。
基模高斯光束由导入光纤耦合得到EFPI光纤传感器的空气腔内，在自由空间的传输可以由惠更斯-菲涅耳衍射积分来描述，在近轴情况下有:
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2,r0ErlA(,)exp(),,22,, (2.12)
22,,()1(/)lll,，l,,,,/r0r0其中为高斯光束在自由空间传输的模场半径，为瑞利距离。随着在空气中传输距离的增加，高斯光束的模场半径增大。
,,()l0通过计算模场半径为的返回高斯光束与光线中传输模场半径为的高斯光束
,两光场的交叠积分，可以得到两者之间的耦合系数:
,22,rr0()exp()exp(),,rdr22,()()ll2()l,,,,,000,,,,222，()lr,,20(exp()),rdr2,,00 (2.13)
I0REFPI传感器导入光纤中光强为的传输光场在反射率为的带入光纤端面发生第一次菲涅耳反射，反射光强为:
IIR,10 (2.14)
G在腔距为的EFPI光纤传感器内，高斯光束在反射光纤端面经历第二次菲涅耳反
2G射，经距离的传输后由空气腔将再次耦合进入导入光纤。返回高斯光束的模场半径,(2)G为。第二束反射光的光强为
22IIRRG,,(1)(2),20 (2.15)
在单模光纤中，光线近似轴传输，可以认为光线平行光纤主轴垂直光纤端面入射到EFPI光纤传感器腔内。
两束反射光间发生干涉，反射干涉光的光强为
IIIII,，，2cos,r1212
22,，,，,IRRGGR[1(1)(2)2(2)(1)cos],,,0 (2.16)
4,nG,，,,,其中两束反射光之间的相位差为。
G从而可得到反射干涉条纹对比度与腔距的关系，考虑高斯光束在腔内传输模场
,G半径增加带来耦合损耗影响的情况下，对比度与腔距的变化关系如下
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,II2(1)(2),RG,maxmin()G,,,2IIRG，，,1(1)(2),maxmin (2.17)
NA,0.13在典型传输波长,,1310nm，单模光纤直径，数值孔径，光纤26am,,
端面反射率变化的情况下，不同腔长对应反射光强变化曲线如下图。
当R,40%时:
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
Normalized Intensity0.6
0.4
0.2
1100115012001250130013501400145015001550
Wavelength(um)
图2.5腔长为时波长与反射光强变化曲线 50,m
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1.6
1.4
1.2
1
0.8Normalized Intensity
0.6
0.4
0.2
1100115012001250130013501400145015001550Wavelength(um)
图2.6 腔长为时波长与反射光强变化曲线 200,mR,10%当时:
2
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1.6
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1.2
1
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Normalized Intensity0.6
0.4
0.2
01100115012001250130013501400145015001550
Wavelength(um)
图2.7腔长为时波长与反射光强变化曲线 50,m
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图2.8 腔长为时波长与反射光强变化曲线 200,m
28.25am,,,,1550nmNA,0.13在典型传输波长，单模光纤直径，数值孔径，
,R,0.04光纤端面反射率的情况下，单模EFPI光纤传感器反射干涉条纹对比度与腔G距变化关系曲线如图所示。
图2.9 单模EFPI传感器对比度随腔距变化关系
由图可以看到，单模EFPI光纤传感器随腔距增加干涉对比度的下降较为缓慢。在
100,m200,m腔距增加到时，可保持约0.6左右的对比度;在腔距增加到时，仍可保持
约0.4的对比度。这样可以使单模EFPI传感器有较大的动态范围和腔距选择余地。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 19 页 2.3微位移测量原理
图2.10(a)和(b)为F-P 腔分别在不同腔距时，传感器输出的光谱分布的数值模拟图。
图2.10 传感器输出光强和波长的关系
根据光谱分布可以求出传感器的腔距，进而得到传感器的位移量。选取光强极大
,,,处对应的波长 和来处理(m 和m+q 分别为它们所对应的干涉级次)，则、mq，mm,和腔距S 满足如下: mq，
4,s (2.18) ,，(21)m,,m
4,s,，， (2.19) [2()1]mq,
,mq，
由上式可得:
,,qmqm，,()s (2.20) 2,,,mqm，
当腔距发生变化时，光谱中峰值对应的波长也将发生变化，即可以得到另两个波
'',,和。同理可以得到变化后的腔距: 长数mq，m
''',,，qmqm，'s,()(2.21) ''2,,,mqm，
所以位移的变化量:
',,,sss|| (2.22)
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 20 页
,s带入应变公式(,s为腔距变化，为传感器的标距)，就可得到待测的变L,,gLg
量。
2.4EFPI光纤传感器调制解调技术
光纤F-P传感器在外界物理量，比如温度、压力以及应变等的作用下，F-P的腔长或者腔内的介质折射率等参量会相应的改变，从而导致光程差的变化，通过对F-P干涉光谱的解调，可得到被测物理量的信息。因此，在光纤F-P传感测量系统中，腔长解调是整个测量系统的重要组成部分，解调仪的性能直接影响着系统的分辨率、稳定性以及测量精度。目前对光纤F-P传感器腔长的解调方法主要有强度解调和相位解调两大类，强度解调方法是光纤F-P传感器解调技术中结构简单，成本最低的一种解调方法，因此此处采用强度解调。
2.4.1强度解调方法
采用相干激光光源，对光纤EFPI传感器返回的光信号进行直接强度探测的解调方法是光纤EFPI传感器应用研究中最早采用的技术，其系统结构如图2.11所示。
图2.11 直接强度探测的光纤EFPI 传感系统
当光纤EFPI传感器腔长变化的范围较大，远大于相干光源的波长时，可以通过直接
,/2条纹计数的信号处理方法来实现腔长变化量的测量。当腔长变化，探测器接收到的光强出现一个周期的变化。通过对输出信号中条纹周期数K 的测量，就可以得到光纤
,,GK,/2EFPI传感器腔长变化的相对测量值。
条纹计数方法实现的是干涉条纹周期数目的测量，所以该方法的测量精度为光源波
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 21 页 长量级。由于光纤EFPI传感器返回的余弦干涉条纹周期性的本质，条纹计数方法无法判断腔长变化的方向，只能进行单方向的测量。条纹计数方法必须进行连续不断的测量，通过和初始状态的比较，才能跟踪传感器腔长的变化，因此进行的是相对腔长测量，只能测得腔长的变化量而无法得到腔长的绝对值。
,/4当光纤EFPI传感器的腔长变化范围较小，能够控制在以内时，可以将传感器的
,/2初始工作点控制在余弦信号的点(余弦信号相位为，斜率最大的点)，使其工作Q
在余弦条纹的准线性范围内，从而使传感器返回光信号强度与光程差变化基本成线性关系，如图2.12所示。传感器工作在点附近线性范围内，避免了工作点处于干涉条纹波Q
峰或波谷处可能出现的灵敏度衰落的问题。
图2.12光纤EFPI 传感器输出干涉条纹中准线性工作范围
由于探测器不能区分光强变化的原因，光源光强波动以及环境扰动引起光纤传输损耗的变化都会带来测量上的误差。为了减小光源光强波动以及光纤传输损耗变化带来的影响，采用名为SCIIB的自参考补偿方案，如图所示。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 22 页
图2.13自校准干涉/强度型EFPI 传感器系统原理图
在SCIIB自参考补偿方案中，采用LED等宽谱光源代替单色相干光源。传感器返回的光信号经过波长分束器分为具有不同光谱宽度，不同相干长度的两路信号。通过调整通道1和通道2输出光信号的光谱宽度，使通道1的相干长度远大于光纤EFPI传感器腔长的二倍，通道2的相干长度远小于光纤EFPI传感器腔长的二倍。这样，在传感器腔长变化的范围内，通过控制工作点，可以使通道1探测器得到近似线性比例于腔长的干涉输出，而通道2中的光信号则无任何明显的干涉现象，如图2.13所示。通道2的光信号对传感器腔长的变化不敏感，但是它同通道1中的光信号一样，也遭受光源光强波动以及光纤传输损耗变化的影响。通道1输出信号与通道2输出信号之比则免疫于光源光强波动以及光纤传输损耗变化的影响，只反映了传感器腔长变化的信息。
光强线性调制的方法灵敏度高，信号响应快，适合超声、震动和动态应变等传感应用，不存在灵敏度衰落和探测方向模糊的问题，信号处理方法简单。在用于光强线性调制方法的光纤EFPI传感器的制作过程中，要求精确控制工作点的位置，增加了传感器制作的难度。并且传感器工作的动态范围也受到干涉条纹线性范围的限制。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 23 页
图2.14 不同谱宽两路光信号的干涉
2.4.2波长域光纤EFPI腔长解调方法
(1)单峰解调方法
单峰测量方式是通过跟踪归一化干涉谱中一个特定干涉级次的谱峰，从而解调出光纤EFPI传感器的腔长值。
,光纤EFPI传感器归一化干涉谱中一个特定级次的谱峰波长值满足如下条件: mm
4,G (2.23) ，,m2,,,m
进而可以通过谱峰的波长值得到光纤EFPI传感器腔长值
(2)mK,,,,mm (2.24) G,,,m42,
K值是一个常数。 针对一个特定级次的谱峰，m
该种测量方式的测量分辨率主要取决于光谱仪的最小分辨率，寻峰所用的算法和整个系统的信噪比。由(2.23)式可得系统的相对误差为:
,,G, (2.25) ,G,
,,是谱峰定位的误差。
单峰测量方式的优点是分辨率高，但是同时也存在着动态范围有限的缺点。由于不知道所跟踪谱峰的干涉级次信息，为了避免谱峰级次模糊，必须要求所选取特定谱峰的
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 24 页 活动范围内不能出现另一个级次的谱峰，这个条件使该测量方式限制在半个波长范围内进行相对测量。
单峰测量方式测量的线性和精度受光谱归一化情况的影响。为了保证测量的线性，应使干涉光谱得到良好的归一化，并保持其稳定。
(2)双峰或多峰解调
双峰测量方式是利用归一化干涉谱中两个相邻的干涉谱峰来求得光纤EFPI传感器腔长的绝对值。
设和是归一化干涉谱中两相邻谱峰波长值，它们的干涉级次分别是 ,,(),,,m1212
m，1和。则有
4/2,,,,Gm，, (2.26) 1
4/(1)2,,,,Gm，,， (2.27) 2
上述两式相减可以得出光纤EFPI传感器腔长绝对值
,,12 (2.28) G,2(),,,12
与单峰测量方式相比，双峰测量方式克服了级次模糊问题增加了动态范围，然而其分辨率却要低得多。
由(2.28)式可得双峰测量方式的相对误差是
,,,,G21,2 (2.29) G,,,,121
,22与单峰测量方式相比，相对误差增加了倍。 ,,,12
G在腔长约为的光纤EFPI传感器中，这个系数约为50。随着腔长增加，相邻15,m
谱峰间距的减小，这个系数会进一步增大。
双峰测量方式的动态范围取决于光源谱宽和干涉谱的对比度。要保证在干涉对比度
,,较好的有效光谱范围内出现两个以上干涉极大峰，相邻双峰间波长差应满足
1FWHM,,,,,,。在基于微型光纤光谱仪的光纤EFPI 传感系统中，通常将光源的 122
,,FWHMnm,60G作为有效光谱范围。在应用的LED 光源的系统中，要求腔长值大于。双峰测量方式腔长测量的上限则由光纤EFPI 传感器干涉谱对比度决定。 12,m
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 25 页
(3)傅立叶变换解调方法
直接从光谱测量设备得到的都是波长域的光谱信号。在波长域中，光纤EFPI传感器干涉信号并不是直接表现为基本的单频率余弦形式，不便于使用带通滤波器和FFT等信号处理手段。需要先将波长域的光谱信号通过线性插值等手段将其变换到光频率域。
对光频率域归一化干涉光谱进行FFT，得到频率域归一化干涉条纹的频谱分布通过
F确定频谱分布中幅度最大频率成分的数字频率，就可以得到光纤EFPI传感器的腔长G。
2.4.3EFPI腔的光强损耗分析
当一束光入射到光纤F-P腔形成多光束干涉时，由式(2.3)知反射光的干涉光强为:
2Fsin(/2),,IIr02，1sin(/2)F,
其中:I为入射光的光强 0
4RF,2(1),RF参量为法布里-珀罗干涉仪的细度，定义其为:
R是法布里-珀罗干涉仪中光学平面的反射率。
这种分析是建立在入射光纤端面透射的光经反射光纤的表面反射后又能全部耦合到入射光纤中去的理想环境和技术条件下得到的，也就是光纤F-P腔不存在传输损耗。
实际情况中，由于光在光纤中并不是全部严格按轴向平行传播，传播方向在孔径角范围内的所有光都能在光纤中传播。因此，从入射光纤出射的光不可能全部传输到反射光纤。同理，从反射光纤表面反射的光也不可能全部藕合到入射光纤当中去。另外还有温度、振动、光纤自身应变等影响输出性能的因素。
引起光纤藕合损耗的因素很多，其中主要类型有:光纤横向偏离、光纤轴线成折线、腔长、光纤端面成夹角、断面呈球面等。其中，光纤横向偏离和光纤轴线成折线产生的损耗可通过精密定位使得两光纤同轴线来解决;光纤端面成夹角和端面呈球面可通过选择性能优越的光纤和镀膜来解决:腔长对腔的损耗是F-P腔的固有损耗，为满足对外界应变测量的要求，腔长只能选择一个最佳值，也就是要选择合适的初始腔长。鉴于实际光纤F-P腔制作过程中腔损耗对F-P腔定位的影响，F-P腔的端面反射率并不是越大越好，腔长的选择也不是任意选取的，而是应选择一个最佳的与反射率相匹配的腔长，充分利用光纤F-P腔测量的高精度、动态范围大和高分辨率的优点制作性能优
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 26 页 良的光纤传感器。
2.5 本章小结
本章从光纤耦合与多光束干涉的原理和实际应用光源出发建立了相位干涉型EFPI光纤传感器的理论模型，对理论模型进行了详细的推导。得到了实际光纤Fabry-Perot应变传感器的理论公式。并得到微位移测量的原理公式。阐述了EFPI调制解调技术，着重介绍强度解调方法，并进行了光强损耗分析。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 27 页
3 EFPI光纤传感器制作与性能分析
3.1传感器的制作
在上一章理论模型的基础上，现进行传感器设计。如图(3.1)
图3.1 传感器应用设计结构示意图
传感器的右半部固定在建筑物中。
在直接切割好的光纤上进行镀膜，其工艺流程包括光纤端面的制作、镀膜、传感器的组装。具体流程如下所述:
用光纤剥线钳依次剥除光纤表面的涂覆层，直到露出裸纤并对裸纤进行清洁，然后用光纤切割刀切除多余部分;在切割好的光纤端面上镀制高反射的光学介质薄膜;将制作好的两根裸光纤头分别插入中空的毛细管的两段，并使它们分别在毛细套管中有一定的长度，再把其中一根光纤和毛细管固定在支架一端，保持支架的此端不动，另一根光纤固定在支架的另一端，该端由位移调节支架控制，可以使光纤沿毛细管的轴向移动。 3.2传感器测量范围的确定
由式(2.20)和式(2.21)可知，传感器的测量范围是由得到光谱波峰的间距来决
,,,,定的，两个相邻波峰值与之差越大，腔长越小;与之差越小，腔长越大。 ss1212
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 28 页
(1)F-P最小腔长 smin
当在光谱范围内只有两个相邻的波峰时，此时的腔长最小。设光源的波长上限为
，波长下限为，则: ,,maxmin
,,,maxmin (3.1) s,min2(),,,maxmin
1310nm100nm选用中心波长为，光源宽度为的LED光源时，则,,1360nm、max,,1260nm，代入式(3.1)可得。此为理想中能测得的最小腔长。 sm,8.6,minmin
(2)F-P最大腔长 smax
当波峰之间的距离最小时，此时的腔长最大。若所选取光谱的分辨率为1nm，则,1
1nm与之差的最小值为。由式(2.20)可求得最大腔长为。 ,sm,100,2max
3nm但在实际测量中两波峰不可能有这么小的差值，因此常选用至少的差值且在测量中常用中心波长附近的波峰。此时求得最大腔长为sm,300,。 max
同理，在计算最小腔长时，实际中常选用3,4个波峰来计算。若选用3个波峰计算，则最小腔长为sm,24,。 min
3.3EFPI光纤传感器的误差分析
3.3.1理论误差分析
根据误差理论，测量系统的误差,按极限误差可以表示为: s
,,ss22,,,,,()(),， (3.7) s,,,,12
,,其中和分别为波峰所对应的峰值。在考虑误差时我们分析极限情况，即两相邻波峰12
1nm间隔为所使用光谱仪的分辨率。则:
2,,s12 (3.8) ,2,,2(),,,121
2,,s11 (3.9) ,,2,,2(),,,221
将上两式带入式(3.7)得到:
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 29 页
44,,,,，12 (3.10) ,,s42(),,,21
考虑到两波峰紧相接近，所以，同时将式(2.22)变形可得到: ,,,12
2,1 (3.11) ,,,,(),,,212s
化简可得到:
2s (3.12) ,,,,,22s2,1
从上式可看出，在一定的腔距下，系统的误差与测量波长的光谱仪读数的误差成正比，与波长的平方成反比。
,,,3m若采用腔长，可以得到此长度下的测量精度。此为考虑极限情况下50,ms
得到的测量精度。
以上误差分析为随机误差，主要由于光谱仪得到波峰的漂移引起的。
除随机误差之外还有定值系统误差。在同一测量条件下，多次重复测量同一量值，测量误差的绝对值和正负号都保持不变，此为定值系统误差。此处计算微位移时决定腔距的系统误差在计算时可以抵消，因此不妨碍微位移的测量。
3.3.2温度对EFPI的影响
对于标准EFPI光纤传感器来说(如图2.1)EFPI光纤传感器除了外界应变能使腔距发生变化外，在使用时，当环境温度发生变化时，传感器也会产生相应的微位移。
当环境温度发生变化时，会引起图(2.1)中标距和自由状态中的光纤长度L、Lg1
,TL,L的变化。当温度变化时，根据热学相关知识，可以得到传感器标距的变化量为: 21
,,,LCLT (3.13) 11g
光纤长度的变化量为:
,,，,LCLLT() (3.14) 2212
CC其中是外毛细管的热膨胀系数，为光纤的热膨胀系数。 12
在温度升高时，传感器的外腔是向外膨胀的，而内部光纤是以两段的胶为固定点向
,L内伸长的，所以最终传感器在温度变化下腔距的变化量为:
,,,,,,,,，,LLLCLTCLLT() (3.15) 121212g
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 30 页
传感器内外腔选用材料相同，具有相同的热膨胀系数，则上式可化简为:
,,,，,,,LCLLLTCsT[()] (3.16) g12
其中C为热膨胀系数，为传感器腔距。 s
0,70当温度为0~100时，的热膨胀系数为，测量时腔距常为SiOCCC,，5.010/2
0，那么可得，在温度变化1时，腔距的改变量为: 100,mC
,50 (3.17) ,,，,LTmC5.010(/),
由此看来，温度对EFPI传感器的影响很微小。因此在测量过程中，可忽略温度对测量的影响。
但对于本文设计的EFPI(图3.1)，光纤、石英毛细管、建筑物的温度影响因素过于复杂，因此此处暂时假定为恒温状态，即体积膨胀等因素引起的腔长变化与微位移结果忽略不记。
3.4 本章小结
简述传感器的制作，以腔长变化来确定传感器的测量范围，并对其进行理论误差分
,m,m析。得到它的测量精度可达到量级，测量范围在24~300之间。对标准EFPI传感器温度特性进行理论分析，得到该传感器对温度不敏感的结果，但是由于本文设计传感器与标准传感器模型有所不同，因此温度因素无法测量，故以恒温假定其工作环境。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 31 页
4 EFPI传感器的数据处理
前两章中已阐述了EFPI的理论模型，对EFPI传感器的腔距和微位移的测量进行理论计算。在实际工程的应用中，微位移与应变量都要进行实时监测，通过光谱仪上的借口，用数据线将光谱仪得到的数据传送到计算机中进行实时处理，因此采用虚拟仪器的方式将得到的数据传输到计算机上进行分析，以达到动态监测与远程控制的目的。 4.1GPIB接口总线的选取
选取M9710C光谱仪，该光谱仪的后置板上有GPIB和RS232两个通信
协议
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的接口，选择GPIB接口的原因如下:
1)光谱仪的远程控制命令是符合SCPI标准的。CPI可编程仪器的标准命令(Standard Commands for Programmable Instruments)采纳了IEEE488.2定义GPIB的命令结构，创建了一整套GPIB编程命令的语句式，是GPIB命令的标准。
2) GPIB接口具有高转换速率(通常可达1Mbytes/s)，同时传输的误码率很低，符合实时监测的数据传输要求。
3) GPIB通用性强，很多智能仪器都有这种接口，而且一条总线晟多可以接14台仪器，能实现一台电脑对多台仪器的同时控制和数据传输。考虑到实验室大部分的仪器都为智能仪器，具有GPIB这个接口，如果选择这种接口总线将提高其利用率。
4) RS232C并不是为仪器控制专门设计的，仪器问的互联很难实现，数据传输速度慢。
5) 一个RS232 C串口只能与一个设备进行通讯，对某些应用(如需要控制多台仪器)来说也是一个限制。
6) 串口方式比GPIB慢且可靠性差，是因为串口通讯难以保持接收者和发送者一致，串口可以将接收到的数据放入缓存，但是缓存的容量是有限的，当缓存满时，主机就会忽略新送来的数据，直到从缓存中读出数据为新数据让出足够的空间为止，这样就会找程造成数据的丢失。
7)如果采用RS232C接口，需要进行跳线。性能和耐久上更加得不到保证。
综上所述，选择光谱分析仪的GPIB接口。又因为计算机只有USB接口，所以数据
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 32 页 总线采用GPIB/USB总线。
4.1.1GPIB/USB总线的硬件原理
硬件的原理框图如下图4.1所示。
GPIB仪器
GPIB BUS 控制线 USB BUS
USB GPIB GPIB仪器 主 控制 控制 GPIB仪器 机 芯片 芯片 信号线
GPIB仪器
图4.1 GPIB转USB原理框图
USB控制器:负责协调主机和GPIB仪器的T作。由于USB接口只是通过四条线进行连接，所以主机并不能直接控制GPIB仪器，它只是将指令以数据包的形式发送出去，然后经过USB控制器转换成与GPIB控制器的时序和格式相一致的形式，最终被仪器所接受。
GPIB控制器:负责接收从USB控制器来的指令并将其发送给相应的GPlB仪器。它是GPIB仪器执行具体命令的解析和控制中心。
4.1.2 GPIB/USB总线的软件分层结构
GPIB/USB总线的软件主要由以下三个部分组成:
1)固件程序:位于USB控制芯片内，负责与PC机建立连接，解释从主机发送来的指令。
2)驱动程序:USB最大的优点是使用灵活，可以实现动态的PIlP(即插即用)，而且不需要调用系统的中断和I/O资源，这一切都是在驱动程序中实现的。驱动程序担当着主机应用程序和特定设备之间通讯的控制和协调的任务。上层的应用程序只有通过驱动程序才能将指令发送到接口卡，最终到达GPIB仪器。
3)动态链接库:GPIB仪器的指令是以动态链接库的形式供应用程序调用。由于与驱动程序的通讯和普通应用程序间的调用不同，上层应用程序要通过驱动程序与PC机设备通讯，必须通过特定的WINDOWS操作系统的应用接口函数才能完成(WlNAPI)。所以总线用动态链接库的形式将GPIB的指令进行了封装，应用程序只需要按照链接库中
规定
关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定
的
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 33 页 指令格式调用相应的仪器指令即可。
4.2EFPI光纤微位移传感器系统程序
本系统的程序是用Visual Basic语言调用SICL I/O函数库编写的。程序大致分为两大功能:1)光谱分析仪远程控制模式。在此模式下，程序的使用者可以通过计算机远程控制光谱仪。2)EFPI光纤微位移传感器测试模式。在此模式下，编写程序通过使用光谱仪，并结合计算机内资源和数据处理能力，对EFPI传感器进行测试，实现对传感器的腔距进行检测，并能对某个腔距值某段波长的波形进行显示和保存，达到虚拟仪器的目的。
本程序的总流程图如图4.2所示:
开始 发送命令进行程控
GPIB复位 N 接受数据
Y 设备初始化
处理数据 设PC机为控者
光谱仪为听者 关闭软件
PC机为听者
N Y 结束
设定成功
图4.2 EFPI微位移传感器的程序流程图
设置好GPIB地址就可以运行这个程序。
该系统的程序主要有五个功能，“光谱分析程序”，“仪器远程控制程序”，“腔距实时监测程序”，“光谱显示与保存程序”，“退出”。
其中光谱分析程序程序开发了包括“观察设置”、“峰谷搜索”、“波形分析”、“评估测试”、“其他功能”等可视化程序界面。
通过这个功能，使用者可以对光谱的观察模式进行设置;可以寻找光谱的峰值和谷
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 34 页 值并在程序上显示其对应的波长和幅值;可以对光谱波形进行各种分析和评估;另外还可以实现一些其他功能。
4.3EFPI腔距实时监测程序
微位移的实时监测
在实时监测腔距s的功能下，使用者可以根据自己的要求选择监测的时间间隔，和通过多少个波峰求s，波峰数选择得越多求出来的腔距s的值就越精确。
程序会将第一次测试的腔距s的值作为标准s值，之后进行实时监测。每次监测所得的腔距s都要与标准s作比较，求出,s。其流程图如图4.3所示。
,s 显示当前s值及开始
设置延时时间 描绘s曲线
设置所用波峰数 延时
Y 求出标准s 继续
N
实时监测 终止
图4.3EFPI腔距实时监测流程图
,s在这个功能下，程序不但会把每次测试所得的腔距s及的值输出，同事还会以时间为x轴，腔距s的值为y轴绘制出腔距s变化的曲线。
4.4最小均方误差估计算法
基于最小均方误差估计的F-P 腔长解调算法是最普遍应用的腔长解调方法之一。该方法从参数估计理论的角度出发，通过引入均方误差的概念来解调传感器的腔长。
腔长的解调可以看作是对腔长真实值的测量，严格来说，真值是一个理想的概念，一般是无法确切得到的，只能通过不断改进测量方法和测量条件来对其不断的逼近，得到一个最接近真值的测量值。评价一个测量值是否足够接近真值最简单的方法是看该测
',量值的误差，即测量值与真值的差值，差值越小则代表其越接近真实值。但由于测,
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 35 页 量值是一个随机变量，每个测量过程中所测得的值不同，所以测量值与真实值的差值也是一个随机变量，这样用该差值来评价测量值的优劣很不标准。在参数测量理论中，通常使用测量值的偏差以及方差来评价测量值的性能。测量值的偏差定义为测量值的期望值与真值的差，即:
'' (4.1) biasE()(),,,,,
'测量值的偏差反映了测量结果的精密度。策略两只的方差定义为测量值与其期望,
'之差的平方的期望值，即: E(),
'''2 (4.2) var(){[()]},,,,,EE
测量值的方差描述了测量值的离散程度。实际测量中，通常希望测量值的偏差和方差都尽可能的小，偏差和方差两个量一起可以很好的评价测量值的优劣。
测量值的均方误差定义为测量值与真值误差的平方的期望，即:
'2'2'mseEbias,,,，[()]var()(),,,, (4.3)
由上式可以看出，测量值的局方误差包涵了测量值的方差和偏差所引起的误差，只有当测量值的方差和偏差都最小时，均方误差才达到最小，因此，用均方误差来评价测量值比单纯使用偏差或方差来评价测量值更为有效。
解调时，首先通过光谱检测设备将传感器返回的实际腔长为d(真值)的光谱传递给计算机，并进行归一化处理，处理后的光谱以。随后将传感器理想反射光谱也xnd(,)
进行归一化和离散化处理:
'4,d' (4.4) ,,，IndR(,)2[1cos()],R，,n,,00
'这里的理想反射光谱可以由计算机模拟产生，模拟时所使用的腔长可以看作是对d
'd腔长真实值的一个估计值，与其真值的均方误差可以表示为: d
N,1''21msedxndInd()[(,)(,)],,,, (4.5) RNn,0
其中，N 为离散光谱序列中元素的个数。
'最后通过预估被测传感器的腔长值，选择合理的取值范围和估计步长，然后采用d
式(4.5)进行计算，则可以得到一组均方误差值，中最小的值所对应的{()}msed{()}msed
'd测量值，则可以认为是实际腔长d 的最优解调值。 0
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 36 页 4.5本章小结
利用虚拟仪器的形式将光谱分析仪与计算机相连，达到对EFPI传感器数据的实时处理与微位移动态测量。详细分析GPIB转USB数据线的硬件功能，用Visual Basic语言编写程序，实现了微位移的实时监测，并介绍最小均方误差调解算法用来进行信号处理。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 37 页
结束语
本文首先对光纤传感器的发展情况进行了概述，介绍了光纤传感器的特点，以及光纤传感技术的发展过程和未来的发展方向，并介绍了现今光纤传感器的分类，进而提出了白光非本征Fabry-Perot干涉光纤微位移传感器的干涉原理模型，分析了强度调制解调的原理，对传感器性能进行大致分析，及其制作方法以及后期数据处理的方法。主要完成了一下工作:
1、从多光束干涉原理出发，建立白光干涉EFPI的理论模型并对模型进行了理论干涉光相位差计算并对于干涉腔距变化进行了理论数据分析。
2、根据传感器输出光强和波长的关系进行理论推算并给出微位移测量原理。
3、介绍强度解调，并给出名为SCIIB的自参考补偿方案;对波长域EFPI腔长采用单、双或多峰解调、傅立叶变换解调的方法进行调制解调，并进行理论推算。
4、简述EFPI传感器的制作方法，计算了传感器的理论灵敏度，对传感器的测量误差和精度进行分析，此误差是由于光谱仪得到波峰的漂移造成的。从计算结果看，理论
,m上能达到级的测量精度。
5、以虚拟仪器方式进行数据分析。阐明系统程序与实时监控流程，并介绍了当前常用的最小均方误差估计算法。
当然，本传感器没能去做定标工作，没能消除系统误差的影响;在温度影响上也只暂时假定为恒温环境，并且由于缺少实验数据的支持，各种数据采集与数据分析都仅限于理论计算阶层，实际测量情况如何仅靠参考文献，故此缺少一定的使用性。希望未来能有机会进行具体测量并对相关分析推理进行验证与改进。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 38 页
致 谢
本文是在导师王巧云老师的亲切关怀和惊喜指导下，在周围同学的热情帮助和支持下完成的。
衷心感谢我的导师王巧云老师将我引入光纤传感应用这个领域，开始了对科学的探索。在本课题的研究过程中，导师在学习和生活中给予了我热情的关怀与帮助，导师渊博的学识、严谨的治学态度、正直的作风和亲切的为人处事给我留下深刻的印象，为我开阔了视野，丰富了学识，鞭策着我不断进取、前进。值此论文完成之际，对导师曾经给予的学术上的指导，生活上的关心和帮助致以最诚挚的谢意。
感谢赵晓锋、赵婧、许志远等同学在学习中给予的热情帮助和大力支持!
感谢徐雪鑫、杨扬、王蔷、金广等同学在日常生活中给予的关心照顾!
感谢我的家人，对我的鼓励和支持!
最后，衷心感谢自动化工程系全体老师四年来的辛勤培养和教育!
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 39 页
参考文献
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[9] 曾斌，白光非本征Fabry-Perot干涉型光纤微位移传感器的研究，2005.
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[13] 饶云江，基于光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器，2009.
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附 录
附录A
Optical fiber extrinsic Fabry- Perot interferometricsensor for measuring tiny
displacement
Abstract : Based on the theory of optical fiber coupling and Fabry- Perot interference , a theoretical model of extrinsic Fabry-Perot interferometric ( EFPI) optical fiber sensor was demonstrated , a formula which was used to measure absolute displacementthrough spectrum was attained. The structure of the optical fiber sensor was designed , and the experimental setup was constructed. LED was used as broad- band source to attain reflection spectrum and measure tiny- displacement of practical sample.The experimental results show that it is coincident well with the computational simulation of theoretical model. The error of exsperimental data is analyzed. Its measuring accuracy can reach . 1,m
Key words : optical fiber sensor ; extrinsic Fabry- Perot interferometer ; displacement ; spectrum
1 words led
Optical fiber sensor is a new type of sensor. Compared with the traditional sensor, it has a high sensitivity, electromagnetic interference resistance, corrosion resistance, electrical insulation good, facilitate with optical fiber transmission system of remote sensing network, etc. Relative to the other optical fiber sensor is concerned, because fabry-perot optical fiber sensor simple structure, small volume, low cost and suitable for mass production, and so in large building structure, composite materials, the aircraft, military products, etc has good application prospect, in this field have a large number of literature in a related report.
At present, fabry-perot interferometer optical fiber sensor can be classified into two categories:
(1) the intrinsic fabry-perot interferometer (IFPI), it is a period of optical fiber sensing the two end after polishing the plating medium film form two reflective surfaces, two reflective surface and the fashions a photographic optical fiber core resonant cavity;
(2) the intrinsic fabry-perot interferometer (EFPI) is by two of the section in quartz
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capillary cutting good face and optical fiber in the middle of the air gap resonant cavity composition, in order to improve the sensitivity of the sensor, general in the face of the optical fiber with high film. EFPI sensor and IFPI sensor than its biggest advantage is not in temperature sensitivity, this is because the quartz capillary and optical fiber have the same thermal expansion coefficient and the existing air gap between the sake. It is because of its this advantage, so it often single micro displacement or should the variables of the measurement.
The paper system from the sensor structure, measuring principle, sensor system composition and the experimental results of EFPI optical fiber sensor.
2 the structure of the sensor
EFPI optical fiber sensor structure as shown in figure 1 below. Sensor with quartz capillary and single-mode optical fiber to form. Optical fiber end in the direction of the axis perpendicular to the optical fiber by cutting level off, with the medium high the multilayer film, separated by about for dozens of micron, quartz tube in the middle of the air gap and form F-P interference cavity. Two optical fiber in quartz tube in a free state, not affected by external forces or strain of the role. In quartz tube ends, with AB glue the fiber optical and quartz tube bonding together. Figure 1, F-P cavity from the cavity. When this structure s
used to strain measurement, quartz capillary bonding point at both ends of the distance
Lbetween the should be the standard for variant sensor away from. EFPI sensors from the g
,scavity in forces.it will change, as measured by the change from the cavity can get s
micro displacement.
图1 EFPI传感器的结构
Figure 1 EFPI sensor structure
3 EFPI interference type of sensor theory analysis
Optical fiber strain sensor Fabry-Perot is based on the light beam interference principle.
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It is different from the ideal F-P with standard, this is because light in the two root between the energy of the optical fiber coupling wastage's sake. The coupling between the fiber loss coefficients,in many literature all have many reports, here directly quoted loss coefficient formula:
2,，，02,,,s(),，，1,e2 (1a) Ls(),2,1,e
2,,,s()1s,， (1b) ,,,,02,,,,0
,0Type: for gaussian beam optical fiber out from the shot mode field radius for ,()s
,light in the cavity of the transmission mode field radius; for the wavelength of light
Light into the F-P cavity, in the cavity happens many times reflection. Set beam optical fiber into the cavity from the reflection coefficient and transmission coefficient were for r
'and , from the cavity into fiber reflection coefficient and transmission coefficient for tr
'2srespectively and . The light in the cavity of a cycle distance spread for . When light t
transmission of the long distance loss coefficient will tends to be a very small sLs()
constant. For simplicity's sake, make the light in the cavity of a cycle of spread when loss
LsL(2),coefficients .
it,EeInto the F-P cavity light field can be expressed as a . After many reflex the light 0
field in turn after can be expressed as
it,,EEre,r10
,,''(2)itks,EEtrtLe,,r20
,,'3'2(4)itks,EEtrtLe, (2) r30,
,,
kk,2/,,,Type: for wave number, and ; for frequency of the waves of light.
The superposition of the waves of light from the reflection of the waves of light vector for the electric field
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 43 页
EEEE,，，， (3) rrrr123
By reflected light can be under strong type get:
*IEE,, (4) rrr
take(2), (3) and its conjugate item generation into (4), after the resolve to get
2，，RLLks12cos(2)，,，，II, (5) ri21()2()cos(2)，,RLRLks
IiRType: for the light of the incident light strong; for high reflectivity of the film,
2L,1and . If make loss coefficients , then can get nondestructive time consuming Rr,
love formula
In order to overcome the light intensity the influence of the fluctuation of the system, the broadband light source instead of monochromatic light source, so that (5) the sensor in the reflected Light intensity
, I became wavelength from the cavity and double parameters function, namely sr
Ifs,(,),. When the cavity is a reflected Light intensity sr
, Iand wavelength between certain spectral distribution. When cavity from sr
changes, the light intensity and wavelength of spectral distribution will also be changing
Apparently, according to the spectral distribution can work out from the sensor cavity, and can get the displacement sensor. By (5), we can conclude that when phase meet
the reflected light, strong reach a maximum value. So can 2(21)(0,1,2,3,)ksmm,，,,
,,select two of them great place strong light wavelengths and to deal with mq，m
,mq，,information (and were they correspond interference grades), then,, and mmq，m
scavity from meet the following relations: 1
4,s1,，(21)m, (6)
,m
4,s1,，，2()1mq,,, (7) ,mq，
from (6)and (7)can get
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 44 页
,,,,qmqm，s,,, (8) 1,,2,,,mqm，,,
When cavity from change, spectral peak wavelengths will change, can get the other two
'',,wavelength number and . Empathy can get the cavity is the distance change mq，m
''',,,,qmqm，s, (9) ,,1'',,2,,,mqm，,,
So the variation of displacement is
,,,sss (10) 21
The measurement method is through the wavelength and not through the light intensity of displacement measurement to realize, so it can overcome the light source the light strong fluctuations on the impact of measurement, in theory, it has better measurement stability.
4 experiment and displacement measurement
4. 1 experiment device
In order to verify the correctness of the model, in figure 2 built experiment system.
Figure 2 experimental device system diagram
1330nm100nmIlluminant chooses center wavelength for, bandwidth for L ED. The
amrop hever spectrum analyzer of company MS9710C type spectrometer. The other a insert coupler refractive index in the fluid of matching to eliminate end reflection. Making good EFPI sensor for the samples fixed in, if use external forces make sample when strain, it will cause the sensor produces corresponding strain. The reflected light passing the same coupler into the spectrum analyzer. Use spectrum analyzer can measure the EFPI interference fringes
,,of the two peaks wavelength , and change the wavelength of the cavity is after mq，m
'',,,. The results of the measurement of computer processing can be obtained after the mq，m
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results of the micro displacement.
4. 2 numerical simulation and experimental validation
In order to validate the proposed theory the validity of the model, the computer numerical simulation results and the experimental results are compared analysis, and will have been in the same figure curve said, as shown in figure 3 below. The graph of the curve is when sensor cavity length for through the experiment get spectra, theoretical curves is 50,m
when cavity length for the (1) and (5) the computer simulation of the spectra. The 50,m
figure can see, two curves of the agreement is better, especially two spectrum curve of the peaks and troughs wavelengths in the deviation of the numerical only 1nm. It can be set up in
the paper to determine the theoretical model is correct.
Figure 3 theoretical numerical simulation and the experimental curves contrast curve
figure
4.3Displacement measurement and error analysis
Will make good EFPI optical fiber sensor with glue in fixed for the samples, through the force on the small displacement occurred.
From (8) and (9), it is known that the measurement error of the sensor is corresponding to the wavelength of the peak wavelength and the reading of the deviation between the cause. In these two quantity, wavelength interval is reading the error of measurement deviation caused major factors. If the (8) and (9) differential, can get the wavelength interval caused from reading deviation cavity measurement error. Due to the use of spectrometer its
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wavelength measurement resolution for the, so through the calculation, when the 1nm
chamber is too , the measurement error . 50,m,,sm1,
Through the (8) and (9) can be obtained from the absolute cavity were
sm,51.2,sm,77.8,12andThrough the (10) can get from the micro displacement sensor
,,sm26.6,happen.
Spectrometer can measure just two interference peak to can't accurately distinguish between two adjacent interference peaks of the sensor is so far the scope of the measurement. Through the experiment can get measurement range for . The experimental 20~300,m
results can get the EFPI fiber optic micro displacement sensor the measurement precision can reach . In the experiment of measuring spectrum get in on time with good stability. 1,m
Through to the EFPI measuring principle of fiber optic sensor is analyzed, and the design based on fabry-perot interference principle EFPI of optical fiber sensor and system, and will the sensor system use the actual displacement measurement. The experimental results show that the system theory model and experimental results are the same, and have high measuring accuracy and good stability. If further will make the sensor should be variant sensor, the available in large buildings (dam and bridge health monitoring) play an important role.
中文译文A
实现微位移测量的非本征法布里-珀罗干涉型光纤传感器
摘 要: 从光纤耦合和多光束干涉的原理出发，建立了非本征型法布里-珀罗干涉仪
光纤传感器的理论模型,得到了用光谱法进行绝对距离测量的公式。设计出了传感器探头
的结构，并搭建了系统。用L ED 作为宽带光源所得到的反射光谱可用于实际样品的微
位移测量。实验结果表明，该传感器理论模型的数值模拟结果与实验结果是一致的。对
实验数据进行了误差分析，所得到的测量精度可达到1μm。
关键词:光纤传感器;非本征型法布里-珀罗干涉仪;位移;光谱
1 引 言
光纤传感器是一种新型的传感器。与传统传感器相比,它具有灵敏度高、抗电磁干扰、
耐腐蚀、电绝缘性好、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点。相对于其它光纤传感
器而言，由于法布里-珀罗光纤传感器结构简单、体积小、成本较低和适合于批量生产，
因此在大型建筑结构、复合材料、宇航飞行器、军工产品等领域具有良好的应用前景，
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 47 页 在这方面有大量的文献进行过相关报道。
目前，法布里-珀罗干涉仪光纤传感器可以归结为两类:
(1) 本征型法布里-珀罗干涉仪( IFPI) ，它是将一段传感光纤的两个端面抛光后镀上介质膜形成两个反射面，两反射面与传感光纤纤芯构成光纤谐振腔;
(2) 非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)是由置于石英毛细管中的两段切割好的光纤端面和中间的空气隙组成的谐振腔，为了提高传感器的灵敏度，一般在光纤的端面镀高反膜。EFPI传感器与IFPI 传感器相比,其最大优点是对温度的不敏感性，这是由于石英毛细管和光纤有相同的热膨胀系数以及存在中间空气隙的缘故。正是由于它的这个优点，所以常用它来进行单一微位移或应变量的测量。
本文较系统的从传感器的结构、测量原理、传感器系统的组成和实验结果等方面对EFPI 光纤传感器进行了研究。
2 传感器的结构
EFPI 光纤传感器的结构如图1 所示。传感器由石英毛细管和单模光纤构成。光纤端面在垂直于光纤光轴的方向被切割平整后，镀上多层介质的高反膜，相距约为几十微米，在石英管中与中间的空气隙形成F- P 干涉腔。两光纤在石英管中处于自由状态，不受外力或应变的作用。在石英管两端，用AB胶将光纤和石英管粘合在一起。图1 中, s
L为F- P腔的腔距。当这种结构用于应变测量时，石英毛细管两端粘结点之间的距离为g应变型传感器的标距。EFPI 传感器的腔距在外力作用下将发生变化，通过测量腔距s
,s的改变量就能得到微位移。
图1 EFPI传感器的结构
3 干涉型EFPI 传感器的理论分析
光纤Fabry- Perot 应变传感器是基于光的多光束干涉原理的。它不同于理想的F- P 标准具，这是因为光在两根光纤之间有能量上的耦合损耗的缘故。有关光纤之间的耦合损耗系数，在很多文献中都已有很多报道,这里直接引用损耗系数公式:
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 48 页
2,，，02,,,s(),，，1,e2 (1a) Ls(),2,1,e
2,,,s()1s,， (1b) ,,,,02,,,,0
式中:为高斯光束从光纤出射时的模场半径为光在腔中传播时的模场半径; ,,()s0
,为光的波长。
F- P 腔后,在腔中发生多次反射。设光束从光纤进入腔时的反射系数和透射光射入
''系数分别为和，从腔中进入光纤的反射系数和透射系数分别为和。光在腔中传播rtrt
2s一个周期的距离为。当光传播的距离较长时，损耗系数会趋于一个很小的常数。sLs()
为简单起见，令光在腔中传播一个周期时的损耗系数。 LsL(2),
it,Ee进入F- P 腔的光场可以表示成为 。经过多次反射后的光场可依次表示为 0
it,,EEre,r10
,,''(2)itks,EEtrtLe,,r20
,,'3'2(4)itks,EEtrtLe, (2) r30,
,,
kk,2/,,式中:为波数，且;为光波的频率。 ,
各光波的叠加所得到的反射光波的电场矢量为
EEEE,，，， (3) rrrr123
I 反射光强可由下式得到: r
*IEE,, (4) rrr
将式(2) 、式(3) 和它的共轭项代入式(4) ，经化解后得到
2，，RLLks12cos(2)，,，，II, (5) ri21()2()cos(2)，,RLRLks
2RL,1I式中: 为入射光的光强;为高反膜的反射率，且。如果令损耗系数， Rr,i
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 49 页 则可得到无损耗时的爱里公式。
为了克服光强波动对系统的影响，采用宽带光源代替单色光源，这样式(5) 中的传感器反射光强就成了波长,和腔距的双参量函数，即。当腔距一定时,Ifs,(,),Issrr
反射光强与波长,之间存在确定的光谱分布。当腔距改变时, 其光强与波长的光谱Isr
分布也会发生变化。
显然,根据光谱分布可以求出传感器的腔距，进而可以得到传感器的位移量。由式(5)
时,反射光强达到极大值。于是可选取其可知，当相位满足2(21)(0,1,2,3,)ksmm,，,,
,mq，中两个光强极大处对应的波长,和来处理信息( 和分别为它们所对应的干mmq，m
,则,和腔距满足如下关系: 涉级次) ，,smq，m1
4,s1,，(21)m, (6)
,m
4,s1,，，2()1mq,,, (7) ,mq，
由式(6) 和式(7) 得
,,,,qmqm，s,,, (8) 1,,2,,,mqm，,,
当腔距发生变化时，光谱峰值对应的波长也将发生变化，可以得到另外两个波长数
'',,和。同理可以得到变化后的腔距为 ，mqm
''',,,,qmqm，s, (9) ,,1'',,2,,,mqm，,,
于是位移的变化量为
,,,sss (10) 21
这种测量方法是通过波长而不是通过光强来实现位移的测量的，所以它可以克服光源光强波动对测量造成的影响，在理论上它具有更好的测量稳定性。 4 实验验证与位移测量
4. 1 实验装置
为了验证该模型的正确性，按照图2 搭建了实验系统。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 50 页
图2 实验装置系统图
1330nm ，带宽为100nm的L ED。光谱分析仪采用安立公司的光源选用中心波长为
MS9710C 型光谱仪。耦合器的另一支插入折射率匹配液中以消除端面反射。制作好的EFPI 传感器固定在待测样品上,若用外力使样品发生应变，则将引起传感器发生相应的应变。反射光经过同一耦合器进入光谱分析仪。用光谱分析仪可以测量出EFPI 干涉条
'',,,纹的两个峰值点的波长,,和腔距变化后的波长,。测量结果经计算机处理，mqmq，mm
后可得到微位移的结果。
4. 2 数值模拟和实验验证
为了验证所提出的理论模型的正确性，对计算机数值模拟的结果与实验测量的结果进行了对比分析，并将所得到的曲线表示在同一图中，如图3 所示。图中的实验曲线是当传感器腔长为时通过实验得到的光谱图,理论曲线是当腔长为时采用式(1) 50,m50,m和式(5) 通过计算机模拟出的光谱图。由图可以看出，两条曲线吻合的比较好，特别是
1nm两光谱曲线的波峰和波谷在所对应的波长数值上的偏差只有。由此可以确定本文所建立的理论模型是正确的。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 51 页
图3 理论数值模拟曲线和实验曲线对比图
4. 3 位移测量与误差分析
将制作好的EFPI 光纤传感器用胶固定在待测样品上,通过施加外力使样品发生微小位移。
从式(8) 和式(9) 可知，本传感器的测量误差是由峰值所对应的波长和波长间隔的读数偏差引起的。在这两个量中，波长间隔读数偏差是引起测量误差的主要因素。如果对式(8) 和式(9) 进行微分，可以得到由波长间隔读数偏差引起的腔距测量误差。由于
1nm所使用的光谱仪其波长测量分辨率为 ，所以通过计算，当腔距为时,其测量误50,m差。 ,,sm1,
sm,51.2,sm,77.8,通过式(8) 和式(9) 可求得绝对腔距分别为和。通过式(10) 12
可以得到由传感器发生的微位移。 ,,sm26.6,
光谱仪中恰能测出两个干涉峰到不能再准确区分出相邻两干涉峰的位置为止是传感器的测量的范围。通过实验可以得到的测量范围为。由实验结果可得到该20~300,m
EFPI 光纤微位移传感器的测量精度可达到。在实验中得到的测量光谱在时间上具1,m
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 52 页 有良好的稳定性。
5 结 论
通过对EFPI 光纤传感器的测量原理进行分析，设计出了一种基于法布里-珀罗干涉原理的EFPI 光纤传感器和系统,并将该传感器系统用到了实际位移的测量。实验结果表明,该系统的理论模型与实验结果是一致的，并具有较高的测量精度和良好的稳定性。如果进一步将该传感器制作成应变型传感器，则可以在大型建筑结构(大坝和桥梁的健康监测) 中发挥重要作用。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 53 页
附录B
1 SICL概述
SICL(Standard Instrument Control Library标准仪器控制库，这是Agilent公司为多种接口下便携式仪器提供的I/O库，用它可以通过控制器与仪器进行通信。SICL中的GPIB函数都是符合SCPL(Standard Commands for Programmable Instrumets可编程仪器标准指令)标准的。
SICL是一个能够在多种的计算机体系，I/O接口和操作系统上工作的仪器通讯I/O函数库。SICL使用标准的通用函数能与许多不同类型的接口进行通讯，例如，一个用于实现一台特定仪器和某一接口通讯的程序，同样也能实现其他接口与这台仪器的通讯。通过调用SICL函数库编写的应用程序，源代码只需要做稍稍修改甚至不用改动就可以从一个系统移植到另一系统。
Windows 98SE，Windows Me，Windows 200，Windows XP和Windows NT系统都是支持32位版本的SICL。C，C++和Visual Basic在这些系统下都是能调用SICL的。应用SICL开发的程序支持HPIB、GPIB、VXI、RS(232和LAN等接口。
2 SICL的函数介绍
SICL提供了众多的功能函数，其中在本程序常用的几个函数有:INST，iOpen，iPrintf/ ivPrintf， iScanf/ ivScanf，iPromptf，iClose，_Siclcleanup。
1) INST
功能:为仪器或接口定义一个标识id，使应用程序的命令能指向该仪器或接口。
2) iOpen
功能:在使用任可SICL函数前，应用程序首先必须同仪器或接口建立通道。通过iopen函数就可以建立通道。这个函数建立一个通道并返回一个通道标识，这个通道标识只能作为一个参数在SICL函数中传递。
3) iPrintf,ivPrintf
功能:以一定的格式化的字符串发送命令及参数给制定的仪器通道。
4) iScanf,ivScanf
功能:从仪器的输出队列读取格式化的数据，并以字符串格式保存所得数据。
5) iPromptf
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 54 页
功能:可以看成是iPrintf和iScanf函数的组合。
6) iClose
功能:结束一个与仪器或默认资源管理器联系的SICL通道。所有为该通道分配的数据结构都被释放，之前被定义的id不再是一个有效通道标识它不能再用了。
Siclclcanup 7) _
功能:当调用SICLI,0资源的程序结束时，需要执行这个函数。 3 SICL的调用
(1)SlCL在C，C++，VC中的调用
要在C，C++，VC中调用SICL函数编写程序，只要在LIB文件夹添加SICL32(LIB库文件和在INCLUDE文件夹添加头文件(Header Files)sicl(h，并且在程序开头声明SICL函数库(如include“sicl.h”)就可以调用到SICL里面的函数了。
(2) SICL在Visual Basic中的调用
要在VB中调用SICL编写程序，同样的在工程中添加SICL32(has模块就可以了。
这样就可以在计算机上用VB编写程序，通过SICL函数附上MS9710C光谱仪的功能命令，由GPIB数据线来实现计算机与光谱仪的数据交互功能。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 55 页
附录 C
R=10%，腔长为50um时
NA=0.13;
R=0.1;
l=100000;
wavelength=1100:1:1520;
v=2*pi*NA./wavelength;
w0=3*(0.65+1.619./v.^1.5+2.879./v.^6); lr=pi*w0.^2./wavelength;
wl=w0.*(1+(l./lr).^2).^0.5;
n=2*wl.*w0./(w0.^2+wl.^2);
i=exp(-(wavelength-1310).^2./10000); t=R*(1+(1-R)^2.*n.^2)+2*n.*(1-R).*abs(cos(2*pi.*l./wavelength));
y=i.*t
plot(wavelength,y)
hold on
z=1.73.*i
plot(wavelength,z,'r')
R=10%，腔长为200um时
NA=0.13;
R=0.1;
l=400000;
wavelength=1100:1:1520;
v=2*pi*NA./wavelength;
w0=3*(0.65+1.619./v.^1.5+2.879./v.^6); lr=pi*w0.^2./wavelength;
wl=w0.*(1+(l./lr).^2).^0.5;
n=2*wl.*w0./(w0.^2+wl.^2);
i=exp(-(wavelength-1310).^2./10000); t=R*(1+(1-R)^2.*n.^2)+2*n.*(1-R).*abs(cos(2*pi.*l./wavelength));
y=i.*t
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 56 页 plot(wavelength,y)
hold on
z=1.75.*i
plot(wavelength,z,'r')
R=40%，腔长为50um时:
NA=0.13;
R=0.4;
l=100000;
wavelength=1100:1:1520;
v=2*pi*NA./wavelength;
w0=3*(0.65+1.619./v.^1.5+2.879./v.^6); lr=pi*w0.^2./wavelength;
wl=w0.*(1+(l./lr).^2).^0.5;
n=2*wl.*w0./(w0.^2+wl.^2);
i=exp(-(wavelength-1310).^2./10000); t=R*(1+(1-R)^2.*n.^2)+2*n.*(1-R).*abs(cos(2*pi.*l./wavelength));
y=i.*t
plot(wavelength,y)
hold on
z=2.*i
plot(wavelength,z,'r')
R=40%，腔长为200um时:
NA=0.13;
R=0.4;
l=400000;
wavelength=1100:1:1520;
v=2*pi*NA./wavelength;
w0=3*(0.65+1.619./v.^1.5+2.879./v.^6); lr=pi*w0.^2./wavelength;
wl=w0.*(1+(l./lr).^2).^0.5;
n=2*wl.*w0./(w0.^2+wl.^2);
i=exp(-(wavelength-1310).^2./10000);
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 57 页
t=R*(1+(1-R)^2.*n.^2)+2*n.*(1-R).*abs(cos(2*pi.*l./wavelength));
y=i.*t
plot(wavelength,y)
hold on
z=1.97.*i
plot(wavelength,z,'r')
浙公网安备 33021202002483