第3章 相位调制型光纤传感器
合集下载
相位调制型光纤传感器共28页文档
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
相位调制型光纤传感器
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
相位调制型光纤传感器
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
第三章 强度调制型光纤传感器 2013
• 其他形式反射式强度调制
工业用内窥镜
微机控制的工业内窥镜
医用内窥镜
• 医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组 成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通 过传像束输出。 • 由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真 小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的 重要仪器。
透射型强度调制方法
1、动光纤式 一根为光的入射光纤，另一根为调制后的光的出射光纤。两根光纤的间 距为2—3μ m，端面为平面，两者对置。通常入射光纤不动，外界因素 如压力、张力等使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤 输出的光强被其位移所调制。
２、遮光屏
３、动光栅式
微弯损耗光强调制
1 E0 Es Er es cos20 t cost 2 1 E0 es cost 2
双光路微弱信号检测
单光路检测中，调制区输出光强实际上还包含有光源的光强波动，这 一波动信号与外界被测信号很难区分，为了消除光源影响，采用 双光路微弱信号检测。
1
2
2 m a M
2 2
1、对于梯度光纤
2, 2 / a
Δ β 与模序数无关，即在β 空间所有模间隔相等，假如一个导模能被耦合入 另一导模，则所有导模都被耦合如邻近导模。如果使一个导模泄漏为辐射模， 则很多模都泄漏为辐射模，从而达到模式间的最佳耦合。最佳微扰周期
第三章 强度调制型光纤传感器
光调制分类
光调制技术在光纤传感器中是非常重要的技术，各 种光纤传感器都不同程度地利用了光调制技术。 调制方式分类: 强度调制 波长调制 频率调制 相位调制 偏振调制 将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,而能完成 这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参 数随外加信号变化而改变，被信息调制的光波在光纤 中传输，然后再由光探测系统解调，将原信号恢复。
传感器第3章 光纤传感器
n1 sin1 n2 sin2
(3-1)
当入射角 1
c
arcsin( n2 n1
)
时，2
90
折射光沿着界面传播；
当入射角1 c 时，光不再产生折射只有反射，即产生全反射，全反射满足的
条件：
1
c
arcsin( n2 n1
)(n1
n2 )
c 为临界角
(3-2)
② 渐变型光纤：表示渐变折射率光纤的折射率从纤芯中央到包层外侧随距离的分布。 这种类型光纤的折射率从纤芯中央开始向外随径向距离增加而逐渐减小，而在包层中 折射率保持不变。
图3-3 阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率变化
3.2.1 光纤的工作原理和结构
光纤的结构
光纤按其传输模式分为单模光纤和多模光纤
① 单模光纤：指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常仅几微米)、传播模式很少、原则上 只能传送一种模式的光纤(芯径很小的低损耗光纤) （干涉型传感器） 优点：光纤传输性能好，对比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。 缺点：纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。 ② 多模光纤：指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(几十微米)、多传播模式光纤（强度型传感器） 优点：光纤性能较差，带宽较窄； 缺点：芯子的截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。
3.1.2 光纤传感器的分类
按传感器传感原理分类：
功能型(Function Fibre Optic Sensor, FF型)，以光纤自身作为敏感元件，使用单模光纤； 非功能型(Non-Function Fibre Optic Sensor, NF型)，利用其它敏感元件，使用多模光纤。 这两类光纤传感器的基本组成：光源、入射光纤、调制器、出射光纤和光敏器件组成， 但两者的光纤所起的作用是不同的(也就是调制器不同)。
学习情境四：相位调制型光纤传感器及其应用.doc.ppt
传感器再经过光纤延迟线，然后进入耦合器，形成
逆时针方向光束。两束光在Sagnac光纤环内传输一
圈再经过耦合器进入
光电探测器。光电探测器探测到的这两束光干涉后
的光强为
I
1 2
I0 1
cos(1
2 )
(4-8)
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强
器中，用单模光纤制成Fabry-Perot腔，即在光纤抛 光端面镀以高反射率的反射膜，如果镀一层反射膜 就构成双光束的Fabry-Perot腔。为了提高精度一般 镀以多层介质反射膜，构成多光束干涉腔，形成多 光束干涉，如图4-6所示。
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
i: 0 2 Iin Iout 纤芯
∆Φ 1----顺时针方向光束和逆时针方向光束在Sagnac 光纤环内传输一圈产生的静态相位差
∆Φ 2----声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆 时针方向光束产生的相位差
通过相位调制和偏振控制可以使静态相位差∆Φ 1＝ /2，这样传感器的灵敏度最大，则(4-8)变为
I
1 2
I 0 1 sin(2 )
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
二、学习内容 4.1相位调制型光纤传感器的原理
相位调制光纤传感器（通常也叫干涉型光纤传感 器）的基本原理是：被测量的物理量使得光纤内传 输光的相位φ =k0nL发生变化，再用干涉测量技术把 相位变化转换成光强度变化，光电探测器把光强变 化转换成电压或电流变化，进而实现检测被测物理 量的目的。相位调制光纤传感器主要是干涉式光纤 传感器，其特点为：
相位调制型光纤传感器课件
04
相位调制型光纤传感器的优点 与局限性
优点
抗电磁干扰
高灵敏度
相位调制型光纤传感器利用光的干涉原理 ，不受电磁干扰的影响，适合在强磁场、 高电压等恶劣环境下工作。
由于相位调制型光纤传感器利用光的干涉 效应，其灵敏度较高，能够检测微小的变 化。
结构简单
传输距离远
相位调制型光纤传感器结构简单，易于集 成和实现小型化。
相位调制型光纤传感器课件
目录
• 相位调制型光纤传感器概述 • 相位调制型光纤传感器的基本原理 • 相位调制型光纤传感器的调制方式 • 相位调制型光纤传感器的优点与局限性 • 相位调制型光纤传感器的应用实例 • 相位调制型光纤传感器的发展趋势与展望
01
相位调制型光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
相位调制型光纤传感器是一种利用光纤干涉原理，通过相位 变化检测外界物理量（如温度、压力、振动等）的传感器。
优点
高灵敏度、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作。
03
挑战
对温度、振动等其他环境因素较为敏感，需要进行误差补偿和校准。
温度传感
温度传感
相位调制型光纤传感器能够通过 测量光纤中光的相位变化，实现 对温度的精确测量。这种传感器 在电力、能源、环保等领域有广
泛应用。
优点
高精度、响应速度快、稳定性好 。
挑战
容易受到其他环境因素的影响， 如压力、湿度等，需要进行误差
校正。
折射率传感
折射率传感
相位调制型光纤传感器能够通过测量折射率变化对光纤相 位的影响，实现对折射率的精确测量。这种传感器在生物 医学、化学分析等领域有广泛应用。
优点
高灵敏度、分辨率高、响应速度快。
光纤传感相位调制型光纤传感器资料重点
2020/10/7
13
应用光纤陀螺仪测量的基本难点是：对其元件、部件和系统的要求极为苛刻。 例如，为了检测出10-2º/h 的转速，使用长 L 为1km的光纤，光波波长为1μm， 光纤绕成直径为 10cm的线圈时，由Sagnac效应产生的相移Δφ为10-2 rad，而 经1km长光纤后的相移为6×109 rad，因此相对相移的大小为Δφ/ φ≈10-7。由 此可见所需检测精度之高，由于Sagnac光纤干涉仪集中体现了一般光纤干涉 仪中应考虑的所有主要问题，因此下面考虑的问题对其他光纤干涉仪也有重 要的参考价值。
由弹性力学可知，应力 σ 和应变 ε 之间的关系为：
2020/10/7
4
2020/10/7
5
3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
2020/10/7
6
2020/10/7
7
3.2 光纤干涉仪的类型
3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪
2020/10/7
8
Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪都是双光束相位调制型光纤传感器 干涉仪。图3-1 是 M-Z 光纤干涉仪的原理图。由激光器发出的相干光，分别 送入两根长度基本相同的单模光纤（即M-Z光纤干涉仪的两臂），其一为探 测臂，另一为参考臂。从两光纤输出的两激光束叠加后将产生干涉效应。实 用 M-Z 光纤干涉仪的分光和合光由两个光纤定向耦合器构成，是全光纤化 的干涉仪，提高了它的抗干扰能力。 图3-2 是Michelson光纤干涉仪的原理图。实际上，用一个单模光纤定向耦合 器，把其中两根光纤相应的端面镀以高反射率膜，就可构成一个 Michelson 光纤干涉仪。其中一根作为参考臂，另一根作为传感臂。
光纤传感3-相位调制型光纤传感器剖析
第3章 相位调制型光纤传感器
2019/1/11
1
3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
2019/1/11
5
3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
2019/1/11 20
③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
2019/1/11
1
3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
2019/1/11
5
3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
2019/1/11 20
③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
相位敏感的光纤传感器工作原理
相位敏感的光纤传感器工作原理光纤传感器在许多领域都得到了广泛的应用，而相位敏感的光纤传感器更是以其独特的优势在众多传感器中脱颖而出。
本文将详细介绍相位敏感的光纤传感器的工作原理。
一、基本概念光纤传感器是一种利用光纤作为敏感元件的光电器件，它可以感知外界环境的变化，并利用光纤将这种变化传输到光电器件，从而实现对被测量变化的感知。
相位敏感的光纤传感器则是一种特殊类型的光纤传感器，它利用光纤中的相位变化来感知外界环境的变化。
二、工作原理相位敏感的光纤传感器基于光的干涉原理进行工作。
它利用两个平行的光纤，其中一个光纤中的光信号被调制，形成相干光。
当这两个光纤之间的相位差发生变化时，干涉条纹的亮度也会随之改变，从而感知外界环境的变化。
具体来说，相位敏感的光纤传感器在感知外界变化时，会利用一个可调元件（如折射率可调元件）来改变光纤之间的相位差。
当外界环境发生变化时，可调元件的参数也会随之变化，从而改变光纤之间的相位差。
这种变化会被传输到光电器件，从而产生相应的电信号，实现对被测量变化的感知。
三、优点与缺点相位敏感的光纤传感器具有许多优点，如灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强、测量范围广等。
它可以通过光纤传输信号，具有很好的隐蔽性和安全性，因此在军事、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
然而，相位敏感的光纤传感器也存在一些缺点。
例如，它需要精确的相位控制和调制技术，这会增加传感器的制造成本和复杂性。
此外，它还可能受到环境因素的影响，如温度、压力等，需要采取相应的措施来克服这些影响。
四、应用场景相位敏感的光纤传感器在许多领域都有应用，如机械振动监测、液体质量流量测量、应变测量、环境监测等。
它可以用来感知各种物理量，如温度、压力、速度、加速度等，为各种工业过程和环境监测提供了新的手段。
五、未来发展随着科技的不断进步，相位敏感的光纤传感器也在不断发展和改进。
未来，我们可能会看到更高精度、更低成本、更易于集成的新型相位敏感的光纤传感器。
相位调制型光纤传感器
03
改变光纤长度
通过拉伸或压缩光纤来改 变光程，从而引起相位变 化
改变光纤折射率
利用外界因素（如温度、 压力等）改变光纤折射率 ，进而影响相位
利用干涉效应
采用干涉结构，将相位变 化转换为光强变化进行测 量
相位解调技术
零差解调
将信号光与本振光进行干 涉，通过检测干涉信号的 相位变化来解调信号
外差解调
电二极管、雪崩光电二极管等。
封装工艺及优化
光纤封装
采用合适的光纤封装工艺，保证光纤与调制器、探测器之间的耦 合效率和稳定性。
调制器封装
根据调制器的结构和特点，采用合适的封装工艺，保证调制器的 稳定性和可靠性。
优化设计
针对传感器性能进行优化设计，如提高灵敏度、降低噪声、增强 抗干扰能力等。
04
CATALOGUE
压力分布测量
利用光纤传感器的分布式特性，可以实现对压力场的二维或三维测 量，用于流体力学、结构健康监测等领域。
微小压力变化测量
相位调制型光纤传感器对微小压力变化非常敏感，可用于声学、生物 医学等领域。
位移测量应用
高精度位移测量
相位调制型光纤传感器可用于高精度位移测量，如机床、 精密仪器等设备的位移监测，通过测量位移引起的光纤中 光的相位变化来推断位移。
探测器
接收经过调制的光信号，并将其转 换为电信号进行处理。
关键器件选型与设计
光纤选择
01
根据传输距离、传输损耗、色散等参数选择合适的光纤类型。
调制器设计
02
根据待测物理量的特性和要求，设计合适的调制器结构，如
Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪等。
探测器选择
03
根据接收光信号的特性和要求，选择合适的探测器类型，如光
光纤传感3-相位调制型光纤传感器
2015-5-19
11
1. 基本原理 当环形光路相对于惯性空间有一转动 Ω 时（设 Ω 垂直于环路平面），对于 顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差。
式中：A是环形光路的面积；c为真空中的光速。 当环形光路由 N 圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光速之间的相位差为
2015-5-19
12
2. 优点和难点 和一般的陀螺仪相比较，光纤陀螺仪的优点如下： （1）灵敏度高 由于光纤陀螺仪可采用多圈光纤的办法，以增加环路所围面积（面积由A 变 成 NA，n是光纤圈数），这样就大大增加了相移的检测灵敏度，但不增加 仪器的尺寸。 （2）无转动部分 由于光纤陀螺仪被固定在被测的转动部件上，因而大大增加了其实用范围。 （3）体积小
式中式中：a(i)是第i层材料的线热膨胀系数。 把式（3-7 ）代入前述应力应变的关系可得： 2015-5-19
6
2015-5-19
7
3.2 光纤干涉仪的类型
3.2.1 Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪
2015-5-19
8
Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪都是双光束相位调制型光纤传感器 干涉仪。图3-1 是 M-Z 光纤干涉仪的原理图。由激光器发出的相干光，分别 送入两根长度基本相同的单模光纤（即M-Z光纤干涉仪的两臂），其一为探 测臂，另一为参考臂。从两光纤输出的两激光束叠加后将产生干涉效应。实 用 M-Z 光纤干涉仪的分光和合光由两个光纤定向耦合器构成，是全光纤化 的干涉仪，提高了它的抗干扰能力。 图3-2 是Michelson光纤干涉仪的原理图。实际上，用一个单模光纤定向耦合 器，把其中两根光纤相应的端面镀以高反射率膜，就可构成一个 Michelson 光纤干涉仪。其中一根作为参考臂，另一根作为传感臂。
五类光纤传感器基本原理和优点简介
五类光纤传感器基本原理和优点简介来源：与非网根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。
1）强度调制型光纤传感器基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。
恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。
这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。
强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。
一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。
2）相位调制型光纤传感器基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。
相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。
目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
3）频率调制型光纤传感器基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。
光纤传感技术课件：相位调制型光纤传感器
增加传感光纤长度 l 的方法， 可以提高相位检测的灵敏度。
实际上采用反射镜使光在光纤中传输两次的方法， 可以在没
有增加传感光纤长度的情况下， 达到相位延迟提高为2f效果。
11
相位调制型光纤传感器
因此采用此方法得到的相位差可以表示为
(5.1-12)
有两种反馈装置可以实现光在光纤中传输两次的目的： 其一， 在传感光纤端面镀以高反射系数的反射膜， 使得光 纤中的光到达端面后以极高的比例重新耦合到光纤中； 其 二， 在光纤反射端接法拉第旋转镜(FRM)， 使得光被反射 并重新耦合到传感光纤的同时， 其偏振面发生90°的旋转。
31
相位调制型光纤传感器
这个相位延迟量可表示为φ=（8πA／λ0c）Ω。 式中， Ω为
旋转率， A是光路围成的面积， c是真空中的光速， λ0是真空中的光波长。 这样， 通过探测器检测干涉光强的变 化， 便可确定旋转角速度。 因此， 萨格纳克干涉仪是构成光 纤陀螺仪的基础。 光纤陀螺仪的结构见图5-7。 其灵敏度比空 气光程的萨格纳克干涉仪要高几个数量级。 首先是由于采用 若干圈光纤增加了干涉仪环的有效面积， 其次是由于利用了 电子探测技术， 其相移表达式为φ=(8πNA／λ0c)Ω， 式中， N 是光纤环的匝数。
2
相位调制型光纤传感器
图5-1 相位调制型光纤传感器的工作原理图
3
相位调制型光纤传感器
确切地说， 相位调制型光纤传感器通过待测能量场对通 过一段单模光纤传输的相干光进行相位调制, 其相位的变化就 反映了待测场的大小。 由于光敏探测器无法响应激光的高频 率, 所以待测场所产生的相位调制不可能直接被探测到, 通常应 先把相位调制转换为振幅调制, 而后由探测光强的变化即可得 知相位变化。
相位调制型光纤传感器
(4)一般形式的相位变化
1 2 nk0 L 3 1 n 1 P La 3 12 P 11 a 2
1 其中 3Leabharlann 为泊松比2 温度效应
温度应变效应－类似于应力应变效应
dL dn k 0 L n T dT dT
参考信道?干涉的三个必要条件?两叠加光波的位相差固定不变?振动方向相同?频率相同?频率相同相干条件?两个补充条件?振幅差不悬殊?光程差要小于波列长度光纤中的相位调制1应力应变调制2温度调制1应力应变效应?当光纤受到纵向轴向的机械应力的作用时光纤的长度芯径以及芯径折射率都会发生变化
光纤相位调制机理及光 纤干涉仪
LD
耦合器
探测臂
可移动
光纤反射端面
PD 信号处理
参考臂
固定
原理：激光器发出的光经过耦合器分为两束，分别经过 参考臂和测量臂，两束光在两臂的端面处分别发生反射 而返回耦合器，分光后，一部分反射光进入光探测器， 另一部分光被反射进入激光器。当被测物体发生形变时， 带动粘附于被测物体上的光纤应变，使得干涉条纹移动， 从而测得该应变。
A’ BS A Ω a
8NA Ω λC
光纤Sagnac干涉仪
LD
耦合器
Ω
PD
Id
B
-π
0 π/2 π 光强-相移关系
2φ
光纤Fabry-Perot干涉仪
Fabry-Perot干涉仪
原理:由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两
个相对的反射镜表面作多次往返，透射出去的 平行光束由光探测器接受。 结构
Laser
传感器
光 探 测 量
光纤Fabry-Perot干涉仪
第3章 相位调制型光纤传感器
相位调制型
5.3 特点
信 号 Is t 出 射 光 波
入 射 光 波
相位调制区
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
2
当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差 越多，K值越小
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观察时间内，许多波列都通过P点 原子前后发出的两列光波相互独立
没
有固定的位相关系a 2a a cos )d I Id (a 两个发光原子同时发出的波列形成的干涉 a a 2a a / cos d 图样只能在极短的时间内存在 如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则 接收器只能记录到强度的平均值 1 2 2 cos d 0 I a a I I
原理：2个干涉仪构成
FPPI LED
耦合器 LD AB 耦合器 信号处理
PD
C A’ B’ Michelson干涉仪
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪6－白光干涉
白光干涉的优点与问题
优点：
绝对测量 抗干扰能力强－系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动 等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检
相位调制型
光纤传感器
Fiber Optic Sensors
Lecture 3
相位调制型
光纤传感器的分类
入射光波 出射光波
入射光波的特征参量：相位
功能型
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
相位调制型
应力应变效应
通过长L的光纤，出射光 波的相位延迟：
光波在外界因素影响下 的相位变化：
L 2 L
L L L L L n L a
L n
a
应变效应 光弹效应
材料折射率变化与应变 的关系参考书（5-17）
3dB耦合器
τ
Φs(t)
相位3dB耦调合器制型 x1(t)
S(t)
π/2
Φs(t) x2(t) τ
x2(t-τ)
arcsin-1
放大器
探测器
y(t)
d(t)
例：以MZ干涉仪为例
相位压缩原理
调相定制位义普相光源信变相 通位号化位温长信干测的量压度相号涉量的 压相幅缩敏干处仪的干 缩位值系3感长理的相d变为数涉B度电相位耦化为仪合为 相的路位为器的位光复信干差共源杂号涉sπn幅sτm/m2限光同值定束与缺s2相在相t点0位n位线ΦΦss差((tt差性sS))变(ttx)L的范2化(t)围变量 τ幅之化4x值3内量1(dt之B)2n耦比c2合x20L器(t-fτs)L
5.3.2 光纤干涉仪1-2 cond’t
MZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪
固定光程差（～10cm－由光 源线L 宽L决定L） n L D
检测：锁相、比较和计数
L n
D
隔离器 耦合器
耦合器
解决：
条纹高细DBF分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵驱敏动度和精度随光程差改变；
相干条件
干涉的三个必要条件
两叠加光波的位相差固定不变 振动方向相同 频率相同 定义：相干光波、相干光源
补充条件
利用原子发出的同一波列 光程差要小于波列长度
相位调制型
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
5.3.1 相位调制机理
干线实涉性现限固项函方制定－数法了的相近：时它间们位似间的差正隔线的弦Ｔ性Py余函(内输Ct) F弦数测出a量范r函cs相围isns数nm-m1位差2d(t)CnL放f大s 器
C 探测器
2 fs
设L＝3km， f在时s＝正间50交间Hz工隔，作tλ可0＝状以1态.从3μ下延m，：时n<光＝0.1纤2.45得6r,aL到d=输2μ入m，相位差１％线性度误差
V1 a b cos 0 c sin 0 V2 2b1 cos 0 V3 a b cos 0 c sin 0
探测器3
外差法
相位调制型
普通外差法
Wout
1
2
W010al
1V
出射光波
5.3 特点
相位调制型
信 Is
号
t
出
射
入
相位调制区
光 波
射
光
波
参考信道
特点：
干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、
温度（10-8℃） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏
相位调制型
相位调制型
*干涉效果的定量表征－条纹的清晰度
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 Sagnac干涉仪（环形腔） 相位压缩原理与微分干涉仪 白光干涉
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
A2 A12 A22 2A1A2cos( )
多光束干涉
I I0
2φ
光强-相移关系
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪3 cont’d
4个问题
互易性与偏振态
同光路：一个耦合器附加光程差
同模式：使用单模光纤
同偏振态：对保偏光纤的需求
偏光置子余与噪玄相声函位数调制近零点（低转速P）D 灵敏12度P很0 (低1
c os )
基本限制影响信•4噪5度比和动态偏置： 寄生效应的影响与消•调除制方法无：转动部件；偏置点稳定
cos0t
0
关键：移频器
合光成源外差法耦合器
+ω0
耦合器
探测器1 解 调 器
避免移频器件的使用相位调制器
探测器2
高频大幅度的正弦信传号感光－纤 控制相位调制器
伪外差法Wout
1 2
W010al
1
V
coss
sinmt
0
d锯iffe齿ren波cebetw调ee制n th激e t光w o器sig的nal工s：作co电s[3流mt ( 0 )]
如果各时刻到达的波列的位相差δ无规则变化，则
接收器1 0只co能s d记 录0 到强I 度a12的 a平22 均I1 值I2
P点是任意的 不发生干涉现象。 如果两光波的位相δ固定不变，则有
1
cos d cos
0
I
I1 I2 2
I1I2 cos
温度应变效应－类似于应力应变效应
T
k0
L
dn dT
n
dL dT
仅考虑径向折射率变化时：
T
1 n
n T
1 T
z
n2 2
P11 P12 r
P11 z
对于四层光纤，考虑边界条件：
0.71105 / C, T
103rad /( C m)
LT
相位调制型
5.3.1 相位调制机理 cont’d
多层结构的考虑：
纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷… 结论：
二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 MZ干涉仪中，声压力产生的温度PZ效T 应
实现应变的方法：
光纤
5.3.2 光纤干涉仪的类型
探测臂
I (1 cos ),
if , 2m and
外界因素引起 L 和 参n考的臂变化：
m耦合器L
干涉条纹
LD
PD 信号处理
L
探测臂
可移动
光纤反射端面
耦合器
L
L
L
L
L
n
L
D
参考臂 L
n 固定 D
波导效应，可忽略
相位调制型
FBG 信号解调系统 FFPI传感器
相位调制型
5.3.2 光纤干涉仪5－多光束干涉 cont’d
光纤环形腔干涉仪
激光输入
1
3
耦合器
2
4
光输出
光纤环
自由谱区宽度（FSR） FSR c
干涉细度F： F FSR
nL
I3-βL I4-βL
5.3.3 相位压缩与微分干涉仪 光 源
1
(1
4R R)2
sin
2
2
结论
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
discriminability(sensitivity) R
5.3.2 光纤干涉仪1-2
相位调制型
Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪
干LD涉光强:
耦合器
K
2 A1 1 A1
A2 A2 2
相位调制型
*相干条件（产生干涉的条件）
在观原察子时间前内后，许发多出波列的都两通过列P点光波相互独立 没
有固I定的1 0位Id相 关0 (a系12 a22 2a1a2cos )d 两 图个样发只光能原在极子同短a12 的时 a22发 时 2间出a1a2内的/ 波存0 co列在s d形 成的干涉
直接动态效应：温度，应力外差调制
反射和Rayleigh散射
磁光调制－调相－附加45度相移
Faraday效应
声光调制－调频
光Kerr效应
5.3.2 光纤干涉仪3
Sagnac干涉仪的应用
光纤陀螺与组合导航
相位调制型
cont’d
有RF 寻的的制导区、弹头或测试区、控制 区、推进器区
方类目方案型的案主：：：动控不两相制控臂位跟制的Δ踪l干相零W涉位差正0仪差法交的将（W工1A工不dP作dWT作断tH点2点改,A工W变ct作i2ved；dWpt使h1Δaφ用s＝eA两tr2πa/个dc2ki强ndgt度t 差
最类大型h主o的举动m信例o波d号长yn调e解）谐调零差法保（t持AW最TA佳1H2,灵AWc敏tiv0度detwavKelength tuning
h微o分mo交d叉yn相e）乘法
相位载波生成法（PGC，Phase generated carrier）[28]
和3×3耦合器法[29]
3×3耦合器法
相位调制型
缺点：
动态范围仍然受到解调电路的限制
复杂
优点：传感器的相位解调范围大大增加
探测器1
光源
耦合器
耦合器
探测器2
传感光纤
易受外界环境影响等
用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围 小的矛盾
光栅写入装置
5.3.2 光纤干涉仪3
相位调制型
Sagnac干涉仪
结构
优势：
LD
耦合器
Ω
无活动部件
无非线性效应
PD
无闭锁区
1
Δl
2
Id