学习情境四相位调制型光纤传感器及其应用PPT学习教案

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光纤传感器及应用
在图4-4中，激光光源发出的光被一个22的3dB 耦合器分成两束光，一束光在参考臂光纤中传播，另
一束光在传感臂光纤中传输，外界信号S(t)作用在传
感臂光纤上，从第2个3dB的耦合器出去的光经过光纤 分别送到光电探测器1和光电探测器2。根据两束光的 干涉原理，两个光电探测器接收到的干涉光的光强分 别为
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在了解Michelson干涉式光纤声发射传 感器之 前我们 先 来了解一下Michelson干涉仪
1） Michelson干 涉 仪
迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和 莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的 精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实 现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条 纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折 射率的测量。
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（3）径向变化引起的相位变化
只有径向应变时
且
且有：
nk0l(2 n 2 p 12 ) 3
（4-3）
2
2
a a
,
3
0
1
n n
2
k0n3l P11 P12 1
(4-4)
其中：为光纤的光弹系数且为常数 （4）光弹（弹光）效应引起的相位变化
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I
1 2
I0 1
cos(1
2 )
(4-8)
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式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强 ∆Φ1----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
∆Φ2----声信号作用的区域内，顺时针方向光束和
图4-5是Sagnac干涉式光纤声发射传感器结构 和工作 原 理图。
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激光器 光电探测器
光纤延迟线
顺时针方向光束
3dB 耦合器
传感器
声信号 S(t)
逆时针方向光束 图 4.5 Sagnac 干涉式光纤声发射传感器
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激光器发出的光由一个3dB的耦合器 分成两 束光， 一束光 先经过 光纤延 迟线再 经过传 感器， 然后进 入耦合 器，形 成顺时 针方向 光束； 另外一 束光先 经过传 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
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①灵敏度高 在相位调制光纤传感器中，使用了数米甚至上公
里的光纤，使其比普通的干涉仪更加灵敏。 ②灵活多样
由于相位调制光纤传感器的敏感元件本身就是光 纤，根据光纤体积小、柔软性好，其光纤探头的几 何形状可以按照要求设计成不同的形式。 ③测量对象广泛
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2） Michelson干 涉 仪 的 原 理
反射镜
移动导轨
M1
M1
M1 M2
反射镜
单 色 光 源
分光板
G1
M2
补偿板
G2
与
成角
光G电1/子/G技术2 专业-M国家1,重M点2建
设示范45性0专业
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3）光纤Michelson 干涉仪的原理图
不论何种物理量，只要对φ=k0nL中的k0、n、L 任何一项发生变化，就可以用于传感。
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所以，相位调制光纤传感器可以测量 压力、 应力、 应变、温度、加速度、电流、磁场、 折射率 等等； 并且，同一相位调制光纤传感器可以 对多个 物理量 进行传感。 ④特殊需要的光纤 在相位调制光纤传感器（干涉式光 纤传感 器） 中，为了获得最佳干涉效应，两相干 光的振 动方向 必须一致；因此，在相位调制光纤传 感器（ 干涉式 光纤传感器）中，最好采用高双折射 的单模 光纤。
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4.1.1 应力应变效应
（1）原理
当光纤受到纵向(轴向或沿光轴方向)的机械应力作
用时,光纤的长度、折射率都将发生变化,这些变化
都导致光纤中传输光的相位φ变化。
光通过长L、纤芯折射率为n光纤,出射光波的相位延
迟为:
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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：
I1
I0 2
1
cos
(4-7)
I 2
I0 2
1 cos
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式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器
的光强
∆Φ----外界因素引起传感臂与参考臂之间 的相位差，其中包括外界声信号S(t)引起的相位
差
α----光传播过程中综合光衰减因子，其中
包括耦合器的耦合率、及两臂的光衰减系数，一 般此类干涉仪中采用两个相同的耦合器
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在Mach-Zehnder干涉式光纤AE传感器中，通常
把传感臂紧贴在被测物体表面，而声信号S(t)作用
在传感臂光纤上而使传感臂光纤的长度和折射率都
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激光器发出的光被22的耦合器分成两 束光， 一束光 经过参 考臂到 达固定 的光纤 反射端 面，， 另一束 经过传 感臂到 达光纤 反射端 面。从 两臂反 射回来 的光经 过3dB的耦合 器耦合 进入同 一根光 纤，从 光纤出 来的干 涉光被 光电探 测器所 接收。 这种干 涉式光 纤声发 射传感 器特点 是两臂 的光程 彼此独 立，外 界声信 号作用 在传感 臂（又 称信号 臂）上 。
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（二）Mach-Zehnder干涉式光纤声发射传感器 Mach-Zehnder干涉式光纤声发射传感器的工作原理 如图4-4所示。
激光器
参考臂 3dB
光电探测器 1 3dB
耦合器 传感臂 声信号 S(t)
耦合器
光电探测器 2
图 4.4 Mach-Zehnder 干涉式光纤声发射传感 器
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∆Φ1＝
/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 )
(4-9)
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由式(4-9)看出，光电探测器探测到的光强I的变化 仅仅由∆Φ2引起，知道光强I的变化就能得知∆Φ2 的变化，进而实现对检测声信号S(t) 的检测。
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4)Michelson干涉式光纤声发射传感器 图4.3分别是Michelson干涉式光纤声 发射传 感器的 工作原 理图及 实物图
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激光器 光电探测器
参考臂 3dB
耦合器 传感臂
光纤反射端面
声信号 S(t) 图 4.3 Michelson 干涉式声发射传感器
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（5）实现纵向、径向应变的方法 ①PZT（压电陶瓷，Piezoelectric Ceramic）
压电效应:当PZT尺寸大小变化，其内、外壁间能产 生电压
②PZT逆压电效应：在PZT内外壁间加电压， 则PZT尺寸大小会变化
③方法 在PZT二端加电压，根据PZT逆电效应，PZT直径变化 使得光纤圈膨胀或收缩，进而使得光纤轴向（纵 向），径向产生应变，进而使变化。
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光弹效应：外界机械应力作用下，使 得光纤 折射率n 变化进 而产生 双折射 的现象 。光弹 效应下 产生的 相位变 化为
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(4-5)
n 3 0 E
1
P12
P11
其中：E为杨氏模量
为泊松系数（0.17）
沿着光纤截面两互相垂直半径方向的应力差 另外： P11=0.17，P12=0.27
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则光电探测器接收到的干涉光强度为
I I0 1 cos
(4-6)
2
式中：
I0----激光器发出的光注入到耦合器 的光强 ∆Φ----外界因素引起传感臂与参考 臂之间 的 相位差，其中包括外界声信号S(t)引 起的相 位差 α----光传播过程中综合光衰减因子 ，其中 包括 耦合器的耦合率、光纤反射端面的 反射率 及两
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光 纤 Michelson 干 涉 式 传 感 器的 特点 1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、使 用安全 。 2) 灵敏度高 3) 重量轻、体积小、可挠曲 4) 测量对象广泛 5) 传输损耗小 6) 传输容量大 7) 成本低
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k 0 nl
2 0
nl
kl
(4-1)
在外界因素作用下,(4-1)式相位的变化 为
kl lk kl l l k n l k az
(4-2)
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其中: a-纤芯半径
分析：第1项（klΔl/l）：光纤长度变化引起的
变化，导致传感臂和信号臂的传输光产生相位差∆Φ，
相位差的变化引起光电探测器的输出电压变化，然
后经过适当的信号处理系统能将信号S(t)从光强或
者光电探测器的输出电压中解调出来。据此原理， 可以制成测量压力或声压的光纤AE传感器。
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4.2.2 Sagnac干涉式光纤声发射传感器
相位延迟（应变效应）
第2项 （ləkΔn/ən）： 光纤折射率变化引起的
相位延迟（光隙效应）
第3项（ləkΔaz/ən）： 光纤半径变化产生的相
位延迟（泊松效应）
（2）纵向应变引起的相位变化
用 表示应变，只有纵向应变 有
时横向应变，且
1 2 0
( l )
l
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臂的光衰减系数
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第17页ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ共120页
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在Michelson干涉式光纤AE传感器中，通常在被 测物体表面镀反射膜或者在被测物体表面贴一个反 射镜；从传感臂射出的光打在被测物体上，声信号
S(t)的振动导致被测物体的振动而产生一个微位移，
导致两臂产生相位差。或者，把传感臂直接贴在被 测物体表面，由于被测物体的移动使传感臂中的光 程变化，导致两臂产生相位差。而相位差的变化可 以引起干涉光的干涉条纹移动或者使光电探测器的 输出电压变化。
4.2.3 光 纤 Fabry-Perot干 涉 式 光 纤 声 发 射传感 器 现在的光纤Fabry-Perot干涉 式光纤 声发射 传感器 中，用 单模光 纤制成 Fabr y- 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Fabr y-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。
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4.2 干涉式光纤传感器的类型 4.2.1 Michelson和Mach-Zehnder干涉式光纤 声发射 传感器 （一） Michelson干涉式光纤声发射传感器
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-
＋
光纤
图4.1 利用PZT产生纵（径）向应 变
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干涉光
图4.2光纤Michelson 干涉仪的原理图
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3） 光 纤 迈 克 尔干涉 仪的应 用 ①代替传统的迈克尔干涉仪应用于教 学 ②测量微位移 ③测量折射率 ④测量微应变、应力 ⑤测量磁场的强弱 ⑥测量压力
学习情境四相位调制型光纤传感器及其 应用
会计学
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学 习 情 境 四 ：相位 调制型 光纤传 感器及 应用
一、学习目 标
★学习相位调制型光纤传感器的原理 。
★掌握干涉式光纤传感器的类型及其 相关工 作原理 。
★掌握相位调制型光传感器的信号解 调技术 。
★了解光纤干涉仪的传感应用实例。
★了解相位调制型光纤传感器的发展 。