第五章 相位调制型光纤传感器

光源
反 射 镜 光纤耦合器 光纤聚焦器 电子学系统 计算机
探 测 器
样 品
2
1
与迈克尔逊干涉仪相似，从激光器输出的光先 分后合；两束光由移动平面镜的位移获得两相干光 束的相位差，在光检测器上产生干涉。
2
1
独特优点：
没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好，对 干涉影响小。 可利用分束器2上水平反射光和垂直透射光获得 干涉光强信号，增强使用的方便性。
影响相位变化的基础物理效应： 应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为

2

L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L k k (kL) k L n L a L n a
应变效应或 热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度 热光效应 小，一般不用）
2 1 2
A1 sin 1 A2 sin 2 arctan A1 cos 1 A2 cos 2
因为光电探测器探测的是光强，从而可得
I A2 A12 A22 2 A1 A2 cos
即百度文库
I I1 I 2 2 I1I 2 cos
。
其中，相位差
式中: R ——反射镜的反射率； ——相邻光束间的相位差。
当 2n （n为整数）时，干涉光强有最大值Imax=I0 当 (2n 1) 时，干涉光强有最小值
I min
1 R I0 1 R
2
2
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R I min 1 R
光源 探测器
3dB
参考臂
信号臂
特点
以3dB耦合器取代分束器，光纤光程取代空气光 程，以敏感光纤作为相位调制元件。
调制原理
敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感 光纤的相互作用，导致光纤中的光相位的变化或 光的相位调制。
工作原理：
光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等 的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然 后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信 号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤 中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波 在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由 与此端相连的探测器接收。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
优点：
结构简单，只需用一个半反半透镜
缺点：
两路光均有一部分返回光源，产生相干噪声； 光程差必须小于光源的相干长度.
第一节
第一节
优点：
以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高 缺点：
以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体 积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境 因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同 时调整困难，限制在一般场合的实用性。 ※目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化， 必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度 变化，才能实现对外界物理量的检测。
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤 实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊 （A.A.Michelson）
美籍德国人
因创造精密光学 仪器，用以进行 光谱学和度量学 的研究，并精确 测出光速，获 1907年诺贝尔物 理奖。
迈克耳逊在工作
由激光器输出的单 色光由分束器（把光 束分成两个独立光束 的光学元件）分成为 光强相等的两束光;
利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测 外界物理量及其变化量的光纤传感器。
通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光 波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化 转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。
优点
灵敏度高。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度， 可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了 干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉 仪小型化。 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探 头的形状可按使用要求设计成不同形状。 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的 光程产生影响，就可用于传感。

通过检测干涉光强的变化，可确定旋转角速度，是目前惯性导 航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。
萨格奈克光纤应变干涉仪基本光路原理图
传感器
由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组 成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常 达95％以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面 作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。
1 2
若分束器采用3dB耦合器（即半反半透透镜），有 I1=I2，则
I 2I1 1 cos
I 1 cos
通过测 I 就可以测得相位差
第一节
敏感光纤作为相位调制元件
决定相位变化的参数： 光纤的物理长度、折射率及分布、波导横向几何尺寸
k0nL（k0为光在真空中波数，n为传播路 径上的折射率，L为传播路径上的长度）
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
处理器
探测器 分束器或光束耦合器
相位调制干涉型光纤传感器基本结构
若设参考光和传感光的光矢量值分别为
E1 A1 cos t 1 E2 A2 cos t 2
当两光束满足相干条件时，合成光矢量为
E A cos t
其中，
A A A2 2 A1 A2 cos 1 2
应用：光纤力传感器、光纤压力传感器，光纤加速度 传感器，光纤磁场或电流传感器等
理论基础：
萨格纳克效应

工作过程：
激光经分束器分为反 射和透射两部分。这两束 光均由反射镜反射形成传 播方向相反的闭合光路， 并在分束器上会合，送入 光探测器，同时也有一部 分返回到激光器。

在这种干涉仪中，两光束的 光程长度相等。根据双束光 干涉原理，在光电探测器上 探测不到干涉光强的变化。
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
缺点
需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
第一节
※ 相位调制光纤传感器要求有相应 的干涉仪来完成相位检测过程
相位调制干涉型光纤传感器的必要组成
敏感光纤 完成相位调制任务 干涉仪 完成相位-光强转换任务
分束器或光束耦合器 HE-NE激光 调制器 参考光纤 传感光纤 被测场
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
扩展源
准直透镜
分束板，内侧镀膜
会聚透镜
接收屏
G1,G2间,间距h可调—法布里-珀罗干涉仪 G1,G2间,间距h固定—法布里-珀罗标准具
多光束相干光在L2焦平面上形成等倾圆环条纹
与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光 束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光 强度的变化为
I I0
4R 2 1 (1 R)2 sin 2
工作过程：
当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴 旋转的平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电 探测器就有不同的延迟。若平台以角速度Ω顺时针旋 转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光 延迟大。这个相位延迟量可表示为：
8A k0 l 0 c Ω为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空 中光速；λ0为真空中的光波长
2 R(1 cos ) Ir I0 1 R 2 - 2 Rcos
4 2 nd cos
λ：光波波长 其中
R ：F-P腔端面反射率
θ ：光纤数值孔径NA=sinθ n：折射率（空气中n=1）
光纤
入射光 反射光
d F-P腔
高 反 射 率 镜 面
单光纤与镜面形成的F-P腔
k = 2 为光波在光纤中的传播常数， = 0 n 是光波在光纤中 的传播波长，0 是光波在真空中的传播常数，a为纤芯半径。
第一节
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：
常 用 干 涉 仪 迈克尔逊(Michelson)干涉仪 马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
1 1’ 2’ 2 传感器
光束1射向固定反射 镜然后反射回分束器， 迈克尔逊干涉仪原理 再被分束器分解；透射 部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回 到激光器。
由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可 移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的 一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束 器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的 光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两 相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。
1.0
ρ =0.02
0.8
0.6
ρ =0.1
I(t)/I(0)
0.4
0.2
ρ =0.4
0.0
ρ =0.9
-5 0 5 10 15 20 25
反射率与光强的关系
Δφ
与一般法布里—珀罗干涉仪的区别在于以光纤 光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代 替以传感器控制反射镜移动实现调相。且因为采用 单根光纤，利用多光束干涉来检测应变，避免了前 几种传感器所需双光纤配对的问题，且比迈克尔逊 型更适合低频应变信号的测量。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
式中：K0——光在空气中的传播常数 2nΔl——两相干光的光程差
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动