F-P干涉仪及其典型应用
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干涉仪将相位变化转化未功率变化
如何设计合适的F-P光纤传感头？
6.2 F-P干涉仪及其典型应用——应变传感器
应用于：（监测、调整） 航天飞行器 大型工程－民用建筑、桥梁 与传统电阻应变片传感器相比具有灵 敏度高，抗潮湿及可长期放置优点
2×2耦合器 S
传感头 被测量
光强与相位差关系：
I 2I 0 R(1 cos )
F=ma的光学干涉测量
6.7 F-P干涉仪及其典型应用——微弱磁场传感器
反射面 磁致伸缩材料 腔长变化 内置式传感原理 外置式传感原理
F-P腔
光纤
反射面
F-P腔
光纤F-P传感器
光源
探测器 耦合器
传感器
F-P型干涉磁场传感 M-Z型干涉磁场传感 迈克尔逊型干涉磁场传感
光电探测器 I/V转换 放大、滤波
信号处理
A/D
6.4 F-P干涉仪及其典型应用——微位移传感器
L1 探测器 耦合器 S GWS 耦合器 耦合器 探测器 L2 双路F-P干涉仪工作原理 1）采用波长可调光源 （λ 1～ λ 2 ） 2）参考F-P干涉系统：预先校准参考谐振腔长度，并保持不变 3）敏感F-P干涉系统；目标测量绝对位移测量 FPI2 敏感腔 FPI1 参考腔
l
F-P传感示意图
•测量频带宽——动态的微位移； •测量精度高——F-P干涉； •测量稳定性高——信号载体为光。
6.6 F-P干涉仪及其典型应用——加速度传感器
质量块 光源系统
光纤 耦合器
谐振腔
质量块、谐振腔
PIN3 PIN2 PIN1
多光束干涉
模Hale Waihona Puke Baidu开关
前放
AD
CPU
F-P型干涉加速度传感 M-Z型干涉加速度传感 迈克尔逊型干涉加速度传感
nh
R0 R 0.048
R 0.27
R 0.64 R 0.87
F-P腔
多光束干涉提高了条纹精细度
多光束干涉
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——光纤干涉基本形式
l
S
F一P光纤干涉仪基本结构
D
多光束干涉
4 n
l
被测物理量-→引起F-P腔长度 l 的变化-→引起相位Δ φ变化
扫描波长作为测量信息获取的桥梁
6.4 F-P干涉仪及其典型应用——微位移传感器
探测器 S GWS 耦合器 耦合器 探测器 FPI2 敏感腔 L2 F-P干涉仪探测器接收到的光功率信号：
L1
耦合器
FPI1
参考腔
光栅波长扫描
I (, L) I 0 ( ) cos( s 0 )
4Ln
F-P干涉仪中与腔长L，波长λ 相关的相位差： s 2 KL 腔长L不变，扫描波长由λ 1～ λ 2： s 两组F-P干涉仪相位变化关系：
F-P干涉仪及其典型应用
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——多光束干涉
ai
D
a1
B
a2 a3
a4
反射光： 2hn cos i ' / 2
n
A i'
h 相邻两束光之间的程差
透射光：
C
b1 b2 b3 b4 多光束薄膜等顷干涉
G1 G2
2hn cos i '
透射光相差
4
L L L( L ) L( )n L( ) L n
应变效应
光弹效应
泊松效应
应变效应：光纤长度变化引起的相位变化； 光弹效应：折射率变化引起的相位变化； 泊松效应：光纤半径变化引起的相位变化。
6.3 F-P干涉仪及其典型应用——温度传感器
S
耦合
2
1
d 4L
2
1
4Ln(1 2 ) n d 2 2 1 2
s1 L1 s 2 L2
6.5 F-P干涉仪及其典型应用——声发射传感器
声发射 AE：应力波发射
谐振腔 入射光束
被测物
在材料或者零部件受力作用下产 生变形、断裂或内部应力超出屈 服极限而进入不可逆的塑性变形 阶段，以瞬态弹性波形式释放应 变能的一种现象
相位差与F-P腔长关系：
探测器
匹配液 滤波 A/D 信号处理
4 n
前置放大
l
光纤应变传感器结构图 F-P腔长变化--→相位差变化--→光强变化
传感器的设计：如何使得被测应变转换为F-P腔长的变化
6.2 F-P干涉仪及其典型应用——应变传感器
光纤F-P腔 传导光纤
M1
M2
光纤F-P腔传感头
探测器
PZT
光纤温度传感器结构图
I0 I 4R 2 1 sin (1 R) 2 2
反射率R越高—— 干涉对比度提高——分辨率提高
6.3 F-P干涉仪及其典型应用——温度传感器
温度变化与相位变化的关系
1 n n L k0 ( ) L T T L T
PZT的调制 信号处理方案
如何设计合适的F-P光纤传感头？
6.2 F-P干涉仪及其典型应用——应变传感器
应用于：（监测、调整） 航天飞行器 大型工程－民用建筑、桥梁 与传统电阻应变片传感器相比具有灵 敏度高，抗潮湿及可长期放置优点
2×2耦合器 S
传感头 被测量
光强与相位差关系：
I 2I 0 R(1 cos )
F=ma的光学干涉测量
6.7 F-P干涉仪及其典型应用——微弱磁场传感器
反射面 磁致伸缩材料 腔长变化 内置式传感原理 外置式传感原理
F-P腔
光纤
反射面
F-P腔
光纤F-P传感器
光源
探测器 耦合器
传感器
F-P型干涉磁场传感 M-Z型干涉磁场传感 迈克尔逊型干涉磁场传感
光电探测器 I/V转换 放大、滤波
信号处理
A/D
6.4 F-P干涉仪及其典型应用——微位移传感器
L1 探测器 耦合器 S GWS 耦合器 耦合器 探测器 L2 双路F-P干涉仪工作原理 1）采用波长可调光源 （λ 1～ λ 2 ） 2）参考F-P干涉系统：预先校准参考谐振腔长度，并保持不变 3）敏感F-P干涉系统；目标测量绝对位移测量 FPI2 敏感腔 FPI1 参考腔
l
F-P传感示意图
•测量频带宽——动态的微位移； •测量精度高——F-P干涉； •测量稳定性高——信号载体为光。
6.6 F-P干涉仪及其典型应用——加速度传感器
质量块 光源系统
光纤 耦合器
谐振腔
质量块、谐振腔
PIN3 PIN2 PIN1
多光束干涉
模Hale Waihona Puke Baidu开关
前放
AD
CPU
F-P型干涉加速度传感 M-Z型干涉加速度传感 迈克尔逊型干涉加速度传感
nh
R0 R 0.048
R 0.27
R 0.64 R 0.87
F-P腔
多光束干涉提高了条纹精细度
多光束干涉
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——光纤干涉基本形式
l
S
F一P光纤干涉仪基本结构
D
多光束干涉
4 n
l
被测物理量-→引起F-P腔长度 l 的变化-→引起相位Δ φ变化
扫描波长作为测量信息获取的桥梁
6.4 F-P干涉仪及其典型应用——微位移传感器
探测器 S GWS 耦合器 耦合器 探测器 FPI2 敏感腔 L2 F-P干涉仪探测器接收到的光功率信号：
L1
耦合器
FPI1
参考腔
光栅波长扫描
I (, L) I 0 ( ) cos( s 0 )
4Ln
F-P干涉仪中与腔长L，波长λ 相关的相位差： s 2 KL 腔长L不变，扫描波长由λ 1～ λ 2： s 两组F-P干涉仪相位变化关系：
F-P干涉仪及其典型应用
6.1 F-P干涉仪及其典型应用——多光束干涉
ai
D
a1
B
a2 a3
a4
反射光： 2hn cos i ' / 2
n
A i'
h 相邻两束光之间的程差
透射光：
C
b1 b2 b3 b4 多光束薄膜等顷干涉
G1 G2
2hn cos i '
透射光相差
4
L L L( L ) L( )n L( ) L n
应变效应
光弹效应
泊松效应
应变效应：光纤长度变化引起的相位变化； 光弹效应：折射率变化引起的相位变化； 泊松效应：光纤半径变化引起的相位变化。
6.3 F-P干涉仪及其典型应用——温度传感器
S
耦合
2
1
d 4L
2
1
4Ln(1 2 ) n d 2 2 1 2
s1 L1 s 2 L2
6.5 F-P干涉仪及其典型应用——声发射传感器
声发射 AE：应力波发射
谐振腔 入射光束
被测物
在材料或者零部件受力作用下产 生变形、断裂或内部应力超出屈 服极限而进入不可逆的塑性变形 阶段，以瞬态弹性波形式释放应 变能的一种现象
相位差与F-P腔长关系：
探测器
匹配液 滤波 A/D 信号处理
4 n
前置放大
l
光纤应变传感器结构图 F-P腔长变化--→相位差变化--→光强变化
传感器的设计：如何使得被测应变转换为F-P腔长的变化
6.2 F-P干涉仪及其典型应用——应变传感器
光纤F-P腔 传导光纤
M1
M2
光纤F-P腔传感头
探测器
PZT
光纤温度传感器结构图
I0 I 4R 2 1 sin (1 R) 2 2
反射率R越高—— 干涉对比度提高——分辨率提高
6.3 F-P干涉仪及其典型应用——温度传感器
温度变化与相位变化的关系
1 n n L k0 ( ) L T T L T
PZT的调制 信号处理方案