相位调制型光纤传感器

相位调制型光纤传感器
相
位 调
传感器基本原理
制
型
光
纤
传
感
传感器具体实现方法：干涉仪
器
基本传感机理
特点：高 灵敏度
信
号
Is
t
相位调制区
入 射 光 波
参考信道
出 射 光 波
信号处理 （解调）
相 位
干涉测量技术
光 强
变
变
化
光探测器对相 位变化不敏感
化
相位调制基本原理
单模光纤出射和入射光的相位差
外界物理量变化引起光波相位变化
实现纵向、径向应变最简便的方法
➢ 采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)
温度效应
➢ 温度应变效应－类似于应力应变效应
干涉测量
➢ 光探测器对光的相位变化都不敏感，须 采用干涉技术将相位变化转化为强度变化
➢ 相位变化将引起干涉条纹的运动，记录干 涉条纹移动的数目，就可测得相位的变化
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
引起相位变化的几种效应
➢ 应力应变效应 ✓ 应变效应：光纤长度变化
机械应 力作用
✓ 光弹效应：光纤纤芯折射率变化
✓ 泊松效应：光纤纤芯直径变化
➢ 温度应变效应：光纤长度变化以及折射率 变化
温度
应力应变效应
光纤长度变化引起 的相位延迟
应变效应 光弹效应 泊松效应
感应折射率变化引 起的相位延迟
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光纤的半径改变 引起的相位延迟
➢ 法布里—珀罗干涉仪是多光束干涉。根据 多光束干涉的原理，探测器上探测到的干 涉光强的变化为
当△������＝0,2,4,…时，干涉光强有最大值。 当△������＝,3,5,…时干涉光强有最小值
R是反射系数
Fabry-Perot干涉仪实际应用
它与一般法布里—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。
Fabry-Perot干涉仪
➢ 反射率越大，干涉光强变化越明显，分辨 率越高。它是能用于现代科学的最灵敏的 位移测量装置之一。
谢谢！


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l为 两 相 干 光 的 光 程 差
Sagnac干涉仪
➢通过检测干涉条纹的变化，就知道旋转速度 萨格纳克效应是目前许多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。
Sagnac干涉仪实际应用：
➢光纤陀螺仪
4. Fabry-Perot干涉仪 ➢原理图
两平行平面镜的反射率通常非常大，一般大于或等于95 %
❖ 两个补充条件 ❖振幅差不悬殊 ❖光程差要小于波列长度
光纤干涉仪的一般系统结构
L—激光器；P1—分束器；P2—耦合器；D—检测器
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器
迈克尔逊(Michelson)干涉仪
常
用
马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪
干
涉
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
1. 迈克尔逊干涉仪
➢此类探测器可以测量位移，应变微振动等，测 量精度高。若光纤反射端面的反射率接近1， 那么光探测器的光强：
迈克尔逊干涉仪实际应用：
➢ 光纤加速度传感器
2马赫-曾德干涉仪 ➢ 原理图：
马赫-曾德干涉仪实际应用
➢ 由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在 光检测器是产生干涉
➢优点：没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好。 对干涉影响小。
➢缺点：系统要求环境温差不能太大。
马赫-曾德干涉仪实际应用：
➢ 光纤压力温度传感器
3.Sagnac干涉仪 ➢ 原理图
3.Sagnac干涉仪实际应用
A为光路系统围成的面积，c为光速，w为光 路系统旋转的角速度
若平台以角速度Ω顺时针旋转时，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：