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
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：
第五章-相位调制型光纤传感器PPT课件
➢ 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
5.3 光纤相位调制机理
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
(
k
Lk
)
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
➢ 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。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
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
迈克耳逊在工作
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。
➢由激光器输出的单
2
I min
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
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
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
(
k
Lk
)
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
➢ 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。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
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
迈克耳逊在工作
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。
➢由激光器输出的单
2
I min
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
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
相位调制型光纤传感器
λ0
β = 2π / λ
光纤中光的传播波长。 光在真空的传播波长 光在光纤中的传播常数
当光纤受到机械力的作用，光纤长度、芯 径、折射率会发生变化，引起相位变化 可表示为：
∆L ∂β ∂β ∆r ∆φ = β∆L + L∆β = βL +L ∆n + L L ∂n ∂r
r 光纤半径， n 纤芯折射率 第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用
马赫—曾德（ 马赫 曾德（Mach-Zehnder）干涉仪 曾德 ） 与迈克尔逊干涉仪 结构相似，但它 的优点在于没有 或很少有光返回 到激光器，返回 到激光器的光是 干扰光，导致光 源强度不稳定。
图示为马赫—曾德全光纤干涉仪模型，经 3dB分束，其中一束受外界影响，再有 3dB合并干涉，由两个探测器检测。
第七讲 相位调制型光纤传感器
利用外界因素引起光纤中光波相位变化的 传感器称为相位调制型光纤传感器。 特点： 1. 灵敏度高 2. 灵活多样 3. 应用对象广泛 4. 对光纤有特殊要求，单模传输。
一、 应力应变效应 光波通过长度为L的光纤，产生相位延迟为：
φ=
2π
λ
L = βL
其中：λ = λ0 / n
萨格纳克（ 萨格纳克（Sagnac）干涉仪 ）
二 干涉测量 光的相干条件 （1）频率相同的两束光在相遇点有相同的振 动方向和固定相位差。 （2）两束光在相遇点的振动幅值不能太悬殊。 （3）两束光的光程差不能太大。 由于光是有限长度波列组成，两束光的光程 差小，几乎可以同时到达，产生清晰的 干涉条纹；两束光的光程差大时，不 I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ∆φ
迈克尔逊（Michelson）干涉仪 迈克尔逊干涉仪：两束 光的光程差为：
β = 2π / λ
光纤中光的传播波长。 光在真空的传播波长 光在光纤中的传播常数
当光纤受到机械力的作用，光纤长度、芯 径、折射率会发生变化，引起相位变化 可表示为：
∆L ∂β ∂β ∆r ∆φ = β∆L + L∆β = βL +L ∆n + L L ∂n ∂r
r 光纤半径， n 纤芯折射率 第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用
马赫—曾德（ 马赫 曾德（Mach-Zehnder）干涉仪 曾德 ） 与迈克尔逊干涉仪 结构相似，但它 的优点在于没有 或很少有光返回 到激光器，返回 到激光器的光是 干扰光，导致光 源强度不稳定。
图示为马赫—曾德全光纤干涉仪模型，经 3dB分束，其中一束受外界影响，再有 3dB合并干涉，由两个探测器检测。
第七讲 相位调制型光纤传感器
利用外界因素引起光纤中光波相位变化的 传感器称为相位调制型光纤传感器。 特点： 1. 灵敏度高 2. 灵活多样 3. 应用对象广泛 4. 对光纤有特殊要求，单模传输。
一、 应力应变效应 光波通过长度为L的光纤，产生相位延迟为：
φ=
2π
λ
L = βL
其中：λ = λ0 / n
萨格纳克（ 萨格纳克（Sagnac）干涉仪 ）
二 干涉测量 光的相干条件 （1）频率相同的两束光在相遇点有相同的振 动方向和固定相位差。 （2）两束光在相遇点的振动幅值不能太悬殊。 （3）两束光的光程差不能太大。 由于光是有限长度波列组成，两束光的光程 差小，几乎可以同时到达，产生清晰的 干涉条纹；两束光的光程差大时，不 I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ∆φ
迈克尔逊（Michelson）干涉仪 迈克尔逊干涉仪：两束 光的光程差为：
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。
第五章 相位调制型光纤传感新学
实现干涉测量的仪器很多．通常采用的干涉仪主要有四 种：迈克尔逊干涉仪、马赫一泽德干涉仪、塞格纳克干 涉仪和法布里一珀罗干涉仪。 • 在四种干涉仪中，以一个或两个3dB耦合器取代了分光器。 光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤 作为相位调制元件(传感器)，被测物理量作用于光纤传感 器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。
对于石英光纤，ｎ＝1.456,λ 0=0.6328µm,
n L 6 1 1010 / c, 5 10 / c T T 107rad / c m TL
相位调制与干涉测量
• 相位调制常与干涉测量技术并用，构成 相位调制的干涉型光纤传感器。 • 相位调制的光传感器，其基本原理是通 过被测物理量的作用，使某段单模光纤内 传播的光波发生相位变化．再用干涉技术 把相位变化变换为振幅变化．从而还原所 检测的物理量。
一、零差检测（ Δω＝０）
信号臂和参考臂光波频率相同，这时检测器输出电压 信号 V t cosA N
１、被动零差法 找一个与 cos A N 正交的信号 sin A N
经过电路运算功能找到ΦA
２、主动零差法： 在干涉仪回路中加入一个相位调制器Ａ，利用反馈信号 控制调制器，在跟踪状态下，使正交条件始终保持。根据获 取信号方式，分为交流跟踪和直流跟踪两种。 二、外差检测（Δω≠０） 要造成外差条件，必须改变参考臂的频率，常用在参考 臂中插入一个声光调制器。
应力应变的相位调制
当光纤受到轴向的机械应力作用时，将产生三个主要 的物理效应，导致光纤中的光相位发生变化： １、光纤的长度变化--应变效应； ２、光纤纤芯的感应折射率变化--光弹效应； ３、光纤纤芯的直径变化--泊松效应。 根据有关文献介绍，光波通过长度为L的光纤后，出 射光的相位延迟Φ 为 Φ =β L β 为光波在光纤中的传播常数。
第3章-相位调制型光纤传感器
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；
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
等无关
问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检 测
应用
* 相位信号解调技术
相位调制型
干涉仪的信号解调 光纤锁相环方案 PGC（phase generator carrier)方案
干涉仪的解调方案
主动零差法 被动零差法 普通外差法 合成外差法 伪外差法
零差法 外差法
相位调制型
❖ 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
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
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
多光束干涉
A2 A12 A22 2A1A2cos()
I I0
1
(1
4R R)2
sin2
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
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。
（光学专业论文）相位调制型分布式光纤传感器的研究
北京工业大学理学硕士论文矿：２石ａＮＡ（３．３）Ａ式中丑为工作波长，ＮＡ为光纤数值孔径。
设ａ＝４．５∥ｍ，２＝１３１０ｎｍ，在轴向偏移ｄ为０—１．５／．ｚｍ的情况下，分别对ＮＡ＝０．１５、０．２、０．５的三种光纤进行损耗计算。
图３－２轴向偏移损耗图３－３角度对准误差损耗Ｆｉｇ．３－２ＬａｔｉｔｕｄｅｄｅｐａｒｔｕｒｅｌｏｓｓＦ培．３－３Ａｎｇｕｌａｒｉｎａｃｃｕｒａｃｙ１０１１如图３－２所示，轴向偏移损耗随着偏移误差ｄ的增加而增大，对于数值孔径来说，ＮＡ越大，激光器耦合进光纤的功率越大，但同时功率损耗也越大。
对于ＮＡ＝０．２，ｄ＝ＩＩｔｍ的情况，横向偏移损耗Ｌ＝０．２４７７ｄＢ。
图３．１（ｂ）所示为角度误差，角度对准误差的产生是由于两根光纤的轴之间存在一个角度，以至于两根光纤的端面不再平行。
对于单模光纤间的角度对准误差，其函数关系为：Ｌｓｕ．。
，，ｔ＝－ｌＯｌｏｇＩｏｘｐ［一降）２］）㈨，其中，，ｌ’是包层的折射率，ｐ是用弧度表示的角度对准误差，Ｗ是模场半径，五为工作波长．利用（３－２）式和（３－４）式，设归一化频率Ｖ－－－２．４０，包层折射率ｎ２＝１．４６５，纤芯半径口＝４．５朋，当口为蠡一云（ｏ．５．一２‘）时，分别对工作波长为８５０衄、１３１０ｒｉｍ、１５５０ｒｉｍ三种情况进行损耗计算．角度对准误差损耗随着角度误差口的增加而增大，如图３－３所示。
工作波长越长损耗越小，因而在实际工程中应尽量选择长波长的光源。
当波长为１３１０ｒｉｍ时，对于在连接过程中有１。
的角度误差时的损耗为０．４０２３ｄＢ．北京工业大学理学硕士论文（ａ）光源波长不同（ｂ）光源线宽不同图３－６分布式光纤传感的空间分辨率Ｆｉｇ．３－６Ｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ￥ａｄＳＯｒ图３－６（ａ）是光源线宽为４０ｎｍ时，空间分辨率与光源波长、偏振色散系数的关系，偏振色散系数大空间分辨率高，反映了耦合模与本征模之间的干涉。
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。
光纤传感器ppt课件
第9章 光纤传感器
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。
光纤传感器介绍
2021/12/2
氙闪光灯
触发 电极
激光束 聚光器 红宝石棒Al 2O3
2
光纤传感器的发展
但是在当时,光纤传感器真正投入实际应用的却不多,这主 要是因为与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是本 身的物性特性而不是功能特性.
因此,光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径 细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小,集信 息传感与传输于一体等特点,解决常规检测技术难以完全 胜任的测量问题.
号传输.
21
光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播 常数发生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹 发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得 到被测对象的信息.
通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用 光纤赛格纳克[Sagnac]效应的旋转角速度传感器[光纤陀螺]等.
强度调制型光纤传感器：
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射 等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器.
有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反 射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的 现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度 、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器.
2021/12/2
19
法拉第效应
许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏 振方向旋转,这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应.
向 传播方
振动面 线偏振光
2021/12/2
氙闪光灯
触发 电极
激光束 聚光器 红宝石棒Al 2O3
2
光纤传感器的发展
但是在当时,光纤传感器真正投入实际应用的却不多,这主 要是因为与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是本 身的物性特性而不是功能特性.
因此,光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径 细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小,集信 息传感与传输于一体等特点,解决常规检测技术难以完全 胜任的测量问题.
号传输.
21
光纤传感器的分类——相位调制型
相位调制型光纤传感器：
是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或传播 常数发生变化,而导致光的相位变化,使两束单色光所产生的干涉条纹 发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量,从而得 到被测对象的信息.
通常有利用光弹效应的声、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、电压传感器以及利用 光纤赛格纳克[Sagnac]效应的旋转角速度传感器[光纤陀螺]等.
强度调制型光纤传感器：
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射 等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器.
有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反 射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的 现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度 、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器.
2021/12/2
19
法拉第效应
许多物质在磁场的作用下可以使穿过它的平面偏振光的偏 振方向旋转,这种现象称为磁致旋光效应或法拉第效应.
向 传播方
振动面 线偏振光
2021/12/2
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
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
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。
- 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)。
➢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
❖ 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
k0l
8A 0c
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 %
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
光纤的半径改变 引起的相位延迟
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
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！
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
➢ 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。
➢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
❖ 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
k0l
8A 0c
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 %
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
光纤的半径改变 引起的相位延迟
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
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！
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
➢ 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。