光纤干涉
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通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速度。
光纤陀螺基本原理及特点
光纤陀螺实现原理
光纤陀螺本质上就是 一个环形干涉仪，通 过采用多匝光纤线圈 来增强相对惯性空间 的旋转引起的Sagnac 效应。其实现如图8所
Fiber Coil Light Source Input Light Screen Output Light Splitter
图5
3、马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉
马赫泽德干涉仪如图6所示 G1G2是两块有半反射面A1 A2的平行平面 玻璃板，M1 M2是两块反射镜四个反射面
通常平行放置，并且各自中心位于一个平
行四边形的四个角上，典型尺寸是1~2m。 光源S置于透镜L1的焦点上，S发出的光束
经L1准直后在A1上分为两束，他们分别由
3.积极开展多功能光纤传感和光纤传感网络化研究。这类研究包括： （1）多点测量系统；（2）多参量测量系统。
4.不断推出新型光纤传感机制，开拓新的应用领域。
谢谢观看
wenku.baidu.com
1.加速光纤传感器的实用化进程，提高其竞争力。其中以加快研究高 性能光纤传感器（如光纤陀螺、光纤声纳系统等）、促成实用化尤 为重要。 2.大力开展光纤传感器的集成化研究。采用光电集成，将全部光电元 件及信号处理系统集成在一块芯片上，或将光纤激光器、光纤调制 器、光纤偏振器及特种光纤等光纤型器件一体化。
总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的 新型全固态惯性器件。
Mach-Zehnder传感器
这里的探测壁用来感应信号，而参考壁与外界隔离
探测壁受 外界刺激 光纤折射 率变化 光的相位 变化 产生光 程差
我们可以通过光强的变化来检测待测量
总结
从总体上看，目前只有一部分非功能型和少量功能型光纤传感已进 入实用化阶段，而大部分光纤传感器仍处于研究和开发阶段。其发 展趋势和研究方向是：
Sagnac效应
传输时间差
t tCCW tCW
传输光程差
4R2 c2
M CCW CCCW
M l
M ’
L t c
传输相位差
4R c
2
S
4 RL 0c
(a)
(b)
如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同，方向相同，相位差恒定。
I I0 (1 coss )
Sagnac效应
如图a所示，无旋转条件下，
M CCW CCCW
t CCW t CW
L 2R c c
M l
M ’
如图b所示，旋转条件下，
t CCW
2R c R
t CW
2R c R
(a)
(b)
图7 理想环形光路系统中的Sagna效应 （a）系统静止 （b）系统旋转
M1、A2反射和M2反射、A2透射，进入透 镜L2。两束光的干涉图样可用于置于L2焦 平面位置的照相机拍摄下来，如果采用短 时间曝光技术，即可得到条纹的瞬间照相。 图6
干涉型光纤传感器
1、什么是光纤干涉型传感器？ 光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器，基本原理 是利用被测对象对敏感光纤的作用，使光纤的折射率或传播常数 发生变化，从而导致在其中传播的光的相位变化，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，进而得到被测对象的信息。 2、此项研究的目的： 干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的。光波波长反映光波的 空间周期性，由于光波长很短，光波速度很快，人们很难直接观 察到光的空间周期性。而干涉条纹间距反应干涉区域光强分布空 间周期性，稳定的干涉条纹易于观察。这样通过光的干涉，将不 能直接观测的现象转化为可观测的，而通过干涉条纹的变化，也 就可以测出相当于光波波长数量级的距离的变化，其测量精度之 高是其他测量方法所无法比拟的。
基于光纤干涉的传感
三种最基本的干涉：
1、萨格纳克（Sagnac）干涉
基本原理：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一 个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉， 当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移 动，这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪 的角速度和环路所围面积之积成正比。
图1
图2
萨格纳克效应： 静止时，如图3，顺时针光所经过的光程LCW和逆时针光所经过的 光程LCCW相等，即 顺时针以角速度Ω 旋转时，如图4，LCW≠LCCW。 设tCW是光经过顺时针光程LCW的时间，tCCW是光经过逆时针光程 LCCW的时间，c是光速，则
图3
图4
2、迈克尔逊（Michelson）干涉 基本原理：光路如图5所示，从光源S发出的光被分光镜G2分为两 束，反射光1和透射光2 。反射光1垂直射向平面镜M2后原路返回， 通过G2射向屏幕；透射光2通过补偿板G1垂直射向平面镜M1后原 路返回，经过G2反射到屏幕上与反射光1相遇，形成干涉。
调制电压信号
PIN
光纤陀螺优点
与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固 态仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度 应用覆盖面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵 活，生产工艺简单，应用范围广。
与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自 锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格 的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。
功能型光纤传感：利用光纤介质对测量量敏 感效应来完成全部传感操作。 光纤传感 非功能型光纤传感：光纤只作为敏感信号的传 输线路,而提供敏感信号的敏感体则由其他有关 介质承担。 非干涉型 功能型光纤传感
干涉型：Sagnac型，Mach-Zehnder型，Michelson型等
Sagnac型：利用Sagnac效应研制出的高性能光纤陀螺仪是光纤传感技 术的一项突出成就。 Mach-Zehnder型：这种光纤传感器具有极高的灵敏度，最小可检测 相位差达10-7Rad。
示。
S
4RLN 0c
图8 光纤陀螺实现原理图
光纤陀螺基本原理及特点
主要信号处理技术：
宽带光源
ASE
Y波导 耦合器 光纤环
A.偏置调制： 提高信号检测灵 敏度。
光电检测器
B.闭环控制：
降低光电检测工作 范围，提高检测精
干涉光强信号
A/ D
逻辑电路
D/ A
转速信号
度。
图9 数字闭环I-FOG结构示意图
光纤陀螺基本原理及特点
光纤陀螺实现原理
光纤陀螺本质上就是 一个环形干涉仪，通 过采用多匝光纤线圈 来增强相对惯性空间 的旋转引起的Sagnac 效应。其实现如图8所
Fiber Coil Light Source Input Light Screen Output Light Splitter
图5
3、马赫泽德（Mach-Zehnder）干涉
马赫泽德干涉仪如图6所示 G1G2是两块有半反射面A1 A2的平行平面 玻璃板，M1 M2是两块反射镜四个反射面
通常平行放置，并且各自中心位于一个平
行四边形的四个角上，典型尺寸是1~2m。 光源S置于透镜L1的焦点上，S发出的光束
经L1准直后在A1上分为两束，他们分别由
3.积极开展多功能光纤传感和光纤传感网络化研究。这类研究包括： （1）多点测量系统；（2）多参量测量系统。
4.不断推出新型光纤传感机制，开拓新的应用领域。
谢谢观看
wenku.baidu.com
1.加速光纤传感器的实用化进程，提高其竞争力。其中以加快研究高 性能光纤传感器（如光纤陀螺、光纤声纳系统等）、促成实用化尤 为重要。 2.大力开展光纤传感器的集成化研究。采用光电集成，将全部光电元 件及信号处理系统集成在一块芯片上，或将光纤激光器、光纤调制 器、光纤偏振器及特种光纤等光纤型器件一体化。
总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的 新型全固态惯性器件。
Mach-Zehnder传感器
这里的探测壁用来感应信号，而参考壁与外界隔离
探测壁受 外界刺激 光纤折射 率变化 光的相位 变化 产生光 程差
我们可以通过光强的变化来检测待测量
总结
从总体上看，目前只有一部分非功能型和少量功能型光纤传感已进 入实用化阶段，而大部分光纤传感器仍处于研究和开发阶段。其发 展趋势和研究方向是：
Sagnac效应
传输时间差
t tCCW tCW
传输光程差
4R2 c2
M CCW CCCW
M l
M ’
L t c
传输相位差
4R c
2
S
4 RL 0c
(a)
(b)
如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同，方向相同，相位差恒定。
I I0 (1 coss )
Sagnac效应
如图a所示，无旋转条件下，
M CCW CCCW
t CCW t CW
L 2R c c
M l
M ’
如图b所示，旋转条件下，
t CCW
2R c R
t CW
2R c R
(a)
(b)
图7 理想环形光路系统中的Sagna效应 （a）系统静止 （b）系统旋转
M1、A2反射和M2反射、A2透射，进入透 镜L2。两束光的干涉图样可用于置于L2焦 平面位置的照相机拍摄下来，如果采用短 时间曝光技术，即可得到条纹的瞬间照相。 图6
干涉型光纤传感器
1、什么是光纤干涉型传感器？ 光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器，基本原理 是利用被测对象对敏感光纤的作用，使光纤的折射率或传播常数 发生变化，从而导致在其中传播的光的相位变化，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，进而得到被测对象的信息。 2、此项研究的目的： 干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的。光波波长反映光波的 空间周期性，由于光波长很短，光波速度很快，人们很难直接观 察到光的空间周期性。而干涉条纹间距反应干涉区域光强分布空 间周期性，稳定的干涉条纹易于观察。这样通过光的干涉，将不 能直接观测的现象转化为可观测的，而通过干涉条纹的变化，也 就可以测出相当于光波波长数量级的距离的变化，其测量精度之 高是其他测量方法所无法比拟的。
基于光纤干涉的传感
三种最基本的干涉：
1、萨格纳克（Sagnac）干涉
基本原理：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一 个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉， 当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移 动，这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪 的角速度和环路所围面积之积成正比。
图1
图2
萨格纳克效应： 静止时，如图3，顺时针光所经过的光程LCW和逆时针光所经过的 光程LCCW相等，即 顺时针以角速度Ω 旋转时，如图4，LCW≠LCCW。 设tCW是光经过顺时针光程LCW的时间，tCCW是光经过逆时针光程 LCCW的时间，c是光速，则
图3
图4
2、迈克尔逊（Michelson）干涉 基本原理：光路如图5所示，从光源S发出的光被分光镜G2分为两 束，反射光1和透射光2 。反射光1垂直射向平面镜M2后原路返回， 通过G2射向屏幕；透射光2通过补偿板G1垂直射向平面镜M1后原 路返回，经过G2反射到屏幕上与反射光1相遇，形成干涉。
调制电压信号
PIN
光纤陀螺优点
与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固 态仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度 应用覆盖面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵 活，生产工艺简单，应用范围广。
与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自 锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格 的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。
功能型光纤传感：利用光纤介质对测量量敏 感效应来完成全部传感操作。 光纤传感 非功能型光纤传感：光纤只作为敏感信号的传 输线路,而提供敏感信号的敏感体则由其他有关 介质承担。 非干涉型 功能型光纤传感
干涉型：Sagnac型，Mach-Zehnder型，Michelson型等
Sagnac型：利用Sagnac效应研制出的高性能光纤陀螺仪是光纤传感技 术的一项突出成就。 Mach-Zehnder型：这种光纤传感器具有极高的灵敏度，最小可检测 相位差达10-7Rad。
示。
S
4RLN 0c
图8 光纤陀螺实现原理图
光纤陀螺基本原理及特点
主要信号处理技术：
宽带光源
ASE
Y波导 耦合器 光纤环
A.偏置调制： 提高信号检测灵 敏度。
光电检测器
B.闭环控制：
降低光电检测工作 范围，提高检测精
干涉光强信号
A/ D
逻辑电路
D/ A
转速信号
度。
图9 数字闭环I-FOG结构示意图