光纤干涉

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Iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱFOG结构示意图
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。
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。
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 )
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
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。
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：
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
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。
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。
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。
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。
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