干涉式光纤传感器

根据被测量调制光波参数来分： 光强调制型、相位调制型、波长调制型、频
率 调制型及偏振调制型。
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光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新 技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领 域。在航天航空（飞机及航天器各部位压力测量、温度测 量、陀螺等）、航海（光纤水听器、声纳等）、工程项目 （桥梁建设及修复的监测、铁路等）石油开采（液面高度、 流量测量、二相流中空隙度的测量 ）、电力传输（高压 输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、 原子能发电站泄漏剂量监测）医疗（血液流速测量、血压 及心音测量）、科学研究（地球自转，敏感蒙皮）等众多 领域都得到了广泛的应用。各种光纤传感器如:白光法布 里－珀罗（Fabry-Perot）干涉仪型光纤传感器产品，布 拉格（Bragg）光栅型分布式和荧光式光纤传感器等相关 产品，能满足相应行业的应用。
缺陷
各个类别的传感器其实都是尤其缺陷的。 今天我们所要介绍的是干涉型光纤传感器自然也有 它的不足地方。 1.它只是元件型的光纤传感器，测量方法单一。
2.由于光纤是在单模光纤构成的干涉型光纤传感器中, 故存在偏振衰落问题,将导致干涉效率降低。而为了 消偏振衰落采用全保偏器件的光纤传感器成本过于高 昂,影响其实用性。以马赫-泽德干涉仪为基础,用反馈 信号控制偏振控制器加起偏器的结构消除了偏振衰落, 构造了基于部分保偏器件的干涉型光纤传感器。实验 得到系统输出信噪比稳定在60 dB左右。
束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法# 。
双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔(MachZehnder)干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪。
1）迈克尔逊干涉仪
光源
信号臂 3dB
探测器
参考臂
(a) 迈克尔逊干涉仪
在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分， 分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中， 在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无 关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相 连的探测器接收。
干涉式光纤传感器
组员： 骆鑫盛，黄超宇，陆侃，王俊。
干涉式光纤传感器
† 光纤传感器的形成与发展 † 光纤传感器的分类 † 光纤传感器的缺陷 † 干涉式光纤传感器的目的 † 干涉式光纤传感器原理 † 干涉式光纤传感器的应用
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光纤传感器的形成与发展
伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的 光纤传感器,由于光纤传感器是以光波为载体。以 光纤为介质的新型传感器，所以具有一系列独特 的优点。
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干涉式光纤传感器的应用
因为干涉式光纤传感器是一 种相位调制型光纤传感器，而影 响传播在光纤中的光波相位的主 要因素是温度和外界应力，所以， 干涉式光纤传感器在温度以及压 力测量等方面具有广泛的应用。
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有个例子可以看看： 现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：
E1 E10 exp it s(t) s E2 E20 exp it r
式中E10 ：信号光场振幅 S(t)：信号光相位调制量 O/s：信号光初始相位 E20：参考光场振幅 O/r：参考光初始相位 W：光波圆频率
对上式微分得：
(l) l l n l a
n
a
式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应）， 第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三 项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。
为了测到各效应对其所产生的影响，自然要对调制在相位中的信号需要 进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光
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干涉型光纤传感器的目的
简单的说，就是将包含在光波相位中的 被测信息，利用光波的干涉来实现相位解调， 从而获得所需要的参数与信息。
由于属于元件型传感方式，所以涉及到 的相位调制基本是通过光纤本身的参数来实 现。
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干涉式光纤传感器原理
光波通过长度为 l 的光纤，其相位延迟为 l
其中为光波在光纤中的传播常数，＝nk0。N为纤芯折射率 ，k0 为光波在真空中的波数，也就是说其与真空中波长倒数成正比。
泛的应用。
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3）斐索干涉仪
光源 探测器
传输光纤
M1 M2
3dB
自聚焦透镜
(c) 斐索干涉仪
在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤 出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反 射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常 在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点 是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光 波相位的调制。
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两光束相干产生的干涉场分布为
E E10 exp i(s(t) s ) E20 exp( ir )exp( it)
相应的光强分布为
I I01 k cos[s(t) s r ]
这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。 相位调制型光纤传感器在温度，压力测量等方面具有广泛应用，其特 点是系统灵敏度非常高。如后面还将介绍的一种运用在军事上的光纤 水听器就是一种相位调制型光纤传感器，其主要就是通过水压的扰动， 发现地方目标。
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2）马赫-陈德尔干涉仪
光源
信号臂
3dB
3dB
3）斐索干涉仪
参考臂
(b) 马赫-陈德尔干涉仪
探测器
马赫-陈德尔干涉仪使用了两个3dB耦合器，光源发出的相干光 由第一个3dB耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个 3dB耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫-陈德尔干涉仪 的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广
首先，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍。
其次，它可以在高电压、大噪声、高 温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工 作。
最后，其可以与光纤遥感、遥测技术 配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系 统。
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光纤传感器的分类
根据测量对象来分： 温度传感器、压力、位移传感器等。
根据光纤是否对被测量敏感来分： 元件型和传输型传感器。