相位光纤传感论文相位型光纤传感原理及应用

相位型光纤传感原理及应用摘要光纤传感器具有体型小巧，成本较低，结构紧凑，易多路复用，能够长距离分布式传感，以及在传感点无需用电，和良好的抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀能力等优势。因此发展态势十分良好，发展潜力巨大。今后光纤传感器将向集成化光纤传感器、多功能全光纤控制系统等方向发展。本文对干涉型光纤传感器系统的传感原理，进行了比较系统的介绍，着重列举了四种常用于干涉型光纤传感器的光纤干涉仪，还有它们的干涉测量原理。这四种光纤干涉仪分别是迈克尔逊MICHELSON干涉仪、马赫一泽德MACHZEHNDER干涉仪、萨格纳克SAGNAC干涉仪和法布里珀罗FABRYPEROT干涉仪。本文的重点，是研究干涉型光纤传感器的相位调制与解调方法以及主要应用，文中先介绍了应力应变效应及温度效应的调制方法；然后介绍了常用的两种调制技术法，包括零差法和外差法；最后就应用详细介绍了微分干涉仪，白光干涉仪以及相位调制型光纤压力和温度传感器。关键词光纤传感器，光纤干涉仪，相位调制，相位解调THEPRINCIPLEANDAPPLICATIONOFPHASETYPEOPTICALFIBERSENSORABSTRACTOPTICALFIBERSENSORHASSMALLSIZE,LOWCOST,COMPACTSTRUCTURE,EASYMULTIPLEXING,CANLONGDISTANCEDISTRIBUTEDSENSING,ANDTHESENSINGPOINTWITHOUTELECTRICITY,ANDTHEGOODRESISTANCETOBADENVIRONMENT,RESISTANCETOELECTROMAGNETICINTERFERENCE,CHEMICALCORROSIONRESISTANCEANDOTHERADVANTAGESSODEVELOPMENTSITUATIONISVERYGOOD,HAVEGREATPOTENTIALFORDEVELOPMENTTHEFIBEROPTICSENSORLEADTOTHEINTEGRATEDOPTICALFIBERSENSORS,MULTIFUNCTIONALLFIBERCONTROLSYSTEM,ETCINTHISPAPER,THESENSINGPRINCIPLEOFINTERFEROMETRICFIBEROPTICSENSORSYSTEM,ANDCOMPARESTHESYSTEMOFINTRODUCTION,MAINLYLISTSFOURKINDSOFCOMMONLYUSEDININTERFEROMETRICFIBEROPTICSENSOROFOPTICALFIBERINTERFEROMETER,ANDTHEIRINTERFERENCEMEASURINGPRINCIPLETHESEFOURKINDSOFOPTICALFIBERINTERFEROMETERRESPECTIVELYISMICHELSONINTERFEROMETER,MACHZEHNDERINTERFEROMETER，SAGNACINTERFEROMETERANDFABRYPEROTINTERFEROMETERTHEFOCUSOFTHISARTICLE,ISTHESTUDYOFINTERFEROMETRICOPTICALFIBERSENSORSOFPHASEMODULATIONANDDEMODULATIONMETHODANDMAINAPPLICATIONS,THISPAPERFIRSTINTRODUCESTHEMODULATIONMETHODOFSTRESSANDSTRAINEFFECTANDTEMPERATUREEFFECTANDTHENINTRODUCEDTHECOMMONLYUSEDTWOKINDSOFMODULATIONTECHNOLOGY,INCLUDINGZERODIFFERENTIALMETHODANDHETERODYNEMETHODFINALLYAPPLYDIFFERENTIALINTERFEROMETERWASINTRODUCEDINDETAIL,ANDWHITELIGHTINTERFEROMETERPHASEMODULATIONTYPEFIBEROPTICPRESSUREANDTEMPERATURESENSORSKEYWORDSOPTICALFIBERSENSOR，OPTICALFIBERINTERFEROMETER，PHASEMODULATION，PHASEDEMODULATION一引言近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。随着光通信时代的到来，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会OSA主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。光纤具有很多优异的性能，例如抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区），起到人的耳目作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。目前我国在满足中低端市场的光纤传感器领域发展较为完善，在面向高端市场的光纤传感器领域则仍处于研发阶段。基于光纤的传感器有着诸多优势，今后发展潜力巨大，在安保、军事、石油/天然气、电力以及科学研究方面都将会得到广泛应用。目前常见的光纤传感器有光纤陀螺、光纤水听器、光纤光栅传感器、光纤电流传感器等。应用作为广泛的是布拉格光纤光栅（配备ASE宽带光源）和基于光时域反射的分布式传感器，主要满足中低端市场需求。光纤传感器具有体型小巧，成本较低，结构紧凑，易多路复用，能够长距离分布式传感，以及在传感点无需用电，和良好的抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀能力等优势。因此发展态势十分良好，发展潜力巨大。今后光纤传感器将向集成化光纤传感器、多功能全光纤控制系统等方向发展。面向超远距离、超高精度和超高敏感需求的高端市场，光谱线宽窄至2KHZ的单频，基于光频时域反射原理的光纤激光器也将成为今后发展趋势。二光纤相位调制与解调基本原理相位调制型光纤传感器的基本传感机理是通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。光纤中光波的相位，一方面由光纤的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为，其中LNK0为光在真空中的波数，N为传播路径上的折射率，为传播路径上的长度。0K一般来说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述3个波导参数，从而产生相位变化，实现光波的相位调制。另一方面，光波的相位也可以由SAGNAC效应来决定。由于目前所用的各类光电探测器都不能直接感知光波的相位变化，所以必须采取干涉测量技术，使相位变化转变为强度变化，才能实现对外界物理量的检测。相位调制传感技术在精度上可测量到的最小相位变化为RAD，适用于精度要求高的检测，如对温度的测量精度可达710RADM，对压力的测量精度可达RADMPA，对应变轴向的6910测量精度为114RADM。如果信号检测系统可以测出1RAD的相位移，则对于每米光纤的检测灵敏度，对温度为，对压力为PA，对应变8710为，动态范围可达以上需要保偏光纤才能获得良好的干涉效果。710101光纤相位调制基本原理（1）应力应变效应应力应变效应是导致光相位调制的最基本的物理效应，它是光纤相位调制电流传感器的出发点。当光纤受到纵向（轴向）的机械应力的作用时，光纤的长度，芯径以及纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为，式L2中为光波在光纤中的传播常数，是光波在光纤中的传播波长，/2N/0是光波在真空中的传播波长。那么，光波在外界因素的作用下，相位变化可0以写成，A为光纤芯的半径，式中LNL第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应），第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟（弹光效应），第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟（泊松效应）。（2）温度效应温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变化的温度场中，把温度场变化等效为作用力F时，F将同时影响光纤折射率N和长度L的变化。由F引起的光纤中光波相位延迟为,第DNKDKD000FFL一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项表示光纤几何长度变化引起的相位变化，式中没有考虑光纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化和相位变化描述，则有。TDNK0TLT2光纤相位解调基本原理相位解调法实际上是一种基于波长波形的解调方法。相位解调方法与强度解调方法的区别在于相位解调方法采用宽带光源SLD而不是激光光源LD，接收采用波长分析仪而不是光电二极管来分析输出波长的变化。相位解调技术有很多种，最常用的是相位产生载波法PGC，其主要解调方法有零差和外差两种。（1）零差法零差法包括被动零差PASSIVEHOMODYNE和主动零差ACTIVEHOMODYNE，主要区别在于主动零差包括反馈器件，可根据输出信号对测量系统本身做出控制。下面是一个具体的MZ干涉仪的被动零差解调方法。图221光纤MZ干涉仪调制与解调系统光纤MZ干涉仪调制与解调系统如图221所示，将两路干涉的信号做差分运算，消去直流偏移量，与G和H混频经过低通滤波器滤除含TCOS0TCS20有载波频率的项，保留信号项，得到的两个正交信号分别为和，将这两个信号微分并交叉相乘后相加）（TCOS1KGJ）（TSIN2KJ得，积分就可以得到信号。）（22H）（T（2）外差法合成外差检测法的原理与零差检测法有相通之处，都是对一个频谱比较复杂的信号进行滤波，提取出两个低频的信号，然后重新合成为一个新的信号，该信号的相位就包含了被测量的信息。两者的不同之处在于后者采用微分叉乘，前者采用本振信号混频。合成外差法信号处理的原理如图222。图222合成外差法信号处理的原理在参考臂上加载波信号，干涉信号可以表示成SINSICO22TTABSAHA和B分别是参考光和测量光的幅度；和分别是加在参考臂上的载波H信号的幅度和角频率；和分别是被测信号的幅度和角频率；是相位漂移。A对上式用贝塞尔函数展开，并通过中心频率为和2的带通滤波器对该信H号滤波，得SINSIN211TTJBTSAHCO2AH将和分别与角频率为2和的本振信号进行混频，经过中心1TS2TH频率为3的带通滤波器，得HSIN3SIN11TTABJTAHCOCO2S为本振信号的初始相位，调整载波信号幅度，使。将H1HJ2上两式相加得21TSTAASIN3CS1TTBJA利用FM解调技术即可把信号解调出来。三基本光纤干涉仪常用的光纤干涉仪主要有4种迈克尔逊MICHELSON干涉仪、马赫一泽德MACHZEHNDER干涉仪、萨格纳克SAGNAC干涉仪和法布里珀罗FABRYPEROT干涉仪。1迈克尔逊MICHELSON光纤干涉仪如图311普通光学迈克尔逊干涉仪，激光器输出的单色光由分束器分成光强相等的两束光。其中一束射向固定反射镜，然后反射回到分束器，被分束器透射的那一部分光由光探测器接收，被分束器反射的那部分光返回到激光器。激光器输出的经分束器透射的另一束光入射到可移动反射镜上然后反射回分束器。经分束器反射的一部分光传至光探测器，另一部分经分束器透射，返回到激光器。当两个反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时，射到光探测器上的两个相干光束便产生干涉，两束相干光的相位差为式0K2L中，是光在空气中的传播常数，2是两束相干光的光程差。可移动反射镜0KL每移动/2长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，L即变化一个周期。如果使用HENE激光器，这种技术能检测级的位移大710M小。图311普通光学迈克尔逊干涉仪图312光纤迈克尔逊干涉仪在许多环境比较恶劣的条件下，如水声探测和地下核爆核查测试等，为了克服空气中环境条件影响所导致的空气中光程的变化，一般采用全光纤干涉仪结构来保证测量的准确性与高灵敏度。图312所示为迈克尔逊全光纤干涉仪的结构图。图中以一个3DB耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。激光器发出的光经过3DB的耦合器分为两束，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激光器。当被测物体发生形变时，带动粘附予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。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使这种全光纤结构的传感器更适于现场测量，更接近实用化。2马赫泽德MACHZEHNDER光纤干涉仪图321马赫泽德干涉仪原理图图322马赫泽德全光纤干涉仪结构图图321所示是马赫泽德干涉仪的原理图，它与迈克尔逊干涉仪有一些相似之处。同样，从激光器输出的光束先分后合。两束光由可动反射镜的位移引起相位差，并在光探测器上产生干涉。这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。而返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。此外，由图321可以看到，从分束器2向上还有另外两束光，一束为上面水平光束的反射部分，另一束为垂直光束的投射部分。如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号，这在一些应用上很方便。MZ干涉仪也能探测小至的位移。马赫曾德光710M纤干涉仪的典型应用有光纤力传感器、光纤压力传感器、光纤加速度传感器以及利用磁致伸缩材料的光纤磁场电流传感器等。3萨格纳克SAGNAC光纤干涉仪图331所示为萨格纳克干涉仪的原理图。这是利用萨格纳克效应构成的一种干涉仪，其工作原理是激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器，同时有一部分返回激光器。在这种干涉仪中，把任何一块反射镜在垂直它的反射表面的方向上移动，两束光的光程变化都是相同的。因此，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。但是，当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度转动时，根据萨格纳克效应，两束传播方向相反的光到达光探测器的延迟不同。这个相位延迟量可表示为式中，A是光路围成的面积；C是真空中的光速；是真空中的光波C800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。图331萨格纳克干涉仪原理图图341法布里珀罗干涉仪原理图4法布里珀罗FABRYPEROT光纤干涉仪法布里珀罗FP干涉仪是基于多光束干涉原理，其结构如图341所示。它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达95以上。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收。光纤法布里珀罗干涉仪与传统光学干涉仪相比，以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位，代替了以传感器控制反射镜移动实现调相。且因为采用单根光纤，利用多光束干涉来检测应变，避免了前几种传感器所需双根光纤配对的问题，且比迈克尔逊型更适合于低频应变信号的测量。四相位调制型光纤主要应用从图中可以看到，对基本的干涉测量光纤传感器进行了分类应用总结。除了4种基本干涉仪外，还可以利用谐振环进行干涉测量。图41干涉测量光纤传感器应用总结1微分干涉仪微分式光纤干涉仪综合了马赫曾德光纤干涉仪及萨格纳克光纤干涉仪，采用无源相位压缩技术，把普通双光束干涉仪的线性范围扩大数百倍，并使得信号处理电路大为简化，无需提供相位补偿。该干涉仪方案还具有稳定的正交工作状态；能自动消除光纤固有的双折射，或因弯曲、温度等环境缓变量变化产生的干扰；光源可用宽光谱的半导体激光器或发光二极管，结构简单，成本低廉。微分干涉原理的基本思想是让干涉仪两臂中的光在不同时刻都通过相位调制器，再到达光探测器进行干涉。这两束光由于在不同时刻被连续变化信号所调制，因此它们在到达光探测器时具有不同的相位。假设这两路光被调制的时间差T很小，那么两臂中的相位差实际上是一个被调制相位的微分量，对此信号积分即可得到被调制相位信号。当被调制相位很大时，在较短的时间间隔T内的被调制相位对时间的微分仍然很小，干涉仪仍能工作在线性区内，这就相当于对被调制相位进行了压缩，从而扩大了干涉仪的线性范围。光纤微分干涉仪的原理结构如图411。图中激光器发出的光到达耦合器时被分成两束S和R。S光先经过光纤延迟线延时T后，经过压电陶瓷相位1C调制器L进行相位调制。R光经过偏振控制器后直接进行相位调制，再经过光纤延迟线。最后这两路光到达光耦合器发生干涉，由光探测器对其进行探测。2C图411微分干涉仪原理图2白光干涉仪普通的干涉型传感器若采用窄带激光器作为光源，在探测器处它将产生一个随着被测物理量的变化而按正弦规律变化的信号，被测物理量的大小与它所产生的正弦信号的周期数直接相关，但是它不产生绝对测量值。如果在测量过程中光源输出功率发生变化，被测量变化信息的测量将受到影响；如果被测量在所探测的正弦信号的峰值或零值时改变方向，则方向的变化将无法探测到。同时，这类系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，系统结构复杂，制造成本高。相比之下，采用低相干光源的白光干涉仪能解决其中一些难题，它不仅可用来对物理量进行绝对测量，而且能使传感器的动态范围扩大，分辨率得以提高。白光干涉仪是一种非常有用且功能众多的光学测量仪器，它的测试精度可达到波长的几分之一，其量程可以达到波长的好几个数量级倍数。当干涉仪使用白光光源时，由于干涉条纹的零级条纹容易识别，所以传感系统可以输出一个被测物理量的绝对测量值。白光干涉的优点是稳定性好、外界扰动或光源输出功率的变化不影响测量结果，精度和分辨率高，易于多路复用等。图421白光干涉仪原理图图421所示的传感干涉仪将被测物理量的变化转换为光程差的变化，参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信号重合并产生干涉。这样，在输出端就可观察到代表白光干涉仪输出信号的干涉条纹。输出光强在两条干涉条纹的光程差相等时有最大值，对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹。为得到低相干度光源和解决零级干涉条纹的检测两大问题，要求所用光源的相干长度应满足既远小于两个干涉仪的光程差，又大于两个干涉仪光程差的差值。在系统测量过程中，通过改变微位移计，使参考干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等的方法，直接得到传感干涉仪光程差的变化值，实现对被测量的绝对测量。3相位调制型光纤压力和温度传感器利用马赫泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理，如图，激光器发出的一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受温度（或压力）信号；参考光纤不感受此侧物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个臂，再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。当传感光纤感受到温度变化时，光纤的折射率会发生变化；而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强的强弱随着相位的变化而变化。通过光电检测器就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，图431马赫泽德压力（温度）干涉仪五总结随着光电子技术近年来突飞猛进的发展，光纤传感技术经过二十余年的发展也已获得长足的进步，其主要体现在进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支，不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式光纤测温系统，以光纤光栅为主的光纤智能结构；改造了传统的测试系统，如以光纤构成的新型光谱仪；利用电/光转换和光/电转换技术以及光纤传输技术，把传统的电子式测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表等等。光纤传感器在比较极端环境里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤传感器凭借着其大