（光学专业论文）基于光纤sagnac干涉仪的光纤传感器.pdf

摘要 摘要 在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在 实验研究、实际应用中占据了较高的位置。光纤塞格纳克( s a g n a c ) 干涉仪因为 其极高的灵敏度也已经广泛应用于各个领域，尤其基于s a g n a c 干涉仪设计的光 纤陀螺仪已经成为军事和商业应用最为成功的干涉型传感器件。 本文首先分析了高双折射光纤s a g n a c 环镜的工作原理和传感特性基于此 特性，本文以高双折射光纤s a g n a c 环镜作为传感头组建了具有高灵敏度的温 度传感器。该传感器在2 5 一7 0 的测温范围内，其光强透过率函数的温度响 应度约为1 6 。实验结果表明其透过率函数的温度响应曲线在4 0 - - 7 0 具有较高的线性拟合度，为0 9 9 7 5 。 其次，本文介绍了相位压缩原理，通过对s a g n a c 干涉仪原理的具体分析， 了解到其具有互易性的特点，故能够消除由环境温度所造成的不稳定因素的影响 这一优点。在这两个原理的基础上组建了光纤微分干涉仪实验系统，并对其工作 原理进行推导分析，给出主要公式和限制条件，并通过实验获得了输出波形的电 压幅值和频率与调制电压和调制频率之间的关系。通过实验与理论的结合，我们 分析出基于相位压缩原理的光纤微分干涉仪具有线性范围广、信号处理电路简 单，而且还对缓变的温度等环境因素不敏感的优点。 关键词：光纤传感器：s a g n a c 环镜；相位压缩；光纤微分干涉仪 a b s t r a c t c o m b i n e d 、i t l it h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , o p t i c a lf i b e rs e i i s o r i sd e v e l o p i n gs or a p i d l y t h i sn c wt e c h n o l o g yi l l sl i g h tw a v ea sc a r r i e ra n da p p l i e s o p t i c a lf i b e ra sm e d i a t o rt oa p p e r c e i v ee 】c i 锄a 1a l t e r a t i o n i nt h ev a r i o u so p t i c a lf i b e r s e n s o r s 。i n t e f f e r o m e m cf i b e rs e l l s o r sf o rt h es i m p l ec o n f i g u r a t i o na n dt h eh i 【g h s e n s i t i v i t yh o l dt h el l i g hp o s i t i o ni nt h es t u d y sa n da p p l i c a t i o n s d u et oi t sh i 曲 s e n s i t i v i t y , o p t i c a lf i b e rs a g n a es e x s o i sh a sb e e nu s e di n t oag r e a td e a lo fi n d u s t r y f i e l d s ，e s p e c i a l l yf i b e r - o p t i cc r y r o s c o p eb a s e d0 1 1s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r sh a sb e c o m e o n eo ft h em o s ts u c c e s s f u li n t e r f e r o m e t r i cs e n s eo r g a n si nt h ea p p l i c a t i o n so fm i l i t a r y a f f a i r sa n db u s i n e s s a tt h eb e g i i m m go ft h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g l l b i r e f i i n g e n e ef i b e rs a g n a el o o pm 嘶a 托i n t r o d u c e d u s i n gah i g hb i r e f r i n g e n e e f i b e rs a g n a el o o pm i r r o ra ss e n s o r ，at e m p e r a t u r es e n s o rw i t ht h eh i g hs e n s i t i v i t yi s c o n s t r u c t e d t h eo u t c o m eo ft h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r er e s p o n s e c u r v ei sa b o u t1 6 ca n dh a sa h i g hl i n e a r i t yr e a c h e d0 9 9 7 5 i nr a n g co f4 0 1 2 7 0 s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fp h a s ec o m p r e s si si n t r o d u c e d b ym a k i n gac o n c r e t e a n a l y s i s o ft h ep r i n c i p l eo fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r , w ek n e wt h a ti tt o o k0 1 1 c h a r a c t e r i s t i c so fr e c i p r o c i t y , s oi tc o u l df i g h to f ft h ee f f e c t so fu n s t a b l ef a c t o rb yt h e t e m p e r a t u r eo fi t ss u r r o u n d i n g s o nt h eb a s i so ft h et w ot h e o r i e s ，：w ed e s i g n e dt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e mo ft h eo p t i c a lf i b e rd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n ti n t e f f e r o m e t e r , i nt h e m e a n t i m ed e r i v e da n de v a l u a t e df o ri t so p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，t oa r r i v ea tt h ec h i e f f o r m u l a sa n dq u a l i f i c a t i o n w eo b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u tv o l t a g e a n df r e q u e n c ya n dm o d u l a t i n gv o l t a g ea n df r e q u e n c yb yt h e e x p e r i m e n lb y c o m b i n i n gt h e o r yw i t hp r a c t i c e pw er e a c hac o n c l u s i o nt h a tt h eo p t i c a lf i b e r d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n ti n t e f f e r o m e t e ro nt h eb a s i so f p h a s ec o m p r e s sp r i n c i p l eh a st h e a d v a n t a g e so fl i n e a r i t yo v e rw i d er a n g e s t h ec i r c u i t so fs i g n a lp r o c e s s i n gs i m p l i c i t y , i n s e n s i t i v et os o m ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha sac h r o m a t i c a l l ya l t e r e dt e m p e r a t u r e a n dt h e n , w em a d ea b r e a k t h r o u g h , c o u p l i n gt h eo p t i c a lf i b e rd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n t a b s t r a c t i n t e f f e r o m e t e rt oe x t r a c t i n gt h es e n s i n gi n f o r m a t i o no ft h eo p t i c a lf i b e rg a t i n g b y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w es h o w e dt h ev a l i d i t yo fa c t u a la p p l i c a t i o n , a n dd e s i g n e d c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m , w h i c hs u s t a i n e dt h et h e o r y k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r ；s a g n a cl o o pm i r r o r ：p h a s ec o m p r e s s ：o p t i c a lf i b e r d i 丘b r e n d a li n t e r f e r o m e t e r m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意 签名：遣叠塞日期幽：墨：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印，缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 尘丑上| 第l 章绪论 1 1 光纤传感技术 第1 章绪论 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信 号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素 影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化，将引起光纤光波参数如光强、 相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化， 就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性，将外界物理量转换成可以 直接测量的信号的技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒质，而且由于光波 在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、相位、偏振态、波长等) 因外界因 素( 如温度、压力、应交、磁场、电场、位移、转动等) 的作用而直接或间接发 生变化，从而也可将光纤用作传感元件来探测各种物理量，其原理见图卜l ，这就 是光纤传感器应用的基本原理“1 。 介 ，l ：2 i j 馘 ：温度、压力、应交、j - 宴璺、植秀雀 图1 - 1 光纤传感原理简图 f i g 1 1d i a g r a m o f f i b e ro d n cs e i i s 0 1 s 1 1 1 光纤的基本结构及导光原理 光纤由导光的纤芯及其周围的包层组成，在某些特殊的工程环境下，需要加 裹护套起到保护作用，其结构如图1 2 所示。 北京工业大学理学硕士学位论文 嘞明 躺 n 2 乜詹 图卜2 光纤结构与光在纤芯内传输示意图 f i g 1 - 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h eo p t i c a lf i b e r sc o n f i g u r a t i o na n dt h er a y st n m s m i r o d 纤芯的折射率高于包层的折射率，当光从纤芯射向包层的入射角口( 见图 卜2 ) 大于临界角时，光就可在纤芯中全反射地传输，能量损耗非常小，这就是 光纤导光的原理。 1 1 2 光纤传感器的优点及应用 光纤传感器具有许多优点，概括如下： ( 1 ) 高灵敏度：例如目前用的马赫一泽德光纤干涉仪能检测o 1 9 r a d 的相 位差，若光源的波长为1 研，相当于1 0 。4 m 光程差。即采用干涉型光纤传感器 可测非常小的物理量。 ( 2 ) 抗电磁干扰：一般电磁辐射频率比光波频率低的多，所以在光纤中传播 的光不受一般电磁噪声的影响，此外光纤中的渐衰场只限于在包层中离纤芯数 微米处，而通常光纤包层都在1 0 9 i n 以上，因此在多芯光缆中纤芯间具有良好 的抗电磁串音性能。 ( 3 ) 电绝缘性和化学稳定性：光纤本身是一种化学性能稳定的高绝缘物质， 且敏感元件可以做成电绝缘和电无源元件。因此光纤传感器不仅化学稳定性好， 而且电绝缘性能也高，特别适用于电力工业和化学工业中需要高压隔离和易燃 易爆的恶劣环境。 ( 4 ) 良好的安全性：光纤传感器的敏感元件是电无源的，故在生物体内测量 时，不存在漏电和电击的危险。故近年来医用光纤传感器十分活跃。 ( 5 ) 可分布式测量：一根光纤可以准确测出沿线任一点上的应力、温度、 振动和损伤等信息，从而可以实现长距离连续测控，并由此形成具备一定规模的 监测网，提高监测水平。 ( 6 ) 传输容量大：由于光纤可以传输大容量信息，因此以光纤为母线，收集 各传感点的信息，来代替笨重的多芯水下电缆。并且通过复用技术，还可以实现准 分布式的光纤监测 第1 章绪论 ( 7 ) 使用寿命长：光纤的主要材料是石英玻璃( 塑料光纤一般比较少见) ， 外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。尤其是 在土木工程中，地下水是一个不可回避的重要问题，光纤的这种特性减弱了地下 水对传感器的腐蚀影响，从而提高使用寿命。 ( 8 ) 轻细柔韧便于安装埋设：光纤的这一特性，使它在埋入混凝的过程 中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。 此外，光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活。 易于远距离监控和多功能传感等优点，使得它在建筑桥梁、电力工程、煤炭化工、 地质探矿、石油勘探、地震波检测、医疗卫生、军事制导等领域有着极为重要 的应用。 1 1 3 光纤传感器的几大发展趋势 光纤传感器的发展趋势有如下几个方面： ( 1 ) 光纤光栅传感网：光纤光栅是最近几年发展迅速的光纤无源器件，它 在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。光纤光栅是用光纤材料的光 敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性交化) 在纤芯 内形成空间相位光栅，其作用实质是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤 光器或反射镜。利用这一特性可构成许多独特性能的光纤无源器件和光纤传感器， 例如：光纤激光器、光纤滤波器、光纤波分复用器，以及用于应力、应变、温度 等参量检测的光纤传感器和各种( 简单或复杂的) 光纤传感网。目前已有采用光纤 光栅测量应力、应变、温度等参量以及构成光纤生物、化学传感器的许多报道，主 要内容是如何提高灵敏度。扩大动态范围。提高灵敏度的途径，包括改变包层材 料，改变光纤结构，改变光纤成分等。另外，采用光纤光栅构成多参量传感器和 光纤传感网也是目前研究热点之一。 ( 2 ) 分布式光纤传感网：分布式光纤传感器是指以光纤为传感介质，利用 光波在光纤中传输的特性，给出沿光纤长度方向每一点的被测量值。这是光纤特 有的一种新型传感器，它可给出大空间里温度或应力等参量的分布值。例如。一 个2 0 k m 的分布式温度传感器，可给出2 0 k m p q 每一点( 例如每米或每5 m ) 的温度值 构成分布式光纤传感器，需要解决两个问题：一是传感元件能够给出被测量沿 空间位置的连续变化值；二是准确给出被测量的所在空间位置。对于前者，可利 用光纤中的传输损耗、模耦合、传播的相位差、非线性效应( 例如光波的频移) 等 给出连续分布的测量结果；对于后者。可利用光时域反射技术”。1 、扫描干涉技 术等给出被测量的所在空间位置。 ( 3 ) 用于智能材料和结构的光纤传感技术：在材料和结构的制造过程中， 将传感元件和驱动元件埋入其中传感元件可对结构的状态参数( 如应变、温度、 北京工业大学理掌硕士学位论文 损伤程度等) 进行实时测量：驱动元件可对结构状态作必要的调节或控制，可保 证结构安全运行并工作在最佳状态。因为这种结构具有一定的“智能”，故称为 智能结构p 1 这种光纤传感器由于具有体积小、损耗低、灵敏度高、抗电磁干扰 电绝缘性好、带宽大等优点，可以同时作为传感元件和传输媒质，并实现多点或 分布式测量，因而它是最有前途用于智能结季句的传感技术，也是国内外目前研 究熟点之一 1 2 光纤干涉型传感器 在各种光纤传感器中，光纤干涉型传感器以其简单的结构和较高的灵敏度在 实验研究、实际应用中占据了较高的位置。在光学测量领域，干涉测量技术是物 理量检测中最为精确的技术之一。光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤 传感器。其基本原理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s a g n a c 效应的旋转 角速度传感器( 光纤陀螺) 等”“。2 0 世纪7 0 年代低损耗光纤出现以后，光纤干 涉型传感器的研制有了长足进展，并很快得到实际应用。 利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应 用已经有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。早期的光学干 涉仪感测部分是用传统光学元件组成，具有受待测量影响而改变光特性的功能， 如温度、压力、振动等。但是，以自由空间作为干涉光路的一般干涉仪，由于其 体积大，空气易受环境温度、声波和振动的影响，使干涉测量不稳定、准确度低， 同时调整也较困难，所以限制了它在一般场合下的实用性。目前的干涉仪都是以 光纤为感测部分，光纤直接受待测量作用而改变其中传导光的特性。用光纤代替 自由空间作干涉光路的光纤于涉仪有两个突出的优点：一是减少了干涉仪的长臂 安装和校准的固有困难，并可使干涉仪小型化：二是可以用加长光纤的方法使干 涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。这样，传统的光学干涉仪从实验室中走了 出来，并成为高机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪表。 利用单模光纤作为光路的干涉仪，可以排除相干光在空气中传播带来的空气 扰动及声波的干扰而引起的空气中光程的变化造成的光学于涉仪工作不稳定性。 光纤光波干涉可以把相位的变化转变为光能的变化。因而，光纤传感器可进行由 光波相位变化和光纤干涉两部分组成的相位调制，以克服光探测器不能直接感受 相位变化的不足。利用逆压电效应，将电信号转变为光纤几何尺寸的变化来实现 第1 章绪论 相位调制或解调。相位调制光纤传感器是以被测量引起敏感光纤内传播的光波产 生相位变化，再利用干涉测量技术把相位的变化变换成光强的变化，以传感被测 量。在光纤干涉仪中，采用了相位调制光纤应变传感器、光纤电流传感器、光声 气体光纤传感器和位移光纤传感器等“。 干涉型传感器具有较高的灵敏度。最早设计的于涉型传感器用于检测微弱的 声波扰动，这项技术在8 0 年代中后期取得较大的成果。而后，科学家们致力于研 究解决干涉仪的解调、噪声、偏振控制以及复用等问题。 干涉型光纤传感器现已研制出多种结构，其中最主要的是光纤马赫一泽德 ( m - z ) 、光纤迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 、光纤萨格纳克( s a g n a c ) 和光纤法布里 一珀罗( f p ) 干涉仪。图1 3 是这四种光纤干涉仅的结构。 哑r 1 与弋舯的 r 卜j 、芒先f 恒曼j m 圈弋弩萝圆 每仃置甜巨射 rjj ( a ) 迈克尔逊干涉仪( ”马赫一泽德干涉仪 ( c ) 萨格纳克干涉仪( d ) 法布里一珀罗干涉仪 图1 - 3 四种相位调制型光纤干涉仪的结构 f i g i - 3s t r o c l u l eo f f o u r t y p e o f f i b e ri n t e r f e r o m e t e r 由于光源的噪声对干涉仪的影响较为明显，所以光纤马赫一泽德和光纤迈片 尔逊干涉仪一般被设计为两臂具有相同的路径，用以消除可以放大的噪声。 与m z 和m i c h e l s o n 干涉仪相比，s a g n a c 干涉仪具有对外界环境变化不敏感白c 特性。自从1 9 7 6 年v a l i 等人设计 s a g n a c 干涉仪之后，已有多篇报道介绍了它自 应用。这种干涉仪应用较多的是作为复用器、非线性环镜和光纤传感器。 且前，采用s a g n a c 于涉仪的光纤传感器的研究及应用情况已有多篇报道。主 种传感器可被用于测量电流、声音等外界物理量，而基于s a g n a c 干涉仪设计的， 纤陀螺仅和水听器已经成为军事和商业应用最为成功的干涉型传感器件，并被j 别用于角速度和超声波的测量中1 ，广泛用于军事武器以及航天器的制导上。 s a g n a c 干涉仪是法国物理学家g e o r g e ss a g n a c 在1 9 1 3 年设计的，其基本自 北京工业大学理学硕士学位论文 构如图卜4 所示，它由一个分光环节( 分束器) 和三个反射镜构成闭合回路，输入 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 反的相干光，相干后射向探测器。 图1 4s a g n a c 干涉仪基本结构示意图 f i g ，1 - 4d i a g r a m m a t i cs k c l c ho f b a s i cs t r u c t u r eo f s a g n a c 删c r o m e t c r 当整个装置转动时，两束光将产生一定的光程差，光程差或拍频的大小正比 于转动角速度。这种独特的结构随后被扩展为各种形式的环形激光器和光纤陀 螺。环形激光器作为一种用途广泛的激光器件”。，可用于测量角度、角速度、 流速以及磁场等，它们具有启动快、惯性小、耐加速度、耐冲击、精度高、易于 实现数字化和动态连续测量等许多优点。光纤陀螺是一种重要的基于s a g n a c 效应 的光纤传感器。自1 9 7 6 年实验室验证了第一个光纤陀螺“”以来，以其简单结构 和巨大潜力。而格外受到人们重视，各国竞相将光纤陀螺实用化和产业化 1 3 本课题的主要研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 理论分析引起光纤中光相位调制的两种物理效应。介绍相位调制型光 纤传感器中几种常用的光纤干涉仪并比较这几种光纤干涉仪的灵敏度。 ( 2 ) 研究高双折射光纤s a g n a c 环镜的工作原理和传感特性重点研究了其 在湿度传感上的特性，绘出一种可行高双折射光纤s a g n a c 环镜温度传感实验系 统，实现对环境温度的实时监铡 ( 3 ) 研究给出一种可行的光纤微分传感器，以实现相位压缩。介绍了相位 压缩原理，并基于此原理组建了光纤微分干涉仪实验系统，然后对光纤微分干涉 仪的工作原理进行了推导分析，给出了主要公式并给出了限制条件。通过使用一 第1 章绪论 ! i ， 个函数发生器来调节施加于压电陶瓷上的调制电压和调制频率，采用l d 宽带激光 器作为实验系统的光源，从而获得了输出波形的电压幅值和频率与调制电压和调 制频率之间的关系，最后对实验结果进行了数据分析。 1 4 本课题来源 本论文涉及的内容来源于对北京市教委资助项目“光纤光栅传感在建筑物应 变测量中的应用”课题的研究。 第2 章相位调制型光纤伟 骞理论 2 1 引言 第2 章相位调制型光纤传感理论 光纤对许多外界参数有一定的效应。研究光纤传感原理就是研究如何应用光 纤的这些效应，研究光在调制区内与外界被测参数的相互作用，实现对外界被测 参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心。 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型传感器是利用光纤 本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全分布式光纤 传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作 为传输介质、传输来自远外或难以接近场所的光信号，所以也被称为传光型传感 器，或混合型传感器陋j 。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可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、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制 光纤传感器。在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述田l e = e o c o s ( 国t + 勿 ( 2 1 ) 式中，e 0 为光波的振幅；c o 为频率；5 为初相角。式( 2 - 1 ) 包含5 个参数， 即强度毛2 、频率、波长凡= 2 邪国、相位( 耐+ 尹) 和偏振态，被测量在敏感头 内与光发生相互作用，如果作用的结果改变了光的相位，就叫相位调制光纤传感 器，其他依次类推，就得到了五种调制类型的光纤传感器。 光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、 光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。 光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的光纤传感器物理量测量达7 0 余种。然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制 传输光光波的某参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而 得到被铡物理量。 2 2 相位调制机理 2 2 1 相位调制概述 利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应 用已有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。但是以自由空间 北京工业大学理学硕士学位论文 作干涉光路的一般干涉仪，由于其体积大空气易受环境温度、声波及振动的影 响，使干涉测量不稳定、准确度低，同时调整也较困难，故限制了它在一般场合 下的实用性。用光纤代替自由空间作干涉光路的光纤干涉仪有两个突出的优点： 一是减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有固难，并可使干涉仪小型化；二是可 以用加长光纤的方法是干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加。 相位调制型光纤传感器的基本传感原理是：通过被测量能量场的作用。使光 纤内传播的光波相位发生变化，再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。光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其 分衣、波导横向几何尺寸所决定。可以表示为地，其中k o 为光在真空中的波 数，以为传播路径上的折射率，上为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温 度等外界物理量能改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。 但是，如前所述，目前的各类光探测器都对光的相位变化不敏感，必须采用干涉 测量技术，才能实现对外界物理量的检测 与其它调割方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术两具有很高的检测 灵敏度，对温度为1 0 6 r a d ( m 6 3 ，对压力为1 0 - 9 t a d ( m p a ) ，对应变( 轴向) 为1 1 4 r a d i ( m 所) 。如果信号检测系统可以检测g r a d ( 一般是这个数量级) 的相位移，那么，每米光纤的检测灵敏度对温度为l o “c ，对压力为1 0 4 p 打， 对应变为1 0 - 7 。动态测量范围大，可达1 0 ”，且探头形式灵活多样，适用于不同 的测试环境，同时响应速度也快。下面将讨论弓i 起光纤中光棍位调制的几种物 理效应 2 2 2 应力应变效应 当光纤受到纵向( 轴向) 的机械应力作用时，光纤的长度、纤芯折射率都 将发生变化。这些变化将导致光波的相位变化。 光波通过长度为l 的光纤后，出射光波的相位延迟为【刎 = 兰当工= 以 ( 2 2 ) 式中，多= 2 万，a 为光波在光纤中的传播常数，名= 气t n 是光波在光纤中的传播 波长，五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 的变化可以写成如下形式 鲫= 肚+ 三筇= 肛等+ 上3 一f l a n + 工箬血 ( z - 3 ) 式中，a 为光纤的纤芯半径；第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟 ，蝥呈些些些筌塑坠一 ( 应变效应) ：第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟( 光弹效应) ；第三 项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟( 泊松效应) 。一般来说，泊松效应 引起的相位延迟相对前两项要小得多 可将光纤视为各向同性材料，根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折 射率的变化与对应的应变毛有如下关系式 p 1 1p 1 2 p 1 2 0 0 p 1 2p l l p 1 2 00 p 1 2a 2p l l 0 0 00 0 m0 0 000 p 4 4 00 00 0排 ( 2 - 4 ) 式中，x b i 为( 睁l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 光纤不渗透张量元的变化量，p u ，a 2 ， 是光纤的光弹系数，其中儿= ( p i 。一p 1 2 ) ，2 ；q 和岛是光纤的横向应变；岛 为光纤的纵向应变。 因为 所以 马：( ! ) 2( f ：l ，2 ，3 ) ( 2 5 ) 啊 她= 一言砰弛 o = l ，2 3 ) ( 撕) 假设光纤纤芯为各向同性材料，有毛= 巳，且m = 啦2 吩2 疗， n 。= 一丢 3 【( p + p 。：) f t + p z s ，】 ( 2 7 ) a 2 = - 圭刀3 【( p s l + p - z ) 占。+ p - ：占，】 ( 2 - 8 ) 码= 一圭【2 p 。：q + p l ，毛】 a b 4 = 蝇= 啦= 0 ( 1 ) 纵向应变引起的相位变化 在式( 2 3 ) 中，第三项比前两项小得多， ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 可以忽略。且设p = ，九， 蛆蛆啦峨皑缄 北京工业大学理学硕士学位论文 笔= 南= 幼无，岛= 址，上，则 = 以毛+ 上刀 ( 2 1 1 ) 只有纵向应变时，毛= 乞- - 0 ，由于光纤中光的传播是沿横向偏扳的，仅考虑折 射率的径向变化，将式( 2 - 7 ) 代入式( 2 1 1 ) 得 = 去力k o l ( 2 - n 2 p 1 2 ) 6 3 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 径向应变引起的相位变i f , 此时岛= 0 ，对于轴向对称的径向应变毛= 乞：丝，考虑泊松效应时由式 ( 2 3 ) 得相位变化 妒吨l 旦n k o 雠k d a ) 秒12 ， 毛 协 式中，d p d a 为传播常数的应变因子。不考虑泊松效应时有 矿= 一去l 栉3 ( p 1 1 + p 1 2 ) 毛 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 光弹效应引起的相位变化 此时纵、横向效应同时存在，将式( 2 7 ) 代入式( 2 1 1 ) 得相位变化为 庐= ，z k l 毛一- j 1 珂2 ( p l 。+ a ：) 毛一j 1 胛2 a ：毛 = 一三岛 一丢万2 【( 一y ，a ：一y a 。】) 。：。， 2 ，r n 毒a l ：= - - - - - - - 一 磊 其中矧一j 1 州) p 。u - v p n 称为光纤应变系数，阱y 为泊松龇妒可 以用光的干涉方法，通过测量干涉强度测出，从而可以测定产生妒的传感的 ( 4 ) 一般形式的相位变化 当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短；纵向应变缩短时，横向应变为伸 长，两者符号相反，符合胡克定律 尘尘塑尘鬈墼些垒。一 l l i 上l = y ( 2 1 6 ) i 乞i 式中，l ，为常数，称为泊松比，且毛= 占2 ，则可以把式( 2 - 3 ) 改为 妒n 啦心1 以h ，p 。2 - v p l 卜如誓岛协 2 2 3 温度应变效应 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，并把 温度场变化等效为作用力f 时，那么作用力f 将同时影响光折射率n 和长度l 的变化。由f 引起光纤中光波相位延迟为 尝= 舭( 嘉) + 工( 等) = 舭面d n + z n 面d l ) ( 2 1 8 ) 式中第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a t 和相位变化描述，则有 等= 似州等) 】 c 2 棚， 由于光纤中光的传播是沿横向偏振，仅考虑径向折射率变化时，由( 2 - 7 ) 可得 到 舻州争门( 势丁 = ， 毛一圭行2 ( p - 。+ a ：) 蜀+ a ：岛 ) 2 之。 式中，岛和毛为温度变化引起的应变。测出驴便可以测出温度的变化 2 3 光纤干涉仪简介 光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位 调制干涉型光纤传感器，光纤完成相位调制的任务，干涉仪完成相位- 光强的转 换任务。在光波的干涉测量中，传播的光波可能是两束或多束相干光。例如， 北京工业大学理学硕士学位论文 设有振幅分别为4 和4 的两个相干光束，如果其中一束光的相位由于某种因素 的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为侧 a = 4 + 4 2 + 2 a 1 4c o s ( a ) ( 2 - 2 1 ) 式中，是相位调制引起的两相干光之间的相位差。如果检测出干涉光强的变 化，则可确定两光束间的相位变化，从而得到待测物理量的大小。下面将介绍 几种常用的光纤干涉仪。 2 3 1 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 光纤干涉仪 图2 - 1 迈克尔逊干涉仪的原理图 图2 - l 是普通光学迈克尔逊干涉仪的原理图。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， 被分柬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返回到激 光器。激光器输出的经由分束器透射的另一束光入射到可移动反射镜上，然后 反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分经由 分束器透射，返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相 干长度时，入射到光探测器上的两相干光束便产生干涉，干涉光强由式( 2 - 2 1 ) 确定。两相干光的相位差为 西= 2 k o a j ( 2 2 2 ) 式中，是光在空气中的传播常数；是两相干光的光程差。由式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 可知，可动反射镜每移动= 2 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，即变化一个周期。 为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，可考虑用全光纤干 涉仪结构。迈克尔逊光纤应变干涉仪的基本光路如图2 2 所示。图中以一个3 d b 第2 章相位调制型光纤传辱理论 耦合器取代了分束器，光纤取代了空气光程，以光纤作为相位调制元件。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 被反射回激光器。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，从两测得该应变。该装置在h e - n e 激光器的红光情况下，可以 检$ g l o “3m 的位移 2 5 1 。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工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。 3 曲耦台嚣 图2 - 2 迈克尔逊光纤干涉仪 f i g 2 - 2m i c h l s o no p t i c a lf i b e ri n t e r f e r o m e t e r 2 3 2 马赫一泽德( m - z ) 光纤干涉仪 射的 鲆蛐面 图2 - 3 是马赫一泽德干涉仪的原理图。它与迈克尔逊干涉仪有一些相同之 处：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。另外，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。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。这种干涉仪也能探测小至1 0 ”m 的位移。 作为一个工程实用的传感器，最好采用全光纤干涉仪。图2 4 表示马赫一泽 德全光纤干涉仪的基本结构。以这个基本结构为基础还有很多的变型结构。它 与迈克尔逊干涉仪同属双光路干涉仪，两者不同之处在于，迈克尔逊干涉仪在 两臂上各装一个反射镜，使唯一的一个耦合器同时起到分柬和合束的作用。而 马赫一泽德干涉仪使用了两个耦合器分别进行分束和合束。从激光器发出的相干 光通过3 d b 耦合器分成两个相等的光束，一束为信号臂，另一束为参考臂。外界 信号s 作用于信号臂，第二个3 d b 耦合器把两束光再耦合。再分成两束光经光 纤传送到光探测器。根据双光束干涉原理，两个光探测器接收到的光强分别为 ( 2 - 2 3 ) 、， 谚 s0c口 “ + 1 o o ， 一2 = ，= 一 北京工业大学理学硕士学位论文 l = 丢们一口c o s 九) ( 2 - 2 4 ) 式中，厶为激光器发出的光强，口为耦合系数以为外界信号& o 引起的相位移 经过适当的信号处理能将信号& ，) 从光强中解调出来。 图2 - 3 马赫泽德干涉仪原理圈 f i g 2 3m _ h - z e h n d e , r 删盯咖e t e r 图2 _ 4 马赫一泽德全光纤干涉役 f i g 2 - 4m m ：h - 妣o p t i c a lf i b e ri n t e f f e r o m e t c r 保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要 保证两光纤臂间的正交状态。所谓“正交状态”，是指干涉仪的两臂光波间的相 对相位为9 0 _ ，这样做的优点是探测器相位灵敏度最高。一般在参考臂中采用压 电陶瓷( p z t ) ，通过闭环反馈激励来保证正交条件。这种结构的缺点是，p z t 的相位调态范围只有2 石，因此当所需校正的相位漂移超出该范围时，系统将有 一个瞬态输出【2 “。相位漂移主要是由温度变化引起的。因此，该系统要求环境 温差不能太大。 第2 章相位调制型光纤传感理论 2 3 3 赛格纳克( s a g n a c ) 光纤干涉仪 图2 - 5s a g n a c 干涉仪原理图 f i g 2 5s a g n a ci n t e f f e r o m c t e r 赛格纳克干涉仪原理图如图2 5 所示。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，被送入光探测器中，同时也有一部分光返回激光器。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。因此根据双光束干涉原理，在光探测器中探测不到干涉光 强的变化。但是，当把这种干涉仪装在一个绕垂直于光束平面轴旋转的平台上， 且平台以角速度q 转动时，根据s a g n a c 效应，两束传播方向相反的光束到达光 探测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋转，则这个相位延迟量可表示为 ，8 万么，、 尹= _ s 2 ( 2 2 5 ) x o c 式中，a 是光路围成的面积；c 是真空中的光速；厶是真空中的波长。这样， 通过探测器便可检测到干涉光强的变化，同时确定旋转角速度 s a g n a c 光纤干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。光纤陀螺仪的结构如图2 6 所示。其灵敏度比空气光程的s a g n a c 光纤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 8 ，r n a 妒2 。- s 2( 2 2 6 ) c 北京工业大学理学硕