（光学专业论文）双折射光纤sagnac环镜相位压缩光纤传感器的研究.pdf

摘要 曼曼曼曼皇! 曼! ! 曼曼曼曼鼍! 鼍曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼i i i1 ；= i i 曼曼曼曼曼 摘要 2 0 世纪7 0 年代，光纤传感技术迅速发展起来。它以光波为载体，光纤为媒质， 感知和传输外界被测信号。光纤传感器是以光波为载体、光纤为介质的新型传感 器，具有一系列独特的优点，已在许多领域得到广泛应用。 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。 本文首先概括介绍了光纤传感器的诞生、发展及应用，并详细阐述了压电陶 瓷( p z t ) 的光纤相位调制原理和s a g n a c 效应光相位调制原理，并对光相位调制 原理和系统的工作原理进行了公式推导。组建了基于s a g n a c 结构光纤微分干涉仪 实验系统。实验现象表明，相位差的最大限度与调制电压幅度和频率成正比，输 出光的光强是周期变化的余弦波，输出光强的幅值与最大位相差即信号电压的幅 度和频率成正比。 其次对双折射效应进行了分析推导，得到波长变化和相位变化有对应关系。 并基于理论分析设计了双折射s a g n a c 光纤环镜相位压缩光纤传感器实验系统并 进行了实验验证，该实验系统具有线性范围广、灵敏度高、对缓变的温度等环境 因素不敏感等特点。通过实验发现，改变双折射光纤的长度，可以使在待测光波 长的变化范围内引起的相位变化在干涉图样同一周期的一段线性范围内。 最后采用伟福$ 5 1 单片机p 8 7 c 5 2 ( p h i l i p s ) 和模数转换芯片a d c 0 8 0 9 设 计模数转换电路，实现模数转换和进行分析计算，完成了解调过程。 关键词：双折射光纤；s a g n a c 环镜；相位压缩；光纤微分干涉仪；波长解调 a b s t r a c t 曼曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼曼! ! ! 舅舅! 曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! i i i 曼曼! 曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼! 皇! 曼曼皇曼曼 a bs t r a c t f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf i r s td e v e l o p e di nt h e19 7 0 s a c c o r d i n gt o t h i st e c h n o l o g y ，s i g n a l sa r es e n s e da n dt r a n s m i t t e dt h r o u g hc a r d e rw a v e sa n dt h e t r a n s m i t t i n gm e d i u m ，o p t i c a lf i b e r a san e wt y p eo fs e n s o r 淅也i t su n i q u ea d v a n t a g e s ， f i b e r - o p t i c a ls e n s o r sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s a m o n gv a r i o u sf i b e rs e n s o r s ，t h ef i b e ri n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r ，w i t hi t ss i m p l e s t r u c t u r ea n dh i 曲s e n s i b i l i t y ，i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nb o t he x p e r i m e n t a ls t u d ya n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a n dd u e t oi t s s u p e r - h i g hs e n s i b i l i t y t h ef i b e rs a g n a c i n t e r f e r o m e t e rh a so b t a i n e dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nv a r i o u sf i e l d s a n de v e nt h e f i b e ro p t i o ng y r o s c o p e ( f o g ) ，d e v e l o p e df r o mt h ef i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ，h a s b e e np r o v e dt ob et h em o s ts u c c e s s f u li n t e r o m e t r i cs e n s o ri nb o t hm i l i t a r ya n d c o m m e r c i a lf i e l d s t 1 1 i st h e s i sb e g i n s 谢t hab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb i r t h ，d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f f i b e rs e n s o r s f o l l o w e db ya ni l l u s t r a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s f i b e rp h a s e - - m o d u l a t i o np r i n c i p l ea n dt h es a g n a ce f f e c tf i b e rp h a s e - - m o d u l a t i o n p r i n c i p l e ，a n daf o r m u l ad e d u c t i o no ft h ef i b e rp h a s e m o d u l a t i o np r i n c i p l ea n di t s s y s t e m a t i co p e r a t i n gp r i n c i p l e a ne x p e r i m e n ts y s t e mo ft h ef i b e rd i f f e r e n t i a t i n g i n t e r o m e t e ri sb u i l tb a s e do nt h es a g n a cs t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e m a x i m u mo ft h ep h a s ed i f f e r e n c ei si nd i r e c tr a t i ot ot h em o d u l a t e dv o l t a g ea m p l i t u d e a n df r e q u e n c y ，a n dt h ea m p l i t u d eo ft h eo u t p u tl i g h ti n t e n s i t y ，w h i c hi s p e r i o d i c c o s i n ew a v e ，i si nd i r e c tr a t i ot ot h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h em a x i m u mp h a s e d i f f e r e n c e ，n a m e l y ，t h es i g n a lv o l t a g e f u r t h e r m o r e ，a l la n a l y s i si sm a d ei nt h i st h e s i sa b o u tt h eb i r e f r i n g e n c ee f f e c t ， w h i c hc o m e st ot h er e s u l tt h a tw h e nt h ew a v e l e n g t hv a r i e s ，s od o e st h ep h a s e c o r r e s p o n d i n g l y a n dt h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa ne x p e r i m e n ts y s t e m ，、i t l l c h a r a c t e r i s t i c so fw i d el i n e a rr a n g e ，h i g hs e n s i b i l i t y , l o ws e n s i b i l i t yt ot e m p o l a b i l e t e m p e r a t u r e ，i sb u i l tt o t e s t t h eb i r e f r i n g e n c ef i b e rs a g n a cl o o pm i r r o rp h a s e c o m p r e s s i o ns e n s o r t h er e s u l to fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h a t ，a st h el e n g t ho ft h e b i r e f r i n g e n c ef i b e rv a r i e s ，t h ep h a s ew i t h i nt h ec h a n g i n gr a n g eo ft h el i g h tw a v e l e n g t h t ob em e a s u r e d ，w h e nu n d e rc o n t r o l ，c a nv a r yw i t h i nal i n e a rs c o p eo f t h ei n t e r f e r e n c e p a t t e mo f t h es a m ep e r i o d a n di nt h ef i n a lp a r to ft h et h e s i s ，t h em o d u l u sc o n v e r s i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d w i t hw a v e s 51s c m p 8 7 c 5 2 ( p h i l i p s ) a n dt h em o d u l u sc o n v e r s i o nc h i pa d c 0 8 0 9 ， t h u sm o d u l u sc o n v e r s i o na n dc a l c u l a t i o nc o n d u c t e da n dd e m o d u l a t i o nf i n i s h e d k e yw o r d s ：b i r e f r i n g e n c ef i b e 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 i o n ，f i b e r d i f f e r e n t i a t i n gi n t e r o m e t e r ，w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ； i i i 独创性声明 本入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：扭隰立埠：垒岁 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) 签名：纽导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 现代光纤技术的发展起源于上世纪6 0 年代。1 9 6 6 年英国标准电信公司的华 人高锟博士首先在其论文光频率的介质纤维表面波导中提出了通过改进制作 工艺有可能制造出传输损耗低于2 0 d b k m 石英玻璃光学纤维的伟大论断。1 9 7 0 年 康宁( 美) 公司成功地研制出世界上第一根损耗为2 0 d b k m 的石英光纤，奠定了现 代光通信的基础，也促使了各类光纤传感技术的发展。目前，基于光纤s a g n a c 光纤传感器就是一种极具代表性的新兴传感器，它的出现和应用已经引起了人们 的高度重视。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的。7 0 年代中期，人们意识到光纤不仅具有传光特性，并且本身就可以构成一种 新的直接交换信息的基础，无须任何中间级就能把待测量与光纤内的导光联系起 来。1 9 7 7 年，美国海军研究所( n r l ) 开始执行光纤传感系统计划，从此以光纤为 媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术问世了。作为被测量信号载体 的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列特性，有其他载体和媒质难以相 比的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收， 有优良的光电或电光转换功能，检测信号质量好，容易传输和处理信号，容易与 现代的电子设备和计算机相匹配，实现多功能、智能化的要求。光纤工作频带宽， 动态范围大，与遥测技术相配合，能实现远距离测量与控制，是一种优良的低损 耗传输线。在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的 敏感元件。光纤的几何形状具有多方面的适应性，可以作为任意形状的传感器和 传感器阵列。光纤本身同其他材料相比有良好的电绝缘性能，抗电磁干扰，无火 花，抗辐射，特别适合于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣环境下使用。由于光纤 极细、体积小、重量轻、可塑性好，对被测体环境适应能力强，不破坏被测体的 状态，检测信号不受被测体环境的干扰【l j ，因此与被测体能够良好匹配。由于光 纤传感有上述优点，一问世就受到极大重视，在许多领域得到研究和应用，取得 良好的效果。 1 2 光纤传感器的工作原理 光纤对许多外界参数有一定的敏感效应。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。 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 北京工业大学理学硕士掌位论文 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、应变、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。图卜1 是光纤传感器的原理结构图 2 】光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或 调制区、光检测等部分组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参 量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变，特别如温度、压力、加速度、 电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路 产生影响时，都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外 界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。 ：光纤 传感元件光纤之 或调制区 光检测 图i - i 光纤传感原理简图 f i g 1 - is c h e m a t i cd i a g r a mo ff i b e rs e n s o r 1 3 光纤传感器的优点 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0 i g r a d 的相位差，若 光源的波长为i p m ，相当于i 0 。1 1 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l o a m 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 电绝缘一l i 一工4 - 台月匕w 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。 2 源z。! | l 由干 第1 章绪论 ( 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。 ( 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，使它在埋入混凝土的过程中，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【4 j 。 1 4 光纤传感器分类 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【5 】。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 制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从 而得到被测物理量。 光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：传光型和敏感型怕j 。 传光型光 纤传感器中的光纤只是作为传光介质，其光路中必须另加其他的传感元件。 敏 感型光纤传感器中的光纤不仅传光，而且会随外界因素作用使传光特性发生相 应变化。光纤传感器按其检测方法不同主要又可分为两种类型：强度型和相位 型。强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光波的光强关系来检测相关 物理量的，通常采用多模光纤，结构相对简单可靠。相位型光纤传感器是利用 传感对象和光纤中光波相位变化关系，通过干涉的方法测得相移，从而来检测 相关物理量，通常采用单模光纤组成双光路，结构和技术相对复杂，但灵敏度 较高i此外，还有光频率调制型和光偏振调制型等类型的光纤传感器。 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 北京工业大学理学硕士学位论文 曼! ! 曼曼曼曼! 皇! 曼! 曼苎曼! ! 曼皇! 皇曼曼曼鼍曼曼曼曼! 鼍i ! ! ! 鼍! 曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼! 曼曼! ! ! ! 皇曼! 苎曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼 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。 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。 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。 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r l1 1 】。 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干涉仪工作不稳定性。 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 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，来进行传感 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 4 第1 章绪论 声气体光纤传感器和位移光纤传感器等 1 2 , 1 9 1 。 1 5 光纤传感技术的发展 光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统对信 息的获取与传输提出的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，作为系 统信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究显得更为重要。在上述两种典型 应用中，光纤传感器起着重要作用，有着突出的优点，但也存在着急待解决的 问题( 如光纤传感器的输出信号会受到光源波动、光纤传输损耗变化、探测器老 化等因素的影响组成光纤传感器各部分元件的本身性能对测量精度的影响 等) 。认真研究光纤传感器的各组成部分元器件的性能( 有效抑制光源波动、减小 光纤传输损耗) ，特别是进一步改进敏感元件的制作工艺及结构、探索新的敏感 机理，充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能， 发展数字、集成化和自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应 用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是今后的研究发展趋势。 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变化) 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 i n 的分布式温度传感器，可给出2 0 k m 内每一点( 例如每米或每5 m ) 的温度值构成分布 式光纤传感器。这里需要解决两个问题：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【2 4 2 5 1 、扫描干涉技术等 给出被测量的所在空间位置。 北京工业大学理学硕士学位论文 ( 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、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 结构眨6 】。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构的传感技术，也是国内外目前研究热 点之一。 1 6 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的 日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直 存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面：城市建设中 桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。在混凝土中嵌人光 纤传感器或加强性光纤凝结物在飞机场用干涉型光纤震动传感器系统监测交通 【2 7 ，2 8 1 。在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的 定子、转子内的温度检测等。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些 场合中使用，只能用光纤传感器。在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检 测氧气、碳氢化合物、等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的 是会引起安全事故【2 9 】。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有 效地实现上述检测。在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其 环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因 素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现 对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况 严重，临床检验、食品安全检测【3 0 j 手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极 好的市场前景。医学及生物传感器、医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气 流传感系统、圆锥形微型测量氧气浓度及其他生物参数用探测氢氧化物及其他化 学污染物、光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器、生物适应系统应用于海水 监测、生化技术、医药。 1 7 本课题主要研究内容 本论文主要研究内容如下： ( 1 )介绍光相位调制的原理，详细阐述应力应变效应引起的单段光纤的相 位调制和光纤s a g n a c 效应引起的光相位调制。 6 第1 荦绪论 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼皇鼍i i = i 曼! 曼! 曼蔓! 曼 ( 2 )介绍压电陶瓷( p z t ) 相位调制原理，并在此基础上介绍光纤微分干涉 仪相位压缩原理。 ( 3 ) 利用s a g n a c 干涉仪的原理和相位调制原理设计光纤微分干涉仪实验系 统，用计算机模拟光纤微分干涉仪的解调波形与实验结果对比，在此 基础上加入双折射光纤，然后模拟改进后光纤微分干涉仪的解调波形 并与实验结果对比。 ( 4 ) 利用单片机把解调后的波形转换为电压信号，放大并量化，测量信号 并把测量值和波长对应，得到波长信息。 1 8 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。 7 第2 章光相位调制原理 i_i_i i 第2 章光相位调制原理 2 1 引言 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的 一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号( 被测量) 的新型传感技术【3 1 1 。 外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度( 功率) 、 波长、频率、相位和振幅等发生变化。因此，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调制光纤传感器。本章主要分析外界信号变化对光纤 中传输光的相位发生调制的机理。 在光纤中传输的光波可用方程表示为： e = e oc o s ( c o t + 伊) ( 2 1 ) 式中e 光波的振幅； 频率； 够初相位。 式( 2 1 ) 中包含五个参数，即强度e ；，频率，波长2 0 = 2 a ：c o ，相位( c o t + 9 ) 和偏振态。被测量在敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的 强度，就叫强度调制型光纤传感器，其它依此类推。因此，就得到了五种调制类 型的光纤传感器【3 2 1 。但是，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一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进 行检测，从而得到被测量。我们所研究的光纤干涉型传感器，也被称为相位调制 型光纤传感器。因此本章我们主要阐述光相位调制原理。 2 2 光相位调制原理 光相位调制的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，而导致光相位的变化，使两束单色光( 其中一束未经 被测对象的影响) 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。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。其开发应用已经有百多年的历史，广泛应用 于高分辨率实验室测量装置。 2 3 光纤的相位调制 相位调制光纤传感器的基本传感原理圈是：通过被测物理量的作用，使光纤 9 北京工业大学理学硕十学位论文 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。 从式( 2 - 3 ) 的分析可知，光纤中的光相位由光纤波导的物理长波【3 引、折射率 及其分布、横向几何尺寸所决定。一般而言，应力、应变、温度等外界物理量能 直接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。 2 3 1 功能型光相位调制原理 功能型调制即为外界信号通过光纤的应力应变效应、热应变效应、弹光效应 等使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变 化，以实现对光相位的调制。 光波通过长度为，的光纤，相位延迟为： 矽= ( 2 2 ) 式中光波在光纤中的传播常数，= n k 。； 其中刀纤芯折射率； 光在真空中的波数，k 。= 2 z 九； 厶光真空中的波长。 当传感光纤受机械力或温度场作用时，将导致一系列物理效应，使光纤的参 数变化，其中的纵向应变效应使光纤的长度z 发生变化( z ) ；横向泊松效应使光 纤的芯径2 口变化( 2 口) ，进而导致传播常数发生变化( a p ) ；弹光效应和热光 效应使光纤的纤芯折射率l l 发生变化( ) 。传感光纤的上述参数变化都将引起 光纤中的光波相位发生变化。 将( 2 - 2 ) 微分，得到 矽：a ( p 1 ) = ( 掣) + l ( a i - p ) 6 n + ，( 娑) 口( 2 - 3 ) fg no a 式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差；第二项为传感光纤折射率变化 引起的相位差；第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差，由于其值相对很小， 一般可以忽略不计。则( 2 - 3 ) 式可简化为： ：历( 竿) + ，( 娑) 曲：( 竽) + 鄙 ( 2 4 ) 2 3 2 应变效应引起的单段光纤的相位调制 当光纤受到纵向( 轴向) 的机械应力作用时，光纤的长度、纤芯折射率和纤芯 半径都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化 1 0 第2 覃光相位调制腺理 ( 三，胛，口) ：髻址+ 掣血+ 关曲( 2 - 5 ) a 厶 o n 【，“ 三为光纤长度，n 为纤芯折射率，口为纤芯半径。对矽来说，这三个是相对独立 的变量。式( 2 - 5 ) 中，第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟( 应变效应) ； 第二项表示折射率变化引起的相位延迟( 光隙效应) ；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) 。若对单模光纤施加相位变化条件，则泊松效应 引起的相位变化量极小，可忽略。上式变为 声( 工，邺) ：娑址+ 掣血 ( 2 6 ) 1 7 , o n 光波通过长度为l 的光纤后，出射光波的相位延迟为： 矽：孚l ：车：肚 ( 2 7 ) 九 式中，= 2 z 2 是光波在光纤中的传播常数，五= 厶n 是光波在光纤中的传播 波长，凡是光波在真空中的传播波长。将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，可得光波在外 界应力作用下，相位的变化为： 矽：肚+ 三：肛竽+ 娑血( 2 - 8 ) lu n 对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变s ，关系如下 a b , 屿 a b 3 a b 4 a b 5 a b 6 p 1 2 00 0 儿 ooo 0s 2 m oo o 忙 o p “ oo 0 o 00 p “0 0 oo 0 p 4 4 j lo 式中，p p 1 2 ，p 是光纤的光弹系数， 的横向应变；占，是光纤的纵向应变。 因为 1 b t = ( 二) 2 以f ( 2 - 9 ) 其中p 4 4 = ( p 1 1 一p 1 2 ) 2 ；s l 和占2 是光纤 i = ( 1 , 2 ，3 ) ( 2 1 0 ) 所以 觚= 一j 1 ，2 地 2 ，3 ) 假设光纤芯为各向同性材料，有q = 占：，且m = n 2 = 珂，= n ，则有 觚一圭刀3 ( 7 1 1 + p 1 2 弦1 + p 1 2 8 3 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 2 1 2 见a a o o o l 2 2 a a a 0 0 0 a n 2 = 一去行3 1 1 + p 1 2 弦1 + p 1 2 9 3 】 ( 2 1 3 ) a n 3 = 一去终3 【2 p 1 2 毛+ p l l s 3 】 ( 2 1 4 ) 若对单模光纤施加相位变化条件，则泊松效应引起的相位变化量极小，可忽略。 设：，2 ， 罢：孕，s 3 ：a l l ，则由( 2 8 ) 式得： = k o n l 8 3 + k o l a n ( 2 1 5 ) 当仅考虑纵向应变时，s 。= 占：= 0 。光纤中光的传播是沿横向偏振的，仅考虑折 射率的纵向变化，将式( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 - 1 5 ) 得： 尤= i 1 ，z 三( 2 一n 2 p 1 2 ) s 3 (2-16) 仅考虑径向应变时，s 3 = 0 ，s i = s 2 ，a n l = a n 2 ，将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 - 1 5 ) 得： ，= - 寺k o n 3 三( p 1 1 + p 1 2 ) s l ( 2 - 1 7 ) 考虑纵向和径向应变同时存在的情况： = 龙+ 丸= 玎忌。三 占s 一，三n 2 p 1 2 c 3 - 丢玎2 0 + p ：b ( 2 一8 ) 一般情况下，当纵向应变伸长时，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，符合虎克定律。设： i 鱼i ：v ( 2 1 9 ) l s 3 式中，v 为常数，称为泊松比，且毛= 占：。则式( 2 1 8 ) 写成： = n k o l 1 硼嘞旷归半 浯2 。， f = 1 一i 1n 2 ( 1 一y 扫1 2 一v p l l 】( 2 - 2 1 ) 式中，孝称为光纤应变系数。式( 2 - 2 0 ) 是单模光纤常用的应变公式。 2 3 3 光纤s a g n a c 效应引起的光相位调制 s a g n a c 效应相位调制是指外界信号不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯 性场中的环形光纤，使其中相向传播的两束光产生相应的光程差，以实现对光相 位的调制【3 3 】。 1 2 第2 章光相位调制啄理 孽i 1 _ 一i i i i i ! 曼曼! 曼曼曼曼! 兰曼曼! 曼! 曼笪曼曼 m mm ， a 蕾止 b 运动 图2 - 1s a g n a c 效应示意图( f 3 3 】) f i g 2 - 1s a g n a ce f f e c t 如图2 一l a 所示，当环形光路静止时，光束进入系统后分成两束相反方向传 播的光波，它们在经过相同光路，以相反方向传播后返回分束点。 如图2 1 b 所示，当环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路 内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干 涉。设环形光路半径为r ，以角速度q 绕垂直于环路所在平面并通过环心的轴旋 转。环路中的两列光波同时从m 处开始分别沿顺时针( c w ) 方向和逆时针方向 ( c c w ) 相向传播。设光波在静止环路中传播一周所需时间为r ，则r = 2 z r c ，c 为环路中的光速。根据惯性运动原理，与环路旋转同向的顺时针方向( c w ) 波列 在t 时间内超前达到m ，其光程为 l c 矽= 2 r c r + r q f ( 2 2 2 ) 与环路旋转反向的逆时针方向( c c w ) 波列在r 时间内迟后达到m ，其光程为 l c c 矿= 2 z r r f f 2 t ( 2 2 3 ) 则顺、逆两列波在环路中传播一周产生的光程差为【3 4 】 a l = a t c ( 罴一罴) = 等q ( 2 - 2 4 rr f 2 ) 、c qc +c 由于光纤环路面积为s = z r 2 ，则 a l = 二q ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 说明，沿顺时针方向( c w ) 和逆时针方向( c c w ) 传播的两束光光程 差缸与闭合回路的旋转角速度q 及回路面积s 成正比，与光纤中的光速c 成反 比。如果采用单模光纤构成长度为的环形光路，则光波渡越光纤环路产生的相 位移为【3 1 】 矽：2 ( n z( 2 2 6 ) c 0 北京工业大学理学硕士学位论文 式中厂光波频率； ，z 光纤纤芯折射率； c 。真空中光速。 对( 2 - 2 6 ) 式中三进行微分，并将( 2 - 2 5 )式代入，可以得到与光程差缸相应 的相位差 矽：罂 ( 2 - 2 7 ) a o c o 上述情况是利用光纤环的旋转产生c 缈和c c 形两列光波的相位差。还可以用其他方法产 生类似的相位差。本论文所采用的双折射光纤s a g n a c 环镜就是一个例子。 2 4 几种常见的光纤干涉仪 干涉型光纤传感器具有较高的灵敏度。最早设计的干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己研制出多种结构，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 ) 和光纤法布里一拍 罗( f - p ) 干涉仪。 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，设 有振幅分别为a 1 和a 2 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【2 0 】 a 2 = 彳i 2 + 么；+ 2 彳l a 2c o s ( a 矽) ( 2 2 8 ) 式中，矽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。