（光学专业论文）基于sagnac干涉仪的新型波长解调光纤传感器.pdf

摘要 摘要 本文介绍了基于s a g n a c 干涉仪的新型波长解调光纤传感器。众所周知， m a c h - z e h n d e r 干涉仪经常被用来制作传感器使用。这种传感器具有高灵敏性的 特点，但是其非常容易被外界的因素所干扰。基于这个缺点，我们想用s a g n a c 干涉仪代替m a c h - z e h n d e r 干涉仪。s a g n a c 干涉仪最大的特点就是两束光分别沿 方向相反的闭合光路传播，这就使得光波始终处在相同的环境中，这样就能很好 的屏蔽外界环境对光路的影响，我们称这一特性叫做互易性。这个特性使其能够 消除在使用m - z 等干涉仪测量时，由于环境温度所造成的不稳定因素的影响。因 而，将光纤s a g n a c 干涉型传感器设计用于对外界振动源的测量时，能够克服m z 的不稳定性。s a g n a c 干涉仪具有抗干扰性能强的优点，能够将环境中的干扰信 号相互抵消，但也正是这一优点的存在，在信号相互抵消的过程中需要传感的信 号也被抵消了，使得s a g n a c 干涉仪不能作为传感器来使用。为了结合s a g n a c 干 涉仪和m - z 干涉仪的优点，我们在s a g n a c 干涉仪原有的基础上添加了两个重要 的装置：一个是相位压缩装置，另一个是双折射光纤。 相位压缩装置是在系统中添加一个相位调制器( 这里用p z t 来实现) 和一段 延时光纤。通过推导计算，不难发现这个系统能够很好的压缩相位，大大扩展了 测量的范围，使相位和传感量之间形成线形关系，扩展了s a g n a c 干涉仪的使用 范围。将双折射光纤接入系统中，两束光波将被分解成两个正交的偏振光，即e 光和。光。最终e 光和。光将有一个相位差矽。正是因为具备了这个相位差， 使得s a g n a c 干涉仪可以作为一个传感器使用了。 在数据处理部分，本文主要介绍了基于c a 3 1 3 0 的放大电路，基于a d c 0 8 0 9 的模数转换和伟福s 5 1 单片机一p 8 7 c 5 2 ( p h i l i p s ) 单片机的原理和应用。电路 部分的作用是把光路输出信号转换为电压信号并放大和量化，测量有用值，利用 推导得的公式，分析计算出波长，实现了对波长的解调，达到传感目的。 在文章的最后部分，我们又介绍了一种新型的波长解调技术计数波长解 调。通过对计数解调的理论分析和实验研究，我们选用了三段不同长度的高双折 射光纤进行实验。其长度分别为o 0 2 坍、0 1 所和3 0 朋组成的s a g n a c 干涉仪系 统。通过分析，导出了光透过率与光波长的关系式，得出光透过率随波长变化的 北京工业大学理学硕士学位论文 频率大体不变，且光透过率变化的频率与高双折射光纤的长度近似成正比的结 论。这种技术是通过记录透过率变化的周期数，来判断波长的变化量，从而推出 待测物理量的微小变化。 关键词s a g n a c 干涉仪，双折射光纤，相位压缩，计数波长解调 摘要 a b s tr a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e dan o v e lf i b e rs e n s o rs y s t e m 、析t hw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n b a s e do ns a g n a ci n t e r f e r o m e t e r o n ea l t no fm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z ) i s o f t e nu s e da sas e n s o r t h i sk i n do fs e n s o rh a sh i g hs e n s i b i l i t y ，b u ti ti se a s yt ob e d i s t u r b e db yo u t s i d ef a c t o r s f o rt h i sr e a s o n ，t h es a g n a ci n t e r f e r o m e t e rr e p l a c e st h e m zs o m e t i m e s s a g n a ci n t e r f e r o m e t e ro u t p u t st h ei n t e r f e r e n c es i g n a lb ym e a n so ft w o b e a m si no p p o s i t ed i r e c t i o n sa n da r o u n das a m ef i b e rr i n g b e c a u s eo ft h es a m e t r a n s m i s s i o nr o u t e ，t h ee x t e r n a ld i s t u r b a n c e st ot w ob e a m sa r es a m eb u tc o u n t e r a c t s oa n yd i s t u r b a n c e sc a nb ec a n c e l e d t h es t r o n ga n t i ja m m i n ga b i l i t yi st h ea d v a n t a g e o fs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ，b u ti tc a nn o tb eu s e da sas e n s o rl i k et h em z t h er e a s o ni s t h a tt h es e n s e ds i g n a lw e l lb ee l i m i n a t e db yt h es i g n a lc a n c e l l a t i o ne f f e c tb e t w e e nt h e t w od i r e c t i o n si ns a g n a ci n t e r f e r o m e t e rl i k et h ed i s t u r b a n c es i g n a l f o rc o m b i n i n gt h e a d v a n t a g e so ft h et w ok i n d so fi n t e r f e r o m e t e r ，w ea d d e dt w od e v i c e si n t ot h ec o m m o n s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r o n ei st h ep h a s ec o m p r e s s i o nd e v i c ea n da n o t h e ri st h e b i r e f r i n g e n tf i b e rs e n s o r f o rs o l v i n gt h em e a s u r i n gd i f f i c u l t y , w ea d d e dt h ep h a s ec o m p r e s s i o nd e v i c e _ ap i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ( p z t ) a n das e c t i o nd e l a yf i b e r i tc a nc o m p r e s st h e m e a s u r e dp h a s e ，g r e a t l ye x t e n dt h em e a s u r i n gr a n g ea n dm a k et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep h a s ea n ds e n s e dq u a n t i t yl i n e a ra p p r o x i m a t e l y t h i sm e t h o dw i d e l y e x t e n d st h ea p p l i c a t i o nr a n g eo ft h ei n t e r f e r o m e t e r i nb i r e f r i n g e n tf i b e r , t h et w o b e a m sc a l la l lb ed e c o m p o s e di n t ot w oo r t h o g o n a l l yp o l a r i z e dc o m p o n e n t s ，i e 0l i g h t a n del i g h t t h r o u g ht h eb i r e f r i n g e n tf i b e r , t h et w oo r t h o g o n a u yp o l a r i z e dc o m p o n e n t s h a v eap h a s ed i f f e r e n c e b e c a u s eo ft h ep h a s ed i f f e r e n c e ，t h ef i b e ro fs a g n a c i n t e r f e r o m e t e rc a l lb eu s e da sas e n s o r t h ed a t ap r o c e s s i n gp a r tl e a d sa ni n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n so f a m p l i f i e rc i r c u i tb a s e do nc a 3 13 0a n da n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e rc i r c u i tb a s e do n a d c 0 8 0 9a n dw a v e $ 51s c m p 8 7 c 5 2 t h i sp a r tc o n v e r t st h el i g h ti n t e n s i t yo u t p u t s i g n a lo ft h eo p t i c a lp a r tt ot h ev o l t a g es i g n a l a f t e r w a r d s ，t h ev o l t a g es i g n a li s a m p l i f i e d ，t h e nq u a n t i z e da n dm e a s u r e d i ti sp o s s i b l et od e m o d u l a t et h ew a v e l e n g t h w h e nw ea n a l y z ea n dc a l c u l a t ei tu s i n gt h ef o r m u l a s a tt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c e dan e ww a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n - - 北京工业大学理学硕士学位论文 t e c h n o l o g y 一- c o u n t i n gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n w ec a r r yo u tt h ee x p e r i m e n to n t h r e ek i n d so fh i 曲b i r e f i i n g e n tf i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r t h el e n g t ho fh i 曲 b i r e f r i n g e n tf i b e ri s0 0 2 ，o 1a n d3 0m e t e r n n _ r o u g ht h i se x p e r i m e n tw ee d u c e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e no p t i c a lt r a n s m i s s i b i l i t ya n do p t i c a lw a v e l e n g t h ，a n dm a k ea c o n c l u s i o nt h a tt h e 丘e q u e n c yo fo p t i c a lt r a n s m i s s i b i l i t yw i l ln o tc h a n g ef o l l o w i n gt h e w a v e l e n g t hc h a n g e ，a n di ti sd i r e c tr a t i ot ot h el e n g t ho ft h eh i 曲b i r e f r i n g e n tf i b e ri n t h el o o pm i r r o nt h r o u g ht h er e c o r d e dn u m b e ro fc h a n g e dp e r i o d so ft h eo p t i c a l t r a n s m i s s i b i l i t y ，t h ew a v e l e n g t hv a r i a t i o nc a l lb ej u d g e d ；w ec a l lk n o wt h em i n u t e c h a n g eo ft h ep h y s i c a lq u a n t i t yw h i c hn e e db em e a s u r e d k e yw o r d s ：s a g n a cin t e r f e r o m e t e r 。bir e f rin g e n tfib e r p h a s ec o m p r e s sio r ， c o u n t i n gw a v e i e n g t hd e m o d u i a t i o n 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：阻隰毕 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，e l p 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：_ j 扯 导师签名： 蛐午隰牡p 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 学术背景 信息既非物质也非能量，却是构成世界的要素。然而直到2 0 世纪初，人们 才认识到信息是资源，正确地利用它可以极大地提高劳动生产率。信息技术的几 个主要方面( 获取、传输、存储、显示、处理) 在2 0 世纪下半叶获得了巨大的 发展，计算机、网络和通信结合以后，信息技术将成为社会运作的核心，因此， 很多国家，特别是发达国家，都在制定信息高速公路的发展计划。2 l 世纪将全 面进入信息时代，信息资源的争夺将更加激烈，全球信息量以拍字节( p b ，即 1 0 1 5 p b ) 计算，因此，信息处理、传输和存储达太位( t b ，即1 0 1 2 b i t s ) 的超高 容量信息和每秒太位( 刚s ) 的超高速信息流以及高频( t h z ) 响应，即进入了 太位信息时代3 t 时代。 2 0 世纪以来，信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展的，但电子本身 存在一定的物理极限n 3 ，电子信息技术的载体量级为吉位( g b ，即1 0 9 b i t s ) 。由 于光子的速度比电子的速度快得多，光子的频率比无线电( 如微波) 的频率高得 多，所以，为提高传输速度和载波密度，信息的载体必然由电子发展到光子口钔。 比如，美国把光子技术列为国家关键技术，并认为“光子学在国家安全与经济竞 争力方面有着深远的意义和潜力 ，“通信及计算机研究与发展的未来属于光子学 领域。我国国家高技术( 8 6 3 ) 光电子专家委员会于1 9 8 9 年提出的重大课题就是 光计算( o p t i c a lc o m p u t e r ) 和光通信( o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 。 然而，当集成电路、计算机技术飞速发展时，信息摄取装置传感器和传 感技术就成为了限制信息技术的瓶颈h 副。因此，8 0 年代以来，传感器和传感技 术成为了国际研究的热点之一。比如： ( 1 ) 美国国防部将传感器技术视为2 0 项关键技术之一； ( 2 ) 日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6 大核 心枝术之一； ( 3 ) 德国视军用传感器为优先发展技术； ( 4 ) 英、法等国对传感器的开发投资逐年升级； ( 5 ) 原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。 传感器技术之所以如此受到重视并获得极为迅速发展的原因是： ( 1 ) 微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，形成了推动获得信息 的传感器技术发展的动力； ( 2 ) 广阔的市场与社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力。2 0 0 0 年， 世界传感器市场总额达7 0 0 亿美元。 北京工业大学理学硕士学位论文 光通信是上世纪在科学技术领域取得的最伟大的成就之一，它以光子为信息 载体，为现代化社会提供了一种最优秀的信息交换与传输手段。因此，光通信的 成功，促进了光传感的兴起与发展。“光子学与光子技术发展战略报告 是国家 自然科学基金委员会政策局在“九五 优先资助领域的基础上安排的软课题，1 9 9 7 年形成的报告就指出：在下个世纪的光子产业上，光纤传感将与光纤通信平分市 场，并逐步超过后者。 而本课题研究的传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高 新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构 成信息产业的三大支柱之一。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均 在1 0 以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5 0 0 0 余家。美国、欧 洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家有1 0 0 0 余家，日本有8 0 0 余家。 但是，我国目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足 国民经济发展的需求，必须大力推进这一领域的发展速度。近期，光纤传感技术 研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点，包括： ( 1 ) 在光纤通信中可调谐滤波器的基础上，研制出可调制通用的传感元件 ( 如：光纤光栅、光纤干涉仪等) 为基础的光纤传感技术，研制响应各种参量的 传感器； ( 2 ) 光复用技术在光纤传感领域的应用研究； ( 3 ) 全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发； ( 4 ) 开展各应用领域的专业化成套传感技术的研发，如：医学和生物；电 力工业；化学和环境：军事和智能结构。 随着经济的不断的发展，市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的，其中光 纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的 竞争和挑战，在不久的将来，我国光纤传感器领域将呈现前所未有的灿烂和辉煌。 1 2 技术溯源 光通信是以光子作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。正是光纤 和激光器这两个科研成果的同时问世，拉开了光纤通信的序幕、1 ，而光通信的 发展又为光传感奠定了技术平台。 1 2 1 激光进展 1 9 0 5 年，a e i n s t e i n 提出光量子( 1 i g h tq u a n t u m ) 的概念；1 9 1 6 年，又提出 了光子受激吸收和发射的观点，这成为了未来激光领域的开山之斧；1 9 2 1 年， e i n s t e i n 因“发现光电效应的定律”而获n o b e l 物理学奖n 叫。 第1 章绪论 量曼曼曼苎篡i lli m| i 皇曼鼍曼曼鼍曼曼曼曼 1 9 6 0 年7 月，t h m a i m a i l 发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使 高速的光调制成为可能。 美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。 为了避免大气气候对光通信的影响，又在管子内进行光传输；为了避免光线 发散和诱导光转折，在一定距离的管子内放置聚焦透镜，即透镜光波导。 1 9 6 4 年，t o w n e s 、b a s o v 和p r o k _ h o r o v 因在激光诞生过程中的重大理论贡献 而获n o b e l 奖n 0 1 。 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室的h a y a s h i 等人研制出室温下连续工作的g a a l a s 双异质结注入式激光器。 1 9 世纪8 0 年代，适用于长波长的激光器、发光管和光检测器相继开发成功。 1 2 2 光纤进展 1 9 6 6 年，美籍华人高琨( i e e 奖，1 9 9 8 年) 和g e o r g e a h o c k h a m 根据介 质波导理论共同提出光纤通信的概念。 1 9 7 0 年，美国康宁公司的m a u e r 等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其 在波长为6 3 0n _ r 如1 处的衰减系数小于2 0d b k m 。 1 9 7 2 年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平的不断 提高，进而将梯度折射率多模光纤的衰减系数降至4d b k m 。 1 9 7 6 年，在进一步设法降低玻璃中的o h 含量时发现光纤的衰减在长波长 区有1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 n m 两个窗口。 1 9 世纪8 0 年代，原料提纯和光纤制备工艺得到不断完善，单模光纤研制成 功，从而加快了光纤的传输窗口由8 5 0 n m 移至1 3 1 0 n t o 和1 5 5 0 n m 的进程。特别是 制出了低衰减光纤，其在1 5 5 0 h m 附近的损耗降低到0 2 0d b k m 已接近理论值。 应运而生的光纤成缆、光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术的日渐 成熟，为光纤作为新的通信传输媒质奠定了良好的基础，从而引发了光纤通信领 域的革命。 2 0 世纪9 0 年代掺铒光纤放大器与光纤光栅的相继研制成功，进一步推动了 光纤通信的迅速发展。 目前，随着通信容量的提高，又迫使人们越来越多地面对光纤非线性效应的 种种问题，光纤光子学作为- f 7 新的学科分支已经趋于成熟n k1 2 1 。 1 2 3 光纤传感器进展 1 9 世纪6 0 年代，激光使得利用光的各种属性( 干涉、衍射、偏振、反射、 吸收、发光等) 的光检测技术，作为非接触、高速度、高精确度的检测手段获得 北京工业大学理学硕士学位论文 了飞速的发展u 引。 1 9 世纪7 0 年代，由于光纤不但具有良好的传光特性，而且其本身就可用来 进行信息传递，无需任何中间媒体就能把持测量值与光纤内的光特性变化联系起 来。因此，1 9 世纪8 0 年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。但当时光纤 传感器真正投入实际应用的却不多，这主要是因为与传统的传感技术相比，光纤 传感器的优势是本身的物性特性而不是功能特性n r 塘1 。因此，光纤传感技术的重 要应用之一是利用光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减 小、集信息传感与传输于一体等特点，解决常规检测技术难以完全胜任的测量问 题柏1 。 1 9 世纪9 0 年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光纤传 感器呈产业化发展，在国际上形成了五大应用领域n l 矧：医学和生物；电力工业； 化学和环境；军事和智能结构。 1 3 光纤传感技术 随着光纤通信技术朝着超高速、大容量方向的飞速发展，光纤传感器作为光 纤技术的一个应用分支，开始在传感器领域崭露头角并以其独一无二的优势大放 异彩，开辟了传感器核心技术的新一页。每年由美国光学工程师学会( o s a ) 主办 的光纤传感国际会议( o f s ) 及时报道关于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。 光纤传感器相比电传感器的一系列的优点是：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘好、 防爆、光路可弯曲、宽频带、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与开发应用。 随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点 和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关 键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术 的原理性研究仍处于相当重要的位置。 传感技术依赖于载波信号( 输入) 到调制载波( 输出) 的转换，其中调制载 波携带了激励的被测量信息。每个传感进程中都有以下三个特征n8 矧： ( 1 ) 光调制过程都可以归结为是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上， 完成这一任务的器件叫做调制器： ( 2 ) 调制器能使载波光波参数随外加信号变化而改变，这些参数包括光波 的强度、相位、偏振、频率、波长、时分和非线性光纤光学性能等： ( 3 ) 这种承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器解调，然后检 测出所需要的信息。 第1 章绪论 按照m i d d l e h o c k 的观点n8 3 射，输入、输出和被测量均可分为六个信号域： ( 1 ) 电磁信号，覆盖了整个电磁谱。 ( 2 ) 机械信号，例如：力、位置、物理尺度、速度、声波和超声波。 ( 3 ) 热信号，例如：温度。 ( 4 ) 电信号，例如：电压、电流和电场。 ( 5 ) 磁场信号，例如：磁场。 ( 6 ) 生化信号，例如：生化指标。 这样，输入、输出和被测量就组成了m i d d l e h o c k 的传感器立方n8 3 钔，光纤传感 器就是被测量( 包括六个信号域) 对光纤中输入和输出的光波( 属于电磁信号中 的近红外波段) 进行调制m h 九8 矿a s s 4 。 1 4 光纤传感器件 光纤传感器的开发研究和设计应用是一个光纤传感系统问题，光纤传感器件 包括传感光纤、光纤器件、光源和探测器。 1 4 1 传感光纤 在远程传输领域，光纤己发展到了一个相当完善的阶段。尽管目前绝大多数 的实验和商业化的传感型光纤传感器都采用了这种远程通信光纤，但由于该种光 纤对环境十分敏感，使得人们在设计时不得不进行折衷考虑，从而使传感器的性 能受到限制，有时甚至会出现难以预料的结果一1 以“用瑚1 。 在光纤传感器中，光纤是主要元件，其作用是“传 或“感”，或者既“传” 又“感”，其形式是导线式或芯片式。所谓导线式，通常采用拉制的方法，将光 纤预制棒或放入坩埚中的芯皮玻璃料在拉丝机上拉制成一定长度的光纤。所谓芯 片式，通常采用沉积、溅射、离子交换等方法，或者将多根光纤熔压成一体为芯 片。 1 4 2 光纤器件 光纤器件是光通信的关键部分，对光通信的发展起到了制约的作用，直接影 响到整个光纤通信系统设备的技术水平和市场竞争力。随着密集波分复用系统、 光传送网和光纤接入网的发展，对器件的质量要求越来越高，并且不断向交换、 无线通信、光互连和传感器等领域扩展。 光纤器件分为有源器件、无源器件，其中有源器件包括激光器及组件、光纤 放大器( 以掺铒光纤放大器为主) 、发送器、接收器等；无源器件可分为波分复 北京工业大学理学硕士学位论文 用器、光开关、连接器、衰减器、准直器隔离器等。 随着目前全光网络、太比特速率以及密集波分复用技术等光纤通信新技术的 涌现，由光电集成和光子集成组成的光纤通信器件在整个光纤通信系统中所起的 作用越来越重要，用量大增，其占据光纤通信市场份额迅速上升。在2 0 0 0 年， 有源器件在整个光通信市场份额占4 0 ，无源器件占9 。同时，光纤通信技术能 否持续发展，很大程度取决于器件水平。可以说光纤通信进步的基础在于光纤器 件。 1 4 3 光源 由于光纤传感器的工作环境特殊，要求光源呻一t 3 3 1 的体积小，便于和光纤 耦合；光源发出的光波长应合适，以减少在光纤中传输的能量耗损；光源要有足 够的亮度。在相当多的光纤传感器中还对光源的相干性有一定要求：此外，还要 求光源的稳定性好，能在室温下连续长期工作；噪声小和使用方便等。 1 4 4 光探测器 探测器实质上是一个能量探测器。按作用原理，光探测器可分为吸收光子使 器件升温而探知入射光能的热电器件和将入射光转化为电流或电压的光电器件 两大类。 光热器件对入射波长无选择性，能在很宽的波长范围内对光波作均匀的响 应。在光纤传感器中，由于要求对所采用的检测器具有波长选择性，因此系统的 检测都采用光电器件。光探测器是光探测接收系统的基础，其灵敏度、带宽等特 性参数直接影响光纤传感器的总体性能1 3 2 棚1 。 1 5 光调制技术 在光纤传感器中，光电探测器只能探测光的强度。因此，光的其他性能改变 必须经过变换，以产生可探测形式的调制。按照调制方式分类，光调制可分为u 3 拍弛洲1 ：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制、时分调制、光 栅调制和非线性光纤光学调制等。所有这些光调制过程都可以归纳为是将一个携 带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一过程的器件叫做调制器。调制器能使 载波光波参数随外加信号变化而改变，这些参数包括光波的强度( 振幅) 、相位、 频率、偏振、波长。这种承载信息的调制光波在光纤中传输，由光探测系统解调， 检测出所需要的信息。光强调制的方式有很多，通常采用的方法有： 第1 章绪论 曼! ! ! 曼! 曼鼍曼曼! ! 曼曼! 曼鼍! 曼! 皇! 曼曼曼皇! 皇! 曼! 曼曼曼! ! 鼍曼曼曼_ 一i i 一- 一- - w i n 。曼曼 ( 1 ) 利用光纤微弯效应。光纤夹持在两块波纹微弯板之间，温度或压力的 变化使波纹微弯板发生位移，光纤产生微弯损耗，实现对光强的调制； ( 2 ) 利用被测信号改变光纤对光波的吸收特性来实现光强调制； ( 3 ) 通过折射率的改变来实现光强调制； ( 4 ) 利用发送光纤和接收光纤作相对横向或纵向运动实观光强调制，这是 当被测物理量引起接收光纤位移时，改变接收强度，从而达到光强调制的目的。 这种位移式光强调制的光纤传感器是一种结构简单、技术较为成熟助光纤传感 器。 1 6s a g n a c 干涉仪 1 6 1 干涉仪概述 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。基于相位调制原理并采用马赫一泽德 干涉仪( m z ) 、迈克尔逊干涉仪( m i c h l s o n ) 、法布里一珀罗干涉仪( f - p ) 设计的光 纤干涉型传感器在实验研究中被用于对环境压力、温度、应变等外界物理量的测 量。而基于塞格纳克( s a g n a c ) 干涉仪设计的光纤陀螺仪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，并被分别用于角速度和超声波的测量中。 1 6 2s a g n a c 干涉仪 应用s a g n a c 效应的s a g n a c 干涉仪是一种高精度的干涉仪。它的原理图如图 1 - 1 所示。 图卜ls a g n a c 干涉仪原理图 北京工业大学理学硕士学位论文 这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿方向相反的闭合光路传 播，最后汇合到分束器回到探测器。在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表 面的方向上移动，两束光的光程变化皆相等，因此接收端探测不到光强变化。它 的优势在于，因为两束光处在相同的环境中，所以可以屏蔽外界环境对光路的影 响，即具有互易性。 s a g n a c 干涉仪具有的这种互易性( 双向或可逆) 的特点，使其能够消除在使 用m z 等干涉仪测量时，由于环境温度所造成的不稳定因素的影响1 。因而，将 光纤s a g n a c 干涉型传感器设计用于对外界振动源的测量时，能够克服汁z 的不 稳定性。 通过对上述前人工作的分析，本课题研究了相位压缩原理和s a g n a c 干涉仪 的工作原理，从而分析出s a g n a c 干涉仪具有抗干扰性能强的优点，能够将环境 中的干扰信号相互抵消，但也正是这一优点的存在，在信号相互抵消的过程中需 要传感的信号也被抵消了，使得s a g n a c 干涉仪不能作为传感器来使用。考虑到 这一点，我们决定在系统中引入双折射光纤，使传感信号得到了保留，制成了光 纤传感器。 1 7 本课题主要研究内容 本课题主要研究内容如下： ( 1 )讨论相位调制的原理，重点说明应力应变效应对相位的影响。 ( 2 )分析s a g n a c 干涉仪的原理和相位压缩原理，将双折射光纤引入到 s a g n a c 干涉仪中，制成光纤传感器。并对双折射光纤的引入位置进行 讨论，证明系统设计的可行性。对带有传感信号的波形用计算机模拟 和实验的方法进行对比，证实了系统设计的合理性。 ( 3 )把解调后的波形转换为电压信号，放大并量化，测量信号中的有用值， 把测量值和波长对应，得到波长信息。其中量化和计算分析用单片机 实现。 ( 4 )提出一种新型波长解调的技术波长计数解调，通过记录透过率变 化的周期数，来判断波长的变化量，从而推出待测物理量( 温度、应 力等) 的微小变化，最终实现传感的目的。 第2 章相位调制机理 第2 章相位调制机理 2 1 相位调制概述 光传感技术常见的有光波强度调制技术和光波相位调制技术。强度调制型光 纤传感器的基本原理是用被测对象来引起光纤中光强度的变化，实现对被测对象 的监测与控制。相位调制型光纤传感器则是测量敏感光纤内传播的光波发生的相 位变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强度变化，从而检测出被测量的 大小。本课题中所设计的传感器就是利用了光波相位调制技术。 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，广泛应用 于高分辨率的测量装置。但是，以自由空间做干涉光路的一般干涉仪，由于体积 大，易受环境温度、气流震动的影响，使干涉测量不稳定、准确度低，同时调整 也较困难，因此限制了实用性。用光纤代替自由空间做干涉光路的干涉仪有两个 突出优点：一是减少了干涉仪长臂安装和校准的固有困难，使仪器小型化，并大 大地节约了成本；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。 相位调制光纤传感器的基本原理是：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波、折射率分布、波导横 向尺寸决定。一般说，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 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，如式( 2 1 ) 所示。 ( 口) = 差址+ 筹血+ 等口 ( 2 1 ) 式中三光纤长度； 刀纤芯折射率； 口纤芯半径。 对来说，这三个是相对独立的变量。式( 2 - i ) 中，第一项表示由光纤长度变化 引起的相位延迟( 应变效应) ；第二项表示感应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 北京工业大学理学硕士学位论文 光纤施加相位变化条件，其中泊松效应引起的相位变化量极小，可忽略。则上式 变为： 矽( 三 口) = 差址+ 等疗( 2 - 2 ) 光波通过长度为三的光纤后，出射光波的相位延迟为： ：孕：竿三：肛 ( 2 3 ) 式中光波在光纤中的传播常数，= 2 x 2 ； 2 光波在光纤中的传播波长，兄= 厶刀； 厶光波在真空中的传播波长。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 - 2 ) 中，可以得出光波在外界应力作用下，相位的变化为： ：p a , + 印：肛竽+ 三娑锄( 2 - 4 ) l o n 通过对光纤纤芯材料特性的分析，式( 2 - 4 ) 可以写成： = n k o l 7 12 腕一v p 。：枷半 5 ， 孝= 1 一i 11 , 1 2 ( 1 一y b 。l 一印。：】( 2 - 6 ) 式中设= n k 。，k 。：罢：孚； v 常数，称为泊松比，l 旦l ：y ； l 占3j 占i ，占2 光纤的横向应变； 岛光纤的纵向应变，岛= 缸。 p l l ，p 1 2 光纤的光弹系数； 孝光纤应变系数。 公式( 2 5 ) 是单模光纤常用的应变公式。( 本公式出自哈尔滨工业大学出版社，孙 圣和、王延云、徐影编著的光纤测量与传感技术 ( 第二版) 。2 0 0 2 年) 2 3p z t 相位调制器 p z t 即锆钛酸铅，是一种具有逆压电效应的压电陶瓷，它能把电能转换为机 械能；即若对该材料施加电压，其便产生机械应力，发生形变。p z t 在同类材质 中具有最强的压电性能。p z t 本身所固有的机一电耦合效应以及其较高的介电常 第2 章相位调制机理 数和压电系数，使其在实验研究和实际工程中都得到了广泛的应用。 考虑如何得到光纤的纵向、径向应变，p z t 的应用成为一个简单的方法：取 空心的p z t 压电陶瓷圆柱筒，在其上缠绕若干圈光纤，并径向施加正弦交流电压 信号。由于p z t 材质的逆压电效应，其筒径将随驱动电压的变化而变化，因而使 得缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤受到应力，光波相位就会随之变化。 p z t 因径向应变而产生的相对伸缩量可表示为： 掣：以。兰：以堡s i l l ( 2 矽) ( 2 - 7 ) 口a 式中，p z t 的周长； 世周长的变化量； 以。压电应变系数； 口p z t 的厚度； y 施加在p z t 上的信号电压o 哺号电压的幅值； 信号电压的频率； ，时间。 p z t 的形变引起缠绕其上的光纤长度变化量则可以表示为： 址= 2 x n r d 3 l 丛s i n ( 2 斫) ( 2 8 ) 口 式中r p z t 的半径； p z t 上缠绕的光纤圈数。 因此光纤长度变化的最大值为： ( 址) 。= 2 7 2 2 v r a 3 lgo(2-9) 口 把池) 。代入式( 2 5 ) 得到： 矽。：4 u 2 n 章v - r d 一3 1 v o ( 2 一l o ) 1 0 ) 九= _ 一 l z a , q 式中 九最大位相差。 则p z t 的振动引起光相位的变化为： ：4 x 2 n _ 卓v _ r d 3 y os i l l ( 2 妒) ：。s i n ( 2 矿) ( 2 - 1 1 ) 口 上式即为p z t 作为光相位调制器的原理。由式( 2 - 1 0 ) 可知，最大相位差与施加在 p z t 上的信号电压幅值有关。通过在p z t 上施加交流信号，可以达到p z t 对传输 北京工业大学理学硕士学位论文 光进行相位调制的目的。而对于普通干涉仪，调制幅度仅为丸。 2 。4 本章小结 本章主要就相位调制机理方面的内容作了介绍。 ( 1 ) 对调制技术做了一定的介绍，将两种常见的调制技术光波强度调 制技术和光波相位调制技术做了对比，突出了光相位调制技术高灵敏度和高分辨 率的特性。介绍了相位调制光纤传感器的基本工作原理。 ( 2 ) 通过光纤受到机械应力时产生的相位变化，介绍了单模光纤常用的应 变公式。 ( 3 ) 介绍了一种相位调制器_ 呻z t ，并对其特性和工作原理作了分析，并 推导出p z t 振动引起光相位变化的公式，突出了其较普通干涉仪相位幅度调制的 优势。 第3 章引入相位压缩技术的s a g n a c 干涉仪 第3 章引入相位压缩技术的s a g n a c 干涉仪 对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光 纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位一光强转换任务。 本课题选用的干涉仪为s a g n a c 干涉仪，在第1 章中已经介绍过，s a g n a c 干 涉仪具有双向互易的特点，使其能够消除在使用m - z 等干涉仪测量时，由于环境 温度所造成的不稳定因素的影响。因而，将其设计成传感器，能够大大提高系统 的稳定性。 本章将讨论将相位压缩技术加入到s a g n a c 干涉仪系统中，既保留了干涉仪 本身双向互易的特点，又可以将相位变化量压缩到很容易测定的小于鲁的近似线 z 性的相位变化量内，解决了在实际操作中难测定的高达几十甚至几百个2 万的相 位变化量的问题。 3 1 引入相位压缩技术的s a g n a c 干涉仪 相位压缩原理m 1 是干涉仪利用两个具有一定相位差的同频率的周期信号对 两路相干光分别进行振幅调制，然后测量干涉结果，并从中获取待测参数。 图3 - 1 所示为引入了相位压缩技术后的s a g n a c 干涉仪。在s a g n a c 干涉仪的 闭合光路上增加了p z t 、延时光纤和偏振控制器三个部分，修改后的s a g n a c 干 涉仪能够产生有相位差的同频相干光。 p z t 图3 - 1 引入相位压缩技术的s a g n a c 干涉仪 延时光纤 由第2 章第2 节关于p e t 相位调制器的介绍，我们可以得知当p z t 受到电压 驱动时，就会产生机械变形，使缠绕在其上的光纤长度发生了周期性变化。两束 北京工业大学理