第六章干涉光纤传感器

1、2)1+(A/A)2相位干涉型光纤传感器*干涉效果的定量表征一条纹的清晰度0清晰度0条纹的反衬度K （对比度） 来定量表征清晰度o K=1:清晰度最大一完全相干 o K=0:清晰度最低一非相干o 0<K<1:部分相干0三个因素：光源大小、非单 色性；两相干光波的振幅比o当A1=A2时，K=1；而A1与A2相差 越多，K值越小詩目干条件（产生干涉的条件）在观察吋间T内，许多波列都通过P点：Ick = J： + Q； + 2勺禺 cos5)d T=+ 2%色 /r£ cos ddr如果各时刻到达的波列的位相养3无规则变化,则o cos 3dr 0 n/= Q： + Q； =

2、I+121Tp点是任意的T不发生干涉现象。 如果两光波的位相固定不变，则有Jcos = cos J =/= I +厶+2皿心51相干条件:干涉的三个必要条件:两叠加光波的位相差固定不变:振动方向相同:频率相同:定义：相干光波、相干光源:补充条件:利用原子发出的同一波列:光程差要小于波列长度相位调制机理应力/应变调制温度调制可以转化的调制表外界压力对相務变化的影响横向受压P纵向受压p均匀受压p丿卫_F° T_P1一 F0一尸应力0-p-pa1009000o iL oL oL or-p(i-/o/£iw一P(l 2G/EzO/e冋EPC. 1 一 2、J E应变2M/E-P/E

3、一 P(1 2“E000000L oL oL o .尹Zknft t kvE十2Ekn .&十2E届/2 (1 2/0 Er 2EPLx £(1 RP 订 +( 1 3“只2x pF” + (1 xa 2“）（巴；+f“）0. 70-HO- 51 = 1. 21一2 07 + 0. 45=1.621.37 + 0. 96=-0. 41第一项为 H 的值笫二项为 心 的值.计算时各单位取值为"=06328X lO-T.对于石英有外=1.456.P11 = 0.121 .Hj2 = ° 270»£工7. 1 OlcPa,/O. 15.3传感

4、机理水和空气对应的分别为6 X106K/Pa和9 X102K/Pa说明：-水声传感时T温度变化项完全可以忽略-裸光纤放在空气中时T温度变化项反而是压力 变化项的2X103倍 T灵敏度比水声高一个数 量级相位调制机理温度应变效应一类似于应力应变效应A0ATdL + ndr)-仅考虑径向折射率变化时:A0 _ 1 dn 10AT 一讥T AT2 、( 1 P2)£r + 件乞|-对于四层光纤，考虑边界条件:着“We,骼皿/（。5多层结构的考虑:-纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷-纟吉论：二次涂敷丸MZ干涉仪实现应变的才光纤干涉仪的类型 Mach-Zehnder 涉仪和 Michels

5、on 干涉仪 Fabry-Perot 干涉仪 SdgMQC干涉仪（环形腔）相位压缩原理与微分干涉仪白光干涉干涉测量原理双光束干涉：A2 二 A； + A； + 2AA，cos(A0)多光束干涉I=/£+ 4R .2(心/ 1(八貯(2丿丿R：反射率；©相邻光束的相位差结论discrimin(bility(sersitivity)z R光纤干涉仪1-2 Mach-Zehnder 干涉仪和 Michelson 干涉仪T般© 一可移动PD"0 = 0厶Q、信号处理一人0 =处厶+乙 =他卫+乙型+厶空AD 屮pL dndD (MZ干涉仪的应用例一线性调频外差型

6、干涉仪 -固定光程差（10cm 锁核比较和计严皿普弋签今嚅2-检测：光纤干涉仪1-2光纤干涉仪1-2隔离器 耦合器DF耦合器光栅写入装置小的矛盾| 驱动和粘度随光朴必改处 易受外界环境影响等、调制频率范围光纤干涉仪3PD Sagnac干涉仪结构-优势：无活动部件无非线性效应无闭锁区光纤干涉仪3光纤干涉仪32光纤干涉仪3- 4个问题互易性与偏振态-同光路：一个耦合器T附加光程差-同模式：使用单模光纤-同偏振态：对保偏光纤的需求偏置与相位调制光了噪声-余玄函数T近零杠（低忆=-PJ（1 + cosA（t?）_基本限制T影响/領懐和动态偏置：，寄生效应的影响与囑論方企转动部件；偏置点稳定直接动态效应

7、：温发，丿' 夕卜并调制-反射和Rayleigh i攵妙磁元调制一调相一附加45度相移- Faraday效应声光调制一调频-光Kerr效应光纤干涉仪3&: HA*!/t： high/nednm/low resolutbn光纤干涉仪3表1 I-FOG 0前的主要型号及其应用主要类型炮号前精度开环PM图：Honeyvell闭环.DPrAr1 10/hr（AHRS） （灵巧制导） （曰倚、法国 Lit tonQ 02Q 0r/s(60 g)Q 01 Q 03/s(80 g)0. 01 0. 0r/s(70g,-H itachiCable：LtdA* 图4 HARM的主要结构有RF寻的

8、的制导区、 区、推进器区弹头或测试区、控制likJ 1 kJ丄HOFG- CLAHOFG- CLCL （DR：, d： lOQmm 汽车导航）L （DR: , d: 70mm直升机 寻的）&: HA*!/t： high/nednm/low resolutbn光纤干涉仪4多光束干涉 Fabry-Perot 干涉仪-原理-FFPI的结构- 2个重要参数隔Laser.自庄谱区盛盘二彳传感器?条纹FSR = nLL里F且AvMOI F=+000-IbBrireiical Airy Functipn rd ternate FP TecEMogy光纤十涉仪4 多光束十涉confd FFPI的应用-

9、 FBG信号解调系统图4钾纤端面微槽的三维图Fig.4 3D image of micro trough in EDF-FFPI传感器光纤干涉仪5多光束干涉光纤环形腔干涉仪激光输入-自由谱区宽度（FSR）-干涉细度F：FSR二 nLAv口辛天差设L=3hn, fs=50Hz，九°= 1.3“加，卅=1.46, 加， 则=11-01 rad, %呦=0.05rad,于是PCF=220.2。相位压缩与微分干涉仪微分干涉仪-一个延迟线圈和一个调制器-非平衡马赫一泽德干涉仪：LD光源、A 1=16cmISO22探测器3PC3光纤干涉仪6白光干涉-解决的问题：实现绝对测量-原理：2个干涉仪构成

10、FPPI光纤干涉仪6白光干涉白光干涉的优点与问题-优点：绝对测量抗干扰能力强一系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动-问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检 测应用*相位信号解调技术干涉仪的信号解调光纤锁相环方案 PGC (phase generator carrier)方案干涉仪的解调方案主动零差法0被动零差法J零差法普通外差法、合成外差法外差法伪外差法零差法零差方式：J1被动零差法目的：不弟方案：两犢最大的信号类型举例微分交叉相乘法相位载波生成法(PGC，Phase generated carrier)圏 和3 X 3耦合器法293 X 3耦合器法缺点：-动态范围仍然受到解调电路的限制-复杂

11、优点：传感器的相位解调范围大大增力牛V2 = -2Z?1 + cos（A0 + 0o）V3=a + b cos（A0 + 0o）c sin（A0 + 0°）外差法视“ =；%10-叩+UCOS仙/ + M+0。）普通外差法关键：移频器食成外差法亠-高频次幅度的正弦僧時卑控制相祕二伪外差唸冷WolO"l+Ucos陆 sin亦）+A0 + 0。 霾®制就罷癒&低卑餌-（M+0o）0 =2 加4f/c => cos 2m/Z +（j）Q 耦合器探测器1探测器2外差法的比较普通外差法-相位解调范围最大，在理论上没有限制-需要特殊的移频器件合成外差法-相位解调

12、范围大-解调电路复杂性最高。伪外差法-各方面的性能比较平衡，最常用解调方法光纤锁相环方法又称：直流相位跟踪法输出信号V。 系统稳定性温度漂移和有限电源电压-温度每升高一度T同轴型光纤干涉仪相位漂移104rad左右（待测信号v1 Orad）-复位系统光源功率波动-光纤布线引起PGC方法锁相环方法如图所示为一种用于测量位移的光学豎豐蠶两路，一路进入光纤参考臂作为参考光束;入膏豐移动四面体棱镜、反射镜后再与参考光束八并产生干 涉。测量位移的光学迈克尔逊光纤干涉仪相位干涉型光纤位移传感器如果因被测位移的变化引起四面体沿图示箭头方向移动,则因光程差的改变而引起干涉条纹移动，干涉条纹的移动量反映出被测位移

13、量的大小。图中在两束光会合处放置全息干板，目的是利用干板上的 干涉图形的全息照片来起到光学补偿的作用。相位干涉型光纤位移传感器下图是一个由集成光学双光路迈克尔逊干涉仪芯片(DMIIOC )组成的集成光学光纤微位移传感器的示意图。 DMIIOC是以LibNO3基片为衬底，其上集成两个截面 不对称的X形波导结(2x2耦合器八 两个固定反射镜和其他波导，组成两个相互对称.共用输入臂和输出臂的迈克尔逊干涉仪。集成光学光纤微位移传感器示意图相位干涉型光纤位移传感器通过保偏光纤注入DMIIOC的输入臂的偏振光，被Y形 波导结分为两束光再分别注入两个X形波导结，通过X 形波导结又分成两束光分别注入信号臂和参

14、考臂。从固定反射镜反射的信号光经参考臂波导和信号臂波导至面X形波导结相干，相干光从两个输出臂输出，送入多模光纤，进行检测。这种位移传感器不仅可以测量位移的大小，同时也能测量 位移的方向。相位调制光纤压力传感器参考光纤传感光纤 Q7压力分束器H)1透镜干涉条纹牙胛马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪测量压力的相位调制光纤压力传感器的原理图如图所示。相位调制光纤压力传感器的原理图这两根单模光纤构成干HeNe激光器发出的一林干光被分束器分成两束光，分 别耦合到传感光纤和参考光纤中, 涉仪的两个臂。'传感光纤和参考光纤再通过光纤耦合器组合起来，以便产 生相互干涉，将测量臂的光纤压

15、力变化所引起的光相位差 的变化表现为干涉条纹的变化，从而形成一系列明暗相间 的干涉条纹。如果在两根光纤的输出端用光电元件来扫描干涉条纹的移 动，并变换成电信号，再经放大后输入记录仪，从记录的 移动条纹数就可以检测出压力信号。此传感器也可以用于 温度测量。相位调制光纤压力传感器相位调制光纤压力传感器设均匀压力卩所引起的各向同性的应力可表示为分量形式:-P6 = p-P(2)了应变巧，巧也可表示成分量形式:一P(S IjLl) / E5 =p(l 2q)/EpQ 2gE(3)相位调制光纤压力传感器对于长为人传播常数为的单模光纤0,其光波导模式的相位为cp=pi，而光纤由于压力作用所产生的应变引起输

16、出光的相位移为M _ AZ A/?0 I B式中，为由于压力产生应变所引起光纤长度的变化量;。为应变使光纤折射率以及光纤直径变化而产生的波导模色散效应。相位调制光纤压力传感器经过一系列的变化后，综合关于Z与4 0的各项，即可得到光的相位移为M _ 卩（1一2“） 力（1一2“）”'（1一2“）db（5）7=_+（A1+A2）_W由式可以进一步求出压力灵敏度:0(1-2虬加(1-2“)/ (、V3(1-2/z) db7=一仙+皿)一丽T而相位调制光纤压力传感器相位调制光纤压力传感器由于式(6)的第3项彳艮小，可以忽略不计,简为M = 0（1-2“）| 时（1 - 2Q pl E2E（P1

17、1+P12）此式(6)可化(7)由于光纤的组分不同，因此有些参数不同，故压力灵敏度 也不同。水声传感图6-16 Mach- Zehnder干涉仪压力灵敏度曲线uI05峰值压力/(Ng-)7rl 20a df37i da一 “S1+P12)1-v-2v2E动态压力传感器静压力变化 光纤长度仃产 生相位差：相位调制振动传感器利用相位调制来测量机械振动，可以检测出垂直振动分量 和表面内振动分量，其原理图分别如下图18 (a), (b)所示。(a)垂直振动分量传感器原理图(b)表面内振动分量传感器原理图相位调制振动传感器原理图可以看出，要检测的振动分量引起反射点P运动，从而 使两激光束之间产生相关的相

18、位调制。激光束通过分束器、光纤入射到振动体上的_点，反射光 作为信号光束，经过同一光学系统，被引入到探测器。参 考光束是从部分透射面上反射产生的。在实际系统中，用光纤输出端面作为R面。图（a）中，信号光束只受到垂直振动分量匕 cos（血） 的调制。由于振动体使反射点靠近或远离光纤，从而改变了信号光 束的光路长度，相应改变了信号光和参考光的相对相位， 产生了相位调制。信号光与参考光之间的相位差为(8)4兀式中,光波圆频率。丄Ucos(6yf) A图（b）中，由同一光源来的激光束A和B ,它们分别以与振动体表面法线成±45。的方向入射到振动体表面上的一点P,然后沿表面法线方向散射，散射光

19、通过中间光纤被引导到探测器。表面内振动分量的影响所产生的两束光之间的相位差为4兀A©/ =(- U COS(69?)(9)通过解调式和式给出的相位调制，就能得到上述相 应振动分量的振幅。根据选用的低频相位调制的最大相位偏移量大小，有高相 位偏移调制法和低相位偏移调制法两种。 1.高相位偏移调制法相位调制振动传感器利用式 给出的被测振动分量的相位调制，再引入上述 的低频相位调制(P. cos(Qr)和固定相位差 申心,当两束 光存在以上的相关相位差时，入射到光检测器的光强表示为(22)式中，Es和Er分别表示信号光和参考光的振幅。选择低频相位调制频率Q = 3。式（22）如用贝塞尔函数

20、进行诺曼展开， 将第1项（因含有Jo函数，故称为Jo成分）用于Es ,Er等的光振幅变化检测。第2项（同样，称为J】成分）用于振动振幅检测。 Jo, Ji成分的上.下峰之间的幅值和可以从上式中求得。它们为:相依调制振动传感器(24)因此，取式(24)和式(25)的比值，消去耳和禺，解得振 动振幅。相位调制振动传感器相位调制振动传感器由于振动振幅U丄=X ,所以Jo、,由此得到)2兀qU |2丄°pp丿(26)2低相位偏移调制法 下面介绍将两成分用单一频率表示正弦波的方法。在式(22)中，固定相位差价 血 取 兀/2,与上述方法相反，使低频相位调制的最大偏移选得较小.例如，©

21、 1 。另外，如果设振动振幅 A ， 则可对该式进行简化处理：(27)I = -2EsEr(P cos(Of)号EsErU丄 cos(血)Ip如果取IOp之lip比，振动振幅U丄可由下式求得:(28)由式(28)可知，如果求得振动体上振动振幅的相对分布，并保持 咏，则移动测量位置，测量"/lop即可。如果需要测量振幅的绝对值，则在振幅大的测量点，使 用上述高相位偏移调制法，求出其绝对值，然后进行校正即可。用类似的方法也可以求得振动面上的振动振幅。如果将式(21)与式(20)比较，因入射激光倾斜，倾斜因子为考報斜因子，就可以得到相应的U的表达式:(29)相位调制振动传感器3光纤振动传感

22、器实例 如图所示是根据上述原理构成的光纤三维振动测量传感器系统。该系统主要分为三部分：由合适的开关单模光纤A，B和氨氛激光器光源组成的光发射部分；由棒透镜.低频相位调制器.单模光纤C组成的传感头部分；由光探测器.频率变换器.带通滤波器等组成的信号探测及处理部分。相位调制振动传感器光纤三维振动测量传感器系统相位调制振动传感器当测量垂直振动分量时，将光纤C放在入射激光的光轴上, 同时向上方移动光纤B,C的入射端，这时使用光纤C即 构成如图18 ( a )所示的传感器系统。光探测和信号处理部分，使用雪崩光电二极管(APD)进行 探测，用窄带滤光器取出Ji或J2成分，采用有适当频带 的低通.带通滤波器

23、(LPF , BPF )取出J。或I。成分。U COSCO,光探测器相位调制振动传感器相位调制振动传感器当测量表面内振动分量时，单模光纤A , B照射振动体, 光纤C用来收集反射光，这样就可构成了如图18(b)所示的传感器系统。利用贴在分束器上的小型反射镜，将通过光纤C的反射 光引入光探测器，用妥装在光纤A入射端的低频相位调制器(压电器件)提供直流相移和低频相位调制。相位调制振动传感器4.光纤振动传感器的性能 光纤振动传感器的主要性能包括：振动振幅的可测范围.振动频率的可测范围.测量的空间分辨率等。相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器图31为相位变化型光纤加速度传感器原理图。由图3

24、1可见，无论是哪种情况，框架的纵向振动都会使重 物位移而使光纤伸缩，且长度的变化是与被测加速度或位 移成比例的。(a)单光纤结构(b)双光纤结构图31相位变化型光纤加速度传感器原理图双光纤迈克尔逊加速度检波器的工作原理如图32所示。该 检波器主要由单模全光纤迈克尔逊干涉仪、简谐振子和信 号处理系统三部分组成。厂光探测誥3dB分束器放大器A&简谐报孑"光纤/ 乘法器带通滤波器 H 放大岩1_虫)1积分器低通滤波器卜佶号处理系统(a)系统框图图32双光纤迈克尔逊加速度检波器的原理图双光纤迈克尔逊加速度检波器的工作原理: 激光器发出的激光注入到3 dB分束器后分为两路，一路为参考臂

25、，另一路为信号臂。高反射铝膜直接镀在两根光纤的端面上，从而起到反射镜的作用。信号光与参考光经全反射膜反射后，按原路返回，在分束器中重新会合产生干涉。光电探测器PIN将干涉光强转换为电信号。相位调制光纤加速度传感器压电陶瓷(PZT)的作用是把调制波的电信号转化为光波 的相位变化，并在一个干涉臂中产生补偿相位。简谐振子的作用是把外界物理场的变化转化成光纤的纵向 应变和径向应变。简谐振子的结构如图32(b)所示。光纤14光纤2弹簧铝腮曹块外框(b)简谐振子结构图图32双光纤迈克尔逊加速度检波器的原理图如果让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动,那么在加速该物体所需的作用力F的作用下，上面的一段光纤伸

26、长，下面的光纤则缩短AL。这一过程可表示为F = ma = 2AAT(38)式中，A为光纤的横截面面积;A=n (d/2)2 ,其中为光纤直径；AT为每根光纤中拉应力变化的幅度。产生的应变 e=AL/L可以用下式表示：AATmaAs =E2EAL(39)式中，E为光纤的杨氏模量。经过一系列变化和化简后，有(42)将式（39）代入式（42）,则有=nmnaLA0EA(43)相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器根据求出式（43）中的«min ,得到(44)_入血人血in _ A)曲MinnmnL4mnL对于双光纤来说，因为一伸.一压，相当于相位变化了,则此时的加速度为a mi

27、n/2光纤纵向使重物块的位移距离AL所需要的有效弹力F可以由式(38)和式(39)求得,即ma = 一2EANLL=k/L(45)相位调制光纤加速度传感器相位调制光纤加速度传感器式中，氐为弹性系数，且k = 2EA/L.因此，谐振频率为(46)为了进一步强调谐振频率与光纤参数的关系, 将A=7t(d/2)2代入式(46),可得To =(47)比较式(44)和式(46)可以看出，如果通过减小 d2/mL而减小a min 则 几也会随之而减小。光纤角速度传感器光纤陀螺1光纤陀螺的发展2光学基础知识3 Sagnac效应4光纤陀螺（FOG）原理5光纤陀螺指标1光纤陀螺的发展与动态四个里程碑：一、191

28、3年法国畅理学家SagnacA物理卖脸中发现了逢转 角速率对光的干莎现象的影响，这就启发人们，利用光的干莎 现拿来测量淡转角速率。二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光妾，产生了单色 柏干光，解决了光源的问题。三、1966年，英籍华人科学家富僞提出了只要解决玖璃纯 度和成分，就能获得光传输损耗极低的玫腐光纤的学说。印、1976年，美国犹他大学两後教授利用Sagnac效应研制岀世界上第一个光纤陀螺原理样机。二十多年来，世尿各发达国家的许多科研机构和著名大学 都投入了很多的经费来研老光纤陀螺。K着光纤陀螺主要光 晟件椽偏光纤，Y愛亀一光调制败导，光源等丿技术及半导 体工业的飞速发展，光纤陀螺的发

29、展已经有了突破性进役 富精度光纤陀螺已达到低于0.0001%的精度，有取代传统的 机械陀螺仪的施势。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没 有淡转祁件和摩榛部件，寿令长，动态施圆大，麟时左动， 结构简单，尺寸小p重量经。与激光陀螺仪柏比，光纤陀螺 仪没有闭锁问题，也不用農.石英块精密加工出光路，成本低。目ih 光纤陀螺己经发畏成为惯性技术领域具有划时代特征 的新型主流仪蔻，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式 仪表有很大的差别，我国己经将光纤陀螺列为惯性技术领域重 点发畏的关键技术之一2 Sagnac效应2 Sagnac效应理想条件下，环形光路系统中的Sagnac效应如图1所 示

30、。一束光经分束器魁入同 一光学回路中，分成完全相 同的南束光Ccw和Cccw,分别沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，将 使两束光产生相位差，该相2 Sagnac效应位差的大小与光回路的旋转 速率成比例。图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转2 Sagnac效应(a)系统静止;(b)系统旋转2 Sagnac效应如(a)所示，无旋转条件下,两束光传输时间相等，为CCWL _ 27tR 如(b)所示，旋转条件下,ccw 2ttR(a)(b)cw17URc + C1R图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止;

31、(b)系统旋转2 Sagnac效应传输时间差Af = tCcw传输光程差也传输相位差(a)(b)2 Sagnac效应4兀RL2 Sagnac效应图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转2 Sagnac效应图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转问题：旋转角速率产生的光程 差太小，很难被检测。3光纤陀螺基本原理及特点LightSource图2光纤陀螺实现原理图InputLightScreenut、；LightSplitterFiberCoil光纤陀螺实现原理光纤陀螺本质上 就是一个环形干涉仪, 通过釆用多匝光纤线 圈来增强相对惯性空 间

32、岛旋转勿廷岛 Sagnac薮应。其实现 如图2所示。厂吨。光纤陀螺结构及工作原理光纤陀螺结构及工作原理图3数字闭坏I-FOG结构示意图3光纤陀螺基本原理及特点3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺优点与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态 仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖单，应用范围广。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁” 用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封, 装配工艺简便，功耗低，可靠性高。总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新 型全固态惯性器件。4光纤陀螺研制及应用状况光纤陀螺应用级别划分零偏稔定徃（决/ 缶讨/标废®敷稔速率级10-10000.1-1%战术级0.1-1010-1000