光纤传感器基本原理2课件

第八章、光纤传感器基本原理三、相位调制机理相位调制光纤传感器的基本传感原理: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，从而检测出待恻的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL，其中k0为光在真空中的波数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径的长度。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。1.相位调制相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中，以敏感光纤作为相位调制元件。敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的调制。式中，a为光纤芯的半径；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)；第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。(1)应力应变效应光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位随之变化。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将同时影响光纤折射率、和长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为(2)温度应变效应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△T和相位变化描述，则有2.光纤干涉仪

—敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位—光强的转换任务。设有光振幅分别为A1和A2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：式中，△φ是相位调制引起的两相干光之间的相位差。▲迈克尔逊全光纤干涉仪的结构：(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪与迈克尔逊干涉仪之区别：1.它没有光返回到激光器，利于激光器减少不稳定噪声；2.从分束器上也可以获得两束光，一为参考光的反射，一为信号光的透射，若需要，可利用这两束光获得第二个输出信号。▲马赫-泽德全光纤干涉仪的基本结构：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”，是指于涉仪的两臂光波间的相对相位为90o。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。▲光纤陀螺仪的结构：其相移表达式为：(4)法布里-珀罗(Febry-Perot)光纤干涉仪

这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种千涉仪都是双光束干涉，而法布里一琅罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为▲法布里-珀罗光纤干涉仪：当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体到观察者。根据上述两式，并考虑v<<c，可近似把双重多普勒频率方程表示为1.光纤多普勒技术

激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。2.光