第七章_光调制技术2

1、第 七 章（2） 7.3 相 位 调 制一、一、概概 述述l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。率实验室测量装置。 相位调制的灵敏度极高，据报道，可探测相位调制的灵敏度极高，据报道，可探测1010-14-14m m光程差引起光程差引起的相位变化（对的相位变化（对 于于 0.830.83m m光波），这相当于一个原子核光波），这相当于一个原子核直径的大小。直径的大小。l但是，以自由空间作干涉光路的一般干涉仪，

2、由于其体积大，但是，以自由空间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、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。实用性。光纤干涉仪的优点l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：的优点： 一一 是减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，并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；可使干涉仪小型化； 二二 是可以用加长光纤的方法使干涉光

3、路对环境参数的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。响应灵敏度增加。l这样，传统的光学干涉仪从实验室中走了出来，并成为高这样，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。机械强度和精密灵活的生产现场使用的仪表。 二、调 制 原 理l相位调制光纤传感器的基本传感原理相位调制光纤传感器的基本传感原理是：是： 通过被测能量场的作用，使光纤内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，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。从而检测出待测的

4、物理量。l一般说，应力、应变、温度等外界物一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变下述三个波导参数，理量能直接改变下述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。产生相位变化，实现光纤的相位调制。l光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量产生的光光纤中传导的光，其相位变化取决于外界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化。纤波导的下面三个参数的变化。 光纤物理长度的变化光纤物理长度的变化（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸（轴向应变伸长、热膨胀引起的伸长、泊松比变化引起长度伸长）长） 光纤折射系数及分布的变化光纤折射系数及分布的变化（温度引起、光弹效应）（温度引起

5、、光弹效应） 光纤横截面几何尺寸的变化光纤横截面几何尺寸的变化（压力、通过泊松比产生的横（压力、通过泊松比产生的横向应变、热膨胀）向应变、热膨胀） 影响相位变化的因素为简化分析，假定分析折射率沿其截面分布不变化，则光相为简化分析，假定分析折射率沿其截面分布不变化，则光相位调制则只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。位调制则只由光纤长度、折射率大小和横截面尺寸产生。光纤中传播光相位变化可以表示为光纤中传播光相位变化可以表示为dnLL轴向长度变化轴向长度变化 产生的相位移产生的相位移Lnd 影响相位变化的因素d光纤直径变化光纤直径变化 产生的相位移产生的相位移n折射率变化折射率变化 产生的相位

6、移产生的相位移其中其中 （1 1为光纤轴向应变）为光纤轴向应变）122LLLnLn2ddLd 22（为光纤中的传播波长）为光纤中的传播波长） 影响相位变化的因素dd此三个因素中此三个因素中 产生的相移表达式比较复杂，与产生的相移表达式比较复杂，与 有关，有关，其大小取决于光纤的结构。其大小取决于光纤的结构。dnL 外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只考虑温外施温度对光纤的热影响是最简单的情况。此时可只考虑温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。则度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化。则TTnL2以温度为例rad106因此每米光纤升温一开的光相位移为因此每米光纤升温一开

7、的光相位移为折射率温度系数折射率温度系数KTn/.510680对纯硅材料，热胀温度系数对纯硅材料，热胀温度系数K/.71055PZT相位调制器l实现纵向、径向应变最实现纵向、径向应变最简便的方法是：简便的方法是：l采用一个空心的压电陶采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒瓷圆柱筒(PZT)(PZT)，在这个，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在圈光纤，并在PZTPZT上施加上施加驱动信号。驱动信号。l由于由于PZTPZT筒的直径随驱动筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波光纤承受到应力，光波相位将随之变化。

8、相位将随之变化。压电陶瓷圆柱筒(PZT)施加驱动信号施加驱动信号l在驱动信号电压约在驱动信号电压约 30V30V、频率为、频率为kHzkHz范围、范围、PZT PZT 筒直径为筒直径为2.54cm 2.54cm 时，可获得每圈几孤时，可获得每圈几孤度的相位延迟。度的相位延迟。l光纤相位干涉仪若采光纤相位干涉仪若采用这样的用这样的 PZT PZT 相位相位调制器可以探测到小调制器可以探测到小至至0.1rad0.1rad 的相位变的相位变化化。PZT相位调制器 光纤相位调制器 l产品介绍：产品介绍：l基于低成本光纤围绕基于低成本光纤围绕 PZT PZT 设设计，典型应用于开环调制，传计，典型应用于

9、开环调制，传感模拟和干涉相位调制。感模拟和干涉相位调制。l该器件的性价比要超过目前世该器件的性价比要超过目前世界上所有同类产品，且结构紧界上所有同类产品，且结构紧凑尺寸小，可配各种光纤接头，凑尺寸小，可配各种光纤接头，易电驱动及安全装简单；易电驱动及安全装简单；l这些特点都是源自于我们国外这些特点都是源自于我们国外厂家独一无二的多层光纤围绕厂家独一无二的多层光纤围绕技术技术。 三、相位调制实用技术 1、迈克尔逊干涉仪l单色光经分束器分为光强相等的两束光：单色光经分束器分为光强相等的两束光：l一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，一束射向固定反射镜，然后反射到分束器，被其透射部分，

10、由探测器接收；由探测器接收；l另一束入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器，经分束另一束入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器，经分束器反射的部分也传到探测器；器反射的部分也传到探测器；l当两路光程差小于激光器的相干长度时，传到探测器的两束当两路光程差小于激光器的相干长度时，传到探测器的两束光会产生干涉。光会产生干涉。 迈克尔逊干涉仪示意图迈克尔逊干涉仪示意图激光器固定反射镜固定反射镜探测器探测器可移动反射镜可移动反射镜调制器调制器 迈克尔逊干涉仪l这是一种这是一种基本形式基本形式的干涉仪。的干涉仪。除激光器除激光器的电源以的电源以外，所有外，所有的部件都的部件都安装在一安装在一个平台式个平台

11、式的基座上。的基座上。全光纤迈克尔逊干涉仪l为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，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。可考虑用全光纤干涉仪结构。l图表示迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个图表示迈克尔逊全光纤干涉仪的结构。图中以一个3dB3dB耦合耦合器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而且以敏感光纤作为相位调制元件。光纤作为相位调制元件。l这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免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的工作，使其更适于

12、现除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现场测量，更接近实用化。场测量，更接近实用化。02k 式中式中: : k k0 0 为空气中的光传播常数，为空气中的光传播常数， 2 2L L 为两相干光的光程差。为两相干光的光程差。 002nk两相干光的位相差为两相干光的位相差为可见，可移动反射镜每移动可见，可移动反射镜每移动L L = = /2/2 长度，光探测器的长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。如果使用如果使用 He-NeHe-Ne 632.8nm 632.8nm 激光，它能检测的位移大致为激光，

13、它能检测的位移大致为1010-7-7m m，即，即0.630.631010-13-13m m的位移。的位移。全光纤迈克尔逊干涉仪 2. 马赫泽德(曾德尔)干涉仪l图是马赫图是马赫泽德干涉仪的原泽德干涉仪的原理图。它与迈克尔逊干涉仪理图。它与迈克尔逊干涉仪有一些相同之处。有一些相同之处。l同样，从激光器输出的光束同样，从激光器输出的光束先分后合。先分后合。l两束光由可动反射镜的位移两束光由可动反射镜的位移引起相位差，并在光探测器引起相位差，并在光探测器上产生干涉。上产生干涉。l这种干涉仪也能探测小至这种干涉仪也能探测小至 1010-14-14m m的位移。的位移。马赫泽德干涉仪示意图固定反射镜固

14、定反射镜光光 源源探测器探测器可移动反射镜可移动反射镜传感器传感器与迈克尔逊干涉仪之区别 1 1、它没有或很少有光返回到激、它没有或很少有光返回到激光器，返回到激光器的光会造光器，返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。涉测量不利。2 2、由图可以看到，从分束器、由图可以看到，从分束器2 2向向上还有另外两束光，一束是上上还有另外两束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的透射部分。束是垂直光束的透射部分。 如果需要，也可以用这两束如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出光的干涉光强获得第二个输出信号。

15、这在一些应用上是很方信号。这在一些应用上是很方便的。便的。第二个输出信号第二个输出信号 马赫泽德全光纤干涉仪l作为一个工程实用的传感器，最好采用全光纤干涉仪作为一个工程实用的传感器，最好采用全光纤干涉仪。l图表示马赫图表示马赫泽德全光纤干涉仪的基本结构，以这个基本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变形结构。它的两个臂都使用光纤，结构为基础还有很多变形结构。它的两个臂都使用光纤，且光的分路与合路也都是用且光的分路与合路也都是用3 dB3 dB光纤耦合器。光纤耦合器。l其优点是体积小，且机械性能稳定。当然，重要的是要解其优点是体积小，且机械性能稳定。当然，重要的是要解决好光纤

16、耦合器的工艺和稳定性问题。决好光纤耦合器的工艺和稳定性问题。 需要保证两光纤臂间的正交状态l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。方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。l所谓所谓“正交状态正交状态”，是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为，是指干涉仪的两臂光波间的相对相位为9090。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。 参考臂可采用 PZT圆筒l图中参考臂可采用图中参考臂可采用PZTPZT圆筒，通过闭环反馈激励来保证正交圆筒，通过闭环反馈激励来保证正交

17、条件。条件。l这种结构的缺点是，这种结构的缺点是，PZTPZT的相位调节范围只有的相位调节范围只有22，因此当所，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。需校正的相位漂移超出该范围时，系统将有一个瞬态输出。相位漂移主要是由温度变化引起的。因此，该系统要求环境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。温差不能太大。 三、赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪l图为赛格纳克干涉仪的原理图。图为赛格纳克干涉仪的原理图。它是利用赛格纳克效应构成的它是利用赛格纳克效应构成的一种干涉仪。一种干涉仪。l激光器输出的光由分束器分为激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部

18、分，这两束光反射和透射两部分，这两束光由反射镜的反射形成传播方向由反射镜的反射形成传播方向相反的闭合光路；相反的闭合光路；l然后在分束器上会合，被送入然后在分束器上会合，被送入光探测器中，同时也有一部分光探测器中，同时也有一部分返回激光器返回激光器。 塞格纳克干涉仪光源探测器 塞格纳克干涉仪的特点l这种干涉仪的特点是，激光束分为反这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿相反方向传播，最后射和透射两束沿相反方向传播，最后汇合到分束器回到探测器。汇合到分束器回到探测器。l在这种干涉仪中，任何一块反射镜在在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光的光垂直表面的方向上移动，两束

19、光的光程变化皆相等，因此，根据双光束干程变化皆相等，因此，根据双光束干涉的原理，不会在探测器上探测到光涉的原理，不会在探测器上探测到光强之变化。强之变化。l但是，当将此装置置于一个可绕垂直但是，当将此装置置于一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度以角速度 转动时，由于塞格纳克转动时，由于塞格纳克效应，两束传播方向相反的光就会有效应，两束传播方向相反的光就会有不同的延迟。不同的延迟。 赛格纳克效应的转动光程差l当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度 时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差 L，其数值满足关系lL (4A/c)cos

20、 式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积； 为角速度矢量与面积A的法线间的夹角。l当光路平面垂直于时，上式简化为lL (4A/c)l这种闭合光路的正、反向光路光程差随转速改变的现象称作赛格纳克效应。l图给出这一效应的图解说明，可以看出当光路以图给出这一效应的图解说明，可以看出当光路以顺时针顺时针转动时，从光路上一点转动时，从光路上一点 发出的顺时针光束在绕光路一周发出的顺时针光束在绕光路一周重新回到重新回到 点时要多走一段光程，而反时针光束却少走一点时要多走一段光程，而反时针光束却少走一段光程，于是形成了光程差。段光程，于是形成了光程差。赛格纳克效应的转动光程差这种光程差的量值甚微，例如采用这

21、种光程差的量值甚微，例如采用 A A100cm100cm2 2 的环形光路的环形光路对地球自转的速度为对地球自转的速度为 E E7.37.3l0l0-5-5rad/s rad/s ，相应的，相应的 L L 仅为仅为1010-12-12cmcm。只有利用环形干涉仪或环形激光器才有可能通过检测双向只有利用环形干涉仪或环形激光器才有可能通过检测双向光路的微小频差得到这一角速度。光路的微小频差得到这一角速度。CA08式中式中 旋转角速度，旋转角速度， A A 光路围成的面积，光路围成的面积， CC光速，光速， 0 0真空光波长。真空光波长。这样，通过检测光强变化，可知旋这样，通过检测光强变化，可知旋转

22、速度，这种技术是设计导航系统转速度，这种技术是设计导航系统中环形光纤陀螺的基础。中环形光纤陀螺的基础。若平台以顺时针方向以速度若平台以顺时针方向以速度 转动，则在顺时针方向转动，则在顺时针方向传播的光较反时针方向延迟大，此相位延迟是可表为：传播的光较反时针方向延迟大，此相位延迟是可表为： 塞格纳克干涉仪的特点四、FabryPerot 干涉仪干涉仪l下图是法布里下图是法布里珀罗干涉仪的原理图。它由两块部分反射、珀罗干涉仪的原理图。它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。部分透射、平行放置的反射镜组成。l在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率通常达在两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其

23、反射率通常达9595以上。以上。l由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面作多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接收。面作多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接收。l这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里是双光束干涉，而法布里珀罗干涉仪是多光束干涉。珀罗干涉仪是多光束干涉。参考镜参考镜测量镜测量镜传感器传感器Fabry Perot 干涉仪结构干涉仪结构 法布里珀罗干涉仪的原理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根据多光束

24、干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为2sin141220RRII式中，式中，R R 是反射镜的反射率；是反射镜的反射率； 是相邻光束间的相位差。是相邻光束间的相位差。由上式可知，当反射镜的反射率由上式可知，当反射镜的反射率R R值一定时，透射的干涉光值一定时，透射的干涉光强随强随 变化。变化。当中当中 = 2n (n = 2n (n为整数为整数) )时，时，干涉光强有最大值。干涉光强有最大值。可见，可见，R R 越大，干涉光强变化愈显著，分辨率愈高，这是越大，干涉光强变化愈显著，分辨率愈高，这是此技术的最大特点，它是最灵敏的位移测量装置。此技术的最大特点，它是最灵敏的位移测量装置。 2

25、sin)1(41220RRII当当 = ,3,5,(2m+1) = ,3,5,(2m+1)时，干涉光强有最小值：时，干涉光强有最小值： (1-R)/(1+R)(1-R)/(1+R)2 2I I0 0 ；透射的干涉光强最大与最小之比为透射的干涉光强最大与最小之比为 (1-R)/(1+R)(1-R)/(1+R)2 2。可见，当可见，当R R 一定时，干涉光强随一定时，干涉光强随 而变；而变；当当 = 0,2= 0,2,4,2m,4,2m时，干涉光强有最大值时，干涉光强有最大值 I I0 0 ； 法布里珀罗光纤干涉仪l法布里法布里珀罗光纤干涉仪如图所示。珀罗光纤干涉仪如图所示。 l它与一般法布里它与

26、一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了以传感器控制反射镜移动调相。以传感器控制反射镜移动调相。 光纤法布里珀罗滤光技术l根据光学原理，假设有一束平行光以根据光学原理，假设有一束平行光以 角倾斜入射到法角倾斜入射到法布里布里珀罗标准具上，则当波长满足下条件时珀罗标准具上，则当波长满足下条件时m00,.2, 1cos20mmdnmd d 是法布里是法布里珀罗标准具厚度；珀罗标准具厚度； n n 是标准具平行板内的介质折射率；是标准具平行板内的介质折射率； 是反射光的相位跃变。

27、是反射光的相位跃变。透射光或反射光的强度达到极大值，其中透射光或反射光的强度达到极大值，其中l从上式可以看出，当外界物理因素使标准具的厚度从上式可以看出，当外界物理因素使标准具的厚度 d d 或介或介质折射率质折射率 n n 改变时，透射带或反射带的波长改变时，透射带或反射带的波长 0 0(m)(m) 将会随将会随之改变。之改变。l这样，标准具就成了一个有多个透射带这样，标准具就成了一个有多个透射带( (或反射带或反射带) )的滤光的滤光器。利用这一原理，可制成法布里珀罗颜色探头。器。利用这一原理，可制成法布里珀罗颜色探头。 法布里珀罗颜色探头,.,cos2120mmdnml图是一种带有微型计

28、算图是一种带有微型计算机的波长调制光纤传感机的波长调制光纤传感器。器。l由光源发出白光，光由由光源发出白光，光由大芯径光纤送入标准具大芯径光纤送入标准具传感探头；传感探头； 法布里珀罗 颜色探头法法珀标珀标准具传感准具传感探探 头头然后由光纤收集反射光并送入棱然后由光纤收集反射光并送入棱镜分光计；镜分光计；通过分光，在电荷耦合器件探测通过分光，在电荷耦合器件探测阵列上检测到不同波长的光强度。阵列上检测到不同波长的光强度。l一旦被测物理量发生变化，一旦被测物理量发生变化，法布里法布里珀罗标准具的间珀罗标准具的间隔厚度就会随之变化，从隔厚度就会随之变化，从而引起了反射带峰值所对而引起了反射带峰值所

29、对应的波长移动，微型计算应的波长移动，微型计算机通过程序的运行把变化机通过程序的运行把变化结果表示出来。结果表示出来。 法布里珀罗 颜色探头光强信息输入到微型计算机，光强信息输入到微型计算机，经处理后得到测量结果。经处理后得到测量结果。 五、相位压缩原理及微分干涉仪l上面提到的马赫上面提到的马赫泽德、迈克尔逊、赛格纳克、法布泽德、迈克尔逊、赛格纳克、法布里里珀罗干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共珀罗干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共同的缺点：同的缺点：l对温度敏感，需要长相干长度的光源、信号处理电路复对温度敏感，需要长相干长度的光源、信号处理电路复杂。杂。l另外，由于它们的干涉项是

30、两束或多束干涉光和位差的另外，由于它们的干涉项是两束或多束干涉光和位差的余弦函数，这就限制了它们的线性输出范围。余弦函数，这就限制了它们的线性输出范围。l一般的双光束干涉仪为了得到最大的灵敏度，常工作在一般的双光束干涉仪为了得到最大的灵敏度，常工作在正交状态，这就意味着把干涉项的余弦函数转变成了正正交状态，这就意味着把干涉项的余弦函数转变成了正弦函数。弦函数。相位压缩原理的提出l如果把输出相位信号限定在干涉仪的线性范围内，那么如果把输出相位信号限定在干涉仪的线性范围内，那么传感器的系统将大大地简化，它可以不采用复杂的电路传感器的系统将大大地简化，它可以不采用复杂的电路进行信号处理及相位补偿技术

31、。进行信号处理及相位补偿技术。l下面要提到的相位压缩原理恰好能实现这种功能。下面要提到的相位压缩原理恰好能实现这种功能。l基于相位压缩原理建立的微分干涉仪具有线性范围广、基于相位压缩原理建立的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，并能使用短相干长度的光源等优点。敏感，并能使用短相干长度的光源等优点。l相位压缩原理是指干涉仪测量的相位为相位压缩原理是指干涉仪测量的相位为l干涉光束相位差的变化量，干涉光束相位差的变化量，l而不是普通干涉仪的相位差。而不是普通干涉仪的相位差。l这可以通过在固定的时间间隔这可以通

32、过在固定的时间间隔 内测量相位差获得，内测量相位差获得，而时间间隔而时间间隔 可以从延时光纤得到。可以从延时光纤得到。l所以，尽管输入调制信号超出了几个到几百个干涉条纹，所以，尽管输入调制信号超出了几个到几百个干涉条纹，但它的相位差变化量都很小，仍能保证干涉仪工作在线但它的相位差变化量都很小，仍能保证干涉仪工作在线性范围内。性范围内。1、相位压缩原理l下面以马赫下面以马赫泽德干涉仪为例来说明相位压缩原理。泽德干涉仪为例来说明相位压缩原理。l设干涉仪工作在正交状态，它的原理如图所示。设干涉仪工作在正交状态，它的原理如图所示。 相位压缩原理l由光源由光源 S S 发出的光经光纤耦合器发出的光经光纤

33、耦合器C C1 1进入马赫进入马赫泽德干泽德干涉仪中；涉仪中； 1、相位压缩原理经经调制器调制器s s(t)(t)调相调相后得后得 x x1 1(t)(t)。一束光经一束光经光纤延迟器光纤延迟器，延时，延时 = n L = n Lc c n n为光纤芯折射率，为光纤芯折射率，L L 为延迟光纤长度，为延迟光纤长度，c c为真空中的光速；为真空中的光速；l若调制信号若调制信号( (被测信号被测信号) ) s(t)s(t) 为一为一正弦函数正弦函数，则调制则调制器数学表达式为器数学表达式为l s s(t) = (t) = smsm (t) sin( 2 f(t) sin( 2 fs s t ) t

34、 ) l式中，式中， f f s s 为调制信号频率；为调制信号频率； smsm为调制相位幅值为调制相位幅值。l调制相位幅值调制相位幅值 smsm 可以由下式得到可以由下式得到l smsm = 2n = 2n L L 0 0l式中，式中， L L为被测信号产生的光纤长度变化量。为被测信号产生的光纤长度变化量。 1、关于相位调制器l在正交状态下，另一束光经在正交状态下，另一束光经 2 2延迟，再经延迟，再经 (t)(t)调制后调制后得得x x2 2(t)(t)； 相位压缩原理两束光在光纤耦合器两束光在光纤耦合器C C2 2中干涉；中干涉；再经延迟时间再经延迟时间 后为后为 x x2 2(t- )

35、 (t- ) 。ld(t)=Asind(t)=Asins s(t(t) - ) - s s(t - )(t - )l经反正弦变换后得经反正弦变换后得y(t)y(t)两束光在光纤耦合器两束光在光纤耦合器C C2 2中干涉；得中干涉；得x x (t) (t) 相位压缩原理A Ax (t)x (t)通过探测器通过探测器D Dx (t)x (t)x x (t) = (t) = x x1 1(t)(t) + + x x2 2(t- (t- ) ) exp(- jexp(- j2) 2) 再通过放大器再通过放大器A A后得到信号后得到信号d(t)d(t)y(t)=By(t)=Bs s(t) - (t) -

36、 s s(t - ),(t - ), ( - ( -2 2 s s(t) - (t) - s s(t - ) (t - ) 2 ) 2 ) 其中，其中，A A、B B 为比例系数。为比例系数。l利用傅里叶变换可证明，只要被测信号利用傅里叶变换可证明，只要被测信号 s(t)s(t)在功率谱中的最在功率谱中的最高频率满足下列条件高频率满足下列条件81maxsf就有就有调制信号变化量正比于调制信号变化量正比于 s s(t) (t) 的微分的微分的结果，它的误的结果，它的误差不大于差不大于1 1。 相位压缩原理7.4 波长调制技术l波长调制技术主要是利用传感探头的光谱特性随外界物理波长调制技术主要是利

37、用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。量变化的性质来实现的。l此类传感器多为非功能型传感器。此类传感器多为非功能型传感器。l在波长（颜色）调制探头中，光纤只是简单地作为导光用，在波长（颜色）调制探头中，光纤只是简单地作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。l光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。光纤波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。l例如，对于人体血气的分析，例如，对于人体血气的分析，pHpH值检测，指示剂溶液浓度值检测，指示剂溶液浓度的化学分析，磷光和荧光现象分析，黑体辐射分析，法布的化学分析，

38、磷光和荧光现象分析，黑体辐射分析，法布里里珀罗滤光器等。珀罗滤光器等。 颜色调制探头的基本部件 光纤颜色探测技术的关键l光纤颜色探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，光纤颜色探测技术的关键是光源和频谱分析器的良好性能，这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性影响。这对于传感系统的稳定性和分辨率起着决定性影响。l大多数波长调制系统中，光源采用白炽灯或汞弧灯。大多数波长调制系统中，光源采用白炽灯或汞弧灯。l频谱分析器一般采用棱镜分光计、光栅分光计、干涉滤光频谱分析器一般采用棱镜分光计、光栅分光计、干涉滤光器和染料滤光器等方式。器和染料滤光器等方式。l但这些光源、分光计以及光探测器的性能常常是

39、不稳定的。但这些光源、分光计以及光探测器的性能常常是不稳定的。因此，通常必须经过校准处理，同时采用因此，通常必须经过校准处理，同时采用测量相对比值测量相对比值的的方式以补偿上述因素的变化对测量的影响，所以通常测取方式以补偿上述因素的变化对测量的影响，所以通常测取两个以上波长的光强信号。两个以上波长的光强信号。 1、光 纤 pH 值 探 测 技 术l这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的量溶液的PHPH值。值。l根据这种原理可以做成光纤根据这种原理可以做成光纤pHpH探头。探头。l图为光纤图为光纤pHpH探头的一种典型结构。探头的一种

40、典型结构。l探头是一个可渗透的薄膜容器，容器内装入直径为探头是一个可渗透的薄膜容器，容器内装入直径为 5-10m5-10m的聚丙酸脂小球，用指示剂将小球染色。的聚丙酸脂小球，用指示剂将小球染色。l由于指示剂的由于指示剂的透明度透明度在红色区域对在红色区域对pHpH值非常敏感，在绿色区值非常敏感，在绿色区域却与域却与pHpH值无关。值无关。l所以，当白光由光纤导入浸泡在被测溶液中的所以，当白光由光纤导入浸泡在被测溶液中的pHpH探头后，经探头后，经过用红酚染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液过用红酚染色的聚丙酸脂小球的散射，得到反映溶液pHpH值的值的光信号。光信号。 关 于 探 头散射光散射

41、光l光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使红光和光信号由光纤导出进入旋转的双色滤光器，从而使红光和绿光交替地投射到光电二极管探测器上；绿光交替地投射到光电二极管探测器上；l通过信号处理系统把这两种颜色通过信号处理系统把这两种颜色( (波长波长) )的光强信号的比值的光强信号的比值测量出来，测量结果直接反映被测溶液的测量出来，测量结果直接反映被测溶液的pHpH值。值。 光 纤 pH 值 探 测 技 术绿光绿光(1 1=558nm)=558nm)作为调制检测光，红光作为调制检测光，红光( ( 2 2 = 630nm) = 630nm)作参考光作参考光 采用双波长工作方式的目的l采用双波长工作

42、方式的目的是为了消除测量中多种因素所采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中多种因素所造成的误差。造成的误差。l取绿光取绿光(1 1=558nm)=558nm)作为调制检测光，红光作为调制检测光，红光( ( 2 2 = 630nm) = 630nm)作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为作参考光，探测器接收到的绿光与红光强度的吸收比值为 R R，pH pH 值与值与 R R 的关系为的关系为1010LckR式中，式中，k k、c c为常数；为常数；L L为试剂长度；为试剂长度； = pH - pK = pH - pK，其中其中pHpH是酸碱度，是酸碱度，pKpK是酸碱平衡常数。是酸

43、碱平衡常数。l上述光纤上述光纤pHpH探头要求光源和光探测器有足够高的温度稳定性，探头要求光源和光探测器有足够高的温度稳定性，以保证测量准确度。以保证测量准确度。l这种探头可用于测量血液的这种探头可用于测量血液的pHpH值，且值，且pHpH值在值在7 - 7.47 - 7.4的范围的范围内仪器具有内仪器具有0.010.01的分辨率。的分辨率。l可以看出，采用可以看出，采用不同的化学指示剂不同的化学指示剂，即可测量不同，即可测量不同pHpH值范围值范围的溶液。的溶液。 光 纤 pH 值 探 测 技 术 磷光体被紫外光照射磷光体被紫外光照射后，就发射一与温度后，就发射一与温度有关的光谱。有关的光谱

44、。 基于稀土磷光体的磷基于稀土磷光体的磷光光谱随温度变化而光光谱随温度变化而改变的原理可制成光改变的原理可制成光纤温度探测系统。纤温度探测系统。 光谱中光谱中 峰值峰值“a”a”为为红色谱线，而峰值红色谱线，而峰值“c”c”谱线为绿色。谱线为绿色。2、光纤磷光探测技术稀土磷光体稀土磷光体的的激励光谱激励光谱稀土磷光体稀土磷光体的的磷光光谱磷光光谱l光谱中红色光谱中红色“a”a”谱线的强度随温度升高而增加；谱线的强度随温度升高而增加； 两条谱线随温度的变化两者比值是温两者比值是温度的单值函数度的单值函数两者的比值是温度的单值函数，由于这两条谱线被照射谱中的两者的比值是温度的单值函数，由于这两条谱

45、线被照射谱中的相同部分激励，因而它们的比值与激励光谱基本无关。相同部分激励，因而它们的比值与激励光谱基本无关。而绿色而绿色“c”c”谱线则降低。谱线则降低。l图是利用图是利用磷光现象磷光现象制成的光制成的光纤温度探纤温度探测系统。测系统。 2、光纤磷光探测技术 2、光纤磷光探测技术l利用图所示的光学装利用图所示的光学装置能有效地测量上述置能有效地测量上述比值。图中采用干涉比值。图中采用干涉滤光片来进行光谱分滤光片来进行光谱分析。析。稀土磷光体稀土磷光体利用干涉滤光片利用干涉滤光片分析返回的光谱分析返回的光谱这里用了两个频谱分这里用了两个频谱分量不同的光电二极管量不同的光电二极管进行检测，因此，

46、校进行检测，因此，校正两者的差动漂移是正两者的差动漂移是非常重要的。非常重要的。l在图示的系统中，通过合适的信号在图示的系统中，通过合适的信号处理和采用秒级的信号积分时间之处理和采用秒级的信号积分时间之后，可得到后，可得到0.10.1的分辨率，准确的分辨率，准确度为度为11。l两个光电二极管的敏感波长不同，两个光电二极管的敏感波长不同，一个对一个对 1 1=540 nm=540 nm的光敏感，另的光敏感，另一个对一个对2 2 = 630nm = 630nm的光敏感。的光敏感。l经光电二极管转换成电信号，再经经光电二极管转换成电信号，再经过电子电路进行信号处理，如图过电子电路进行信号处理，如图

47、(b)(b)所示，得到相对光强与温度变所示，得到相对光强与温度变化的特性曲线。经校正可以得到输化的特性曲线。经校正可以得到输出相对光强与温度呈线性关系出相对光强与温度呈线性关系 2、光纤磷光探测技术 3、光纤黑体探测技术l通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。l对于理想对于理想“黑体黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克定律之一普朗克(Planck)(Planck)公式表述公式表述151012

48、TceCTE,kcmC4412.12mcmW212110743cmWC.式中，式中， 是是“黑体黑体”发射的光谱辐射通量密度，单位为发射的光谱辐射通量密度，单位为TE,0 是光谱辐射的波长，单位为是光谱辐射的波长，单位为mm ；T T 是黑体绝对温度。是黑体绝对温度。第一辐射常数第一辐射常数第二辐射常数第二辐射常数l普朗克公普朗克公式阐明了式阐明了“黑体黑体”光谱辐射光谱辐射通量密度通量密度和温度及和温度及波长三者波长三者之间的关之间的关系，如图系，如图所示。所示。151012TceCTE,辐射通量密度和温度及波长三者之间的关系l光纤黑体探测技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐光纤黑体探测

49、技术，就是以黑体做探头，利用光纤传输热辐射波，不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头射波，不怕电磁场干扰，质量轻，灵敏度高，体积小，探头可以做到可以做到0.1mm0.1mm。l探头结构如图所示。探头结构如图所示。光纤黑体探测技术温度探头由光纤和具有薄金属膜的石英遮光体包住的光纤端温度探头由光纤和具有薄金属膜的石英遮光体包住的光纤端部组成。部组成。薄金属膜做成的壳体和外界热源相接触并感温。薄金属膜做成的壳体和外界热源相接触并感温。l根据黑体辐射定律，通根据黑体辐射定律，通过光纤把光能传输到光过光纤把光能传输到光探测器并转换成电信号。探测器并转换成电信号。l光电流和黑体辐射呈非光电流和黑体

50、辐射呈非线性关系。但通过信号线性关系。但通过信号处理可以部分地校正成处理可以部分地校正成线性，然后进行数字处线性，然后进行数字处理和显示。理和显示。 光纤黑体探测技术l这种探头不用外加光源，只用探头收集黑体辐射，故可制这种探头不用外加光源，只用探头收集黑体辐射，故可制成非常简单的光测高温计。成非常简单的光测高温计。l在在250-650250-650范围内，分辨率的典型值是范围内，分辨率的典型值是1 1 。l用这种原理测温的上限受石英的熔点温度的限制，下限受用这种原理测温的上限受石英的熔点温度的限制，下限受探测器灵敏度的限制。探测器灵敏度的限制。 光纤黑体探测技术能够完全吸收投射其表面的能够完全

51、吸收投射其表面的辐射的物体称为黑体。实验情辐射的物体称为黑体。实验情况中可用开有小孔的空腔代替况中可用开有小孔的空腔代替之。之。黑体辐射实验研究成果至关黑体辐射实验研究成果至关重要，完美理论结论由重要，完美理论结论由 planckplanck 给出。给出。位移定律指出位移定律指出 constTmkCconst82. 22 黑体辐射的维恩位移定律 维恩位移定律最大辐射波长随温度的增加向短波方最大辐射波长随温度的增加向短波方向移动。向移动。ucJu41constTm测得了最大辐射波长即可知晓温度。测得了最大辐射波长即可知晓温度。具体测量的是辐射通量密度具体测量的是辐射通量密度uJC C 为光速为光

52、速。 例子：测量涡轮发动机叶片温度装置信号处理系统信号处理系统压缩机引入洁净空气防污降温压缩机引入洁净空气防污降温用石英光纤以承受高温用石英光纤以承受高温发动机叶片发动机叶片蓝宝石透镜蓝宝石透镜：氧化铝晶体，熔点在：氧化铝晶体，熔点在20302030，可在可在500500，350N/(cm)350N/(cm)2 2 压力下工作。压力下工作。如果在发动机转子上再加装一个位置传感器，采用同步如果在发动机转子上再加装一个位置传感器，采用同步措施，则可测量任何一个指定叶片的温度。措施，则可测量任何一个指定叶片的温度。探头探头7.5 频率调制技术l采用频率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它采用频

53、率调制技术可以对有限的几个物理量进行测量。它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。测其运动速度。l当然，频率调制还有一些其它方法，如某些材料的吸收和当然，频率调制还有一些其它方法，如某些材料的吸收和荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及光纤的非线性荧光现象随外界参量也发生频率变化，以及光纤的非线性特性产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。特性产生的布里渊和拉曼散射也是一种频率调制现象。l本节主要讨论光纤多普勒传感器的频率调制机理。本节主要讨论光纤多普勒传感器的频率调制机理。光学多普勒效应光学多普勒效应l与前面强度

54、、相位、偏振调制不同，如果不计光纤的非线性与前面强度、相位、偏振调制不同，如果不计光纤的非线性特性特性( (如受激布里渊散射、喇曼散射等如受激布里渊散射、喇曼散射等) )，光纤传感中的频率，光纤传感中的频率调制，主要是指光学多普勒效应，光纤本身只起传光作用。调制，主要是指光学多普勒效应，光纤本身只起传光作用。利用这一效应可以感知流体的速度。利用这一效应可以感知流体的速度。l当光源和观察者作相对运动时，观察者接收到的光频率和光当光源和观察者作相对运动时，观察者接收到的光频率和光源发射的频率不同源发射的频率不同; ;l我们现在要讨论的问题是，光源和探测器都不动，但探测器我们现在要讨论的问题是，光源

55、和探测器都不动，但探测器探测从运动体散射或反射来的光波频率却是变化的，称之为探测从运动体散射或反射来的光波频率却是变化的，称之为光学多普勒效应光学多普勒效应。l多普勒效应广泛应用于雷达、气象、光学、声学以及核物理多普勒效应广泛应用于雷达、气象、光学、声学以及核物理学等领域，大多用于测量物体运动速度，液体的流量、流速学等领域，大多用于测量物体运动速度，液体的流量、流速等。等。l根据多普勒频率原理，采用激光作为光源的测量技术是研究根据多普勒频率原理，采用激光作为光源的测量技术是研究流体流动的有效手段。流体流动的有效手段。l例如，用例如，用HeNeHeNe激光器作光源，运动速度为激光器作光源，运动速

56、度为1 m1 ms s 的频移的频移达达1.6 MHz1.6 MHz，可测速度范围为，可测速度范围为1m1ms 100 ms 100 ms s。l它的主要特点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有它的主要特点是空间分辨率高，光束不干扰流动性，并具有跟踪快速变化的能力。跟踪快速变化的能力。l在许多特殊场合下，例如在测量密封容器中流体速度和生物在许多特殊场合下，例如在测量密封容器中流体速度和生物系统中血流速时，不能安装普通的多普勒装置，必须采用光系统中血流速时，不能安装普通的多普勒装置，必须采用光纤组成的具有微型探头的测量系统。纤组成的具有微型探头的测量系统。 光纤多普勒技术l设光源和观察者处于

57、同一固定位置。如果频率为设光源和观察者处于同一固定位置。如果频率为 f f 的光照的光照射在相对光速度为射在相对光速度为 v v 的运动物体上，那么观察者接收的运的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率动物体反射光频率 f f 1 1为为coscoscvfcvcvff11121221式中，式中，c c 是真空中的光速；是真空中的光速； 是光源至物体方向与运动方是光源至物体方向与运动方向的夹角。向的夹角。光学多普勒效应光学多普勒效应 双重多普勒效应l当光源和观察者处当光源和观察者处于相对静止的二个于相对静止的二个位置时，可当作双位置时，可当作双重多普勒效应来考重多普勒效应来考虑。虑。l先

58、考虑从光源到运先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体，再考虑从运动体到观察者。动体到观察者。l如图所示，其中如图所示，其中S S为光源，为光源，P P为运动为运动物体，而物体，而Q Q是观察是观察者。者。光源光源运动物体运动物体观察者观察者光频率光频率 f f 1 1光频率光频率 f f 2 2运动物体速度方向运动物体速度方向lP P 相对于光源相对于光源 S S 运动时，在运动时，在 P P 点所观察到的光频率点所观察到的光频率f f 1 1为为111coscvff212cos1cvff2121coscoscvff根据上述两式，并考虑实际上根据上述两式，并考虑实际上 v cv c，可近似把双重

59、多普勒频，可近似把双重多普勒频率方程表示为率方程表示为频率频率f f 1 1 的光通过物体的光通过物体P P 的散射重新发出来，在的散射重新发出来，在Q Q 处所观察处所观察到的光频率到的光频率f f 2 2 为：为： 双重多普勒效应 光纤多普勒测速装置简介l光纤多普勒系光纤多普勒系统的主要优点统的主要优点是发射和接收是发射和接收光学元件不需光学元件不需要重新定线就要重新定线就可调整测量区可调整测量区的位置。的位置。l典型的光纤多典型的光纤多普勒测速装置普勒测速装置如图所示。如图所示。l激光通过偏振分束激光通过偏振分束器和输入光学装置器和输入光学装置射入多模光纤，光射入多模光纤，光纤的另一端插

60、入流纤的另一端插入流体中以便测量流体体中以便测量流体或其中粒子运动速或其中粒子运动速度。度。 光纤多普勒测速装置简介散射光是随机偏振光，因此返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回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。射到光探测器。光在流体中散射，其中一部光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光分散射光被光纤收集，沿光纤返回。纤返回。偏振分束器偏振分束器是以熔融拉锥技术制成的一是以熔融拉锥技术制成的一种特殊的耦合器。通过这一器件，能将种特殊的耦合器。通过这一器件，能将两个正交偏振模分离两个正交偏振模分离( (分束分束) )，可以认为，可以认为它是一个纤维型的它是一个纤维