相位调制型光纤传感课件

相位调制型光纤传感赵婧10300720238

定义：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。

由公式可知，光波的相位角与光纤长度L、纤芯n1和纤芯直径d（d的作用相比较前两者可以忽略不计）有关，光纤受到物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。当光纤受到物理量（应力、应变、温度等）作用时，其相位角变化为：于是就可以利用光的相位检测技术测量温度、加速度、压力、电流等物理量。之前说过我们需要将相位调制转换成强度调制，用于此种光的干涉测量技术的仪器有：(1)马赫－曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪；(2)麦克尔逊(Michelson)干涉仪；(3)法布里－珀罗(Fabry-Perot，简写为F-P)干涉仪；(4)塞格奈克(Sagnac)干涉仪；(5)白光干涉仪这些仪器的共同之处是：光源的输出光都被分束器（棱镜或低损耗光纤耦合器）分成功率相等的两束或几束光），并分别耦合到两根或是几根光纤中去，在光纤的输出端再将这些分离光束汇合起来，输到一个光电探测器中。在干涉仪中，利用锁相零差、合成外差等解调技术就可以检测出相位调制信号。光纤干涉仪光纤干涉仪与传统干涉仪相比有很多优点：1.容易准直；2.调整光纤长度改变光程差，提高灵敏度；3.封闭光路，不受外界干扰；4.动态范围较大原理：光纤干涉仪是干涉型传感器的核心，其原理是光源发出的光分束，沿不同路径传播后汇合，到达同一检测器。设两束相干光为I1、I2，其中一束受被测因素的影响，则干涉光强为：马赫－曾德尔(MZ)干涉仪光被分成两束光后，经过可动反射镜的位移获得两相干光束的相位差，最后在光探测器上产生干涉。MZ全光纤干涉仪模型温度与光相位及输出电流的关系：麦克尔逊(M)干涉仪两相干光的相位差为：

缺点：有光返回激光器从而造成干扰，使光源的光强不稳定。M光纤干涉仪模型法布里－珀罗(F-P)干涉仪由激光器射出的光，在两个相对的反射镜间进行多次反射，而透射出来的光则被光探测器所接受。此种干涉仪特别之处在于，它是多光束干涉仪，探测器上探测到的干涉光强变化为：当R一定时，透射光强随相位差而变化，可知光强的最大最小值之比为，故可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，所以其是最灵敏的位移测量装置之一。FP光纤干涉仪模型FP腔：当外界物理量作用于传感区域时，使FP腔间距发生微弱变化，进而引起相位和光强的变化。塞格奈克(Sagnac)干涉仪当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，若平台一角速度Q转动，则两束传播方向相反的光束达到光探测器就有不同的延迟。若平台以顺时针方向旋转，则在顺时针方向传播的光较反时针传播的光延迟大，这个相位延迟可以表示为：因此检测出光强的变化，就可以知道旋转速度。它是设计惯性导航系统中的环形光纤陀螺的基础。S光纤干涉仪模型白光干涉仪

照明光束经半反半透分光镜分成两束光，分别投射到样品表面和参考镜表面。从这两个表面反射的两束光再次通过分光镜后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹，故可以据此测出样品的相对高度。几种物理效应（一）应力应变效应：当光纤受到纵向或轴向机械应力作用时，光纤长度、芯径、折射率会发生变化，从而引起相位变化：几种典型的干涉型光纤传感器(a)光纤声传感器；(b)光纤振动加速度传感器；(c)光纤温度、压力传感器（二）热胀冷缩效应由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤是可以足够长的，因此，信号光纤对温度变化有很高的灵敏度，因而温度变化对相位调制影响也是一个重要作用。相位与温度关系如下：相位调制型光纤传感器特点1.灵敏度高；2.灵活多样；3.应用对象广泛；4.对光纤有特殊要求，单模传输参考文献：

张国顺《光纤传感技术》1988.10第一版；董海兵、王秋燕《光纤FP干涉仪的调制原理和算法基础》2009.6；