光纤传感技术

光纤传感技术第一页，共三十页，2022年，8月28日

本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上，重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最后对分布式光纤传感器作简要介绍。第二页，共三十页，2022年，8月28日10.3光相位调制型光纤传感器光相位调制是指被测量按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测量变化。其基本原理是利用被测量对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数等发生变化，而导致光的相位变化，然后通过相干检测来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。与其他调制方式相比，相位调制技术由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度，且探头形式灵活多样，适合不同测试环境。但要获得好的干涉效果，须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。第三页，共三十页，2022年，8月28日

10.3.1光相位调制原理光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。第一类为功能型调制，被测量通过光纤的力应变效应、热应变效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。第二类为萨格奈克(Sagnac)效应调制，被测量(旋转)不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制，即在传感光纤之外通过改变进人光纤的光程差实现对光纤中光相位的调制。第四页，共三十页，2022年，8月28日1.功能型光相位调制原理光纤中光的相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸等决定。当波长为λ0的相干光波通过长度为L的光纤传输时，相位延迟为

式中，β=n1k0为光波在光纤中的传播常数，k0为光在真空中的波数，n1为纤芯折射率，L为传播路径的长度，k0=2π/λ0。(10.2)第五页，共三十页，2022年，8月28日

当传感光纤受外界被测量如机械力或温场作用时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变化，其中的纵向应变效应使光纤的长度L变化(ΔL)；横向泊松效应使光纤的芯径2a变化(Δa)，进而导致传播常数β变化(Δβ)；弹光效应和热光效应使光纤的纤芯折射率n1变化(Δn1)。传感光纤的上述参数的变化都将引起光纤中的光相位的变化。式中，、和分别为光纤长度、纤芯折射率和纤芯直径变化所引起的相位移。第六页，共三十页，2022年，8月28日

一般情况下光纤的长度与纤芯折射率变化所引起的光相位变化要比纤芯的直径变化所引起的变化大得多，因此可以忽略纤芯的直径引起的相位变化。则光波的相位角变化为(10.4式中，为光纤的轴向应变，。)(10.4)第七页，共三十页，2022年，8月28日2.Sagnac效应光相位调制Sagnac效应的基本内容是:当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干涉。如图10.22所示，一半径为R的环形光路，以角速度Ω绕垂直环路所在平面并通过环心的轴旋转，环路中有两列光波同时从位置A处开始分别沿图10.22Sagnac效应第八页，共三十页，2022年，8月28日顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向相向传播。设光波在静止环路中传播一周所需时间为t,则t=2πR/ν，ν为环路中的光速，ν=c/n1。根据惯性运动原理，与环路旋转同向的CW波列在t时间内迟后到达A'点，经历的光程为(10.5)与环路旋转反向的CCW波列在t时间内超前到达A’点，经历的光程为(10.6)第九页，共三十页，2022年，8月28日CW、CCW两波列在环路中传播一周产生的光程差为(10.7)(10.8)式说明，在环形光路中相向传播的CW、CCW两光束之间的光程差与环路的角速度成正比，比例系数仅与环路面积及光速有关，而与环路中介质特性无关。令S=πR2，为环形光路的面积。则(10.7)式简化为(10.8)第十页，共三十页，2022年，8月28日由(10.8)式，可求出与光程差ΔL相应的相位差(10.9)

由(10.9)式可知，利用Sagnac效应被测量可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制，产生相应的CW、CCW两列光波的相位差。第十一页，共三十页，2022年，8月28日10.3.2光纤干涉仪

由于目前各类光探测器都不能敏感光的相位变化，所以必须采用干涉技术使相位变化转化为强度的变化，实现对外界被测量的检测。光纤传感器中的光干涉技术在光纤干涉仪中实现。与传统分离式元件干涉仪相比，光纤干涉仪的优点在于:①容易准直;②可以通过增加光纤的长度来增加光程来提高干涉仪的灵敏度;③封闭式光路，不受外界干扰;④测量的动态范围大等。传统的马赫一泽德(Mach一Gehnder)干涉仪、法布里一拍罗<F一P)干涉仪、迈克尔(Michlson)干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪都能制成相应的光纤干涉仪。第十二页，共三十页，2022年，8月28日

马赫一泽德干涉仪的结构如图10.23所示，激光器发出的相干光通过一个3dB耦合器分成两个相等的光束，分别在信号臂光纤S和参考臂光纤R中传输。外界信号S0(t)作用于信号臂，第二个3dB耦合器把两束光再祸合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别为(10.10)式中，I0为激光器发出的光强;α为祸合系数;△φ为两臂之间的相位差，包括S0(t)引起的相位差。（1）光纤马赫-泽德干涉仪第十三页，共三十页，2022年，8月28日

（10.10）式表明，马赫一泽德干涉仪将外界信号S0(t)引起的相位变化变换成光强度变化，经过适当的信号处理系统即可将信号S0(t)从光强中解调出来。图10.23光纤马赫一泽德干涉仪第十四页，共三十页，2022年，8月28日

(2)光纤迈克尔逊干涉仪图10.24是光纤迈克尔逊干涉仪的调制原理。激光器发出的光被3dB耦合器，分成两路人射到参考臂光纤R和信号臂光纤S，分别到达固定的光纤反射端面和可动光纤端面，反射回来的光再经3dB耦合器耦合到光探测器，外界信号S0(t)作用于可移动的信号臂。与马赫一泽德干涉仪类似，探测器接收到的光强为图10.24光纤迈克尔逊干涉仪第十五页，共三十页，2022年，8月28日(10.11)式中，I0为激光器发出的光强；△φ为S与R之间相位差，含S0(t)引起的相位差。(3)Sagnac光纤干涉仪

图10.25是一个Sagnac干涉仪的结构，激光器发出的光由3dB耦合器分成1:1的两束光，将它们耦合进人一个多匝(多环)单模光纤圈的两端，光纤两端出射再经3dB祸合器送到光探测器。探测器接收到的光强也可由(10.11)式表示，其中△φ为相位差，由(10.9)式表示。第十六页，共三十页，2022年，8月28日设圆形闭合光程半径为R，其中有两列光沿相反方向传播，当闭合光路静止时，两光波传播的光路相同，没有光程差;当闭合光路相对惯性空间以转速Ω顺时针转动时(设Ω垂直于环路平面)，这时顺逆时针传播光的光程不等，产生一个光程差，如图10.22所示。因此利用萨格奈克干涉仪可以测量转速Ω。其最典型应用是光纤陀螺，与其他陀螺相比，光纤陀螺具有灵敏度高，无转动部分，体积小，成本低等优点。光纤陀螺已成功地用在波音飞机以及其他导航系统中。图10.25Sagnac光纤干涉仪第十七页，共三十页，2022年，8月28日(4)光纤法布里一泊罗干涉仪

图10.26为光纤法布里一拍罗干涉仪的调制原理。白光由多模光纤经聚焦透镜进人两端设有高反射率的反射镜或直接镀有高反射膜的腔体，使光束在两反射镜(膜)之间产生多次反射以形成多光束干涉，再经探测器探测。其腔体结构分空腔、固体材料和反射式三种。根据多光束干涉理论，其输出光强为(10.12)图10.26光纤法布里－珀罗干涉仪第十八页，共三十页，2022年，8月28日式中，I0为人射光强；T为镜面的透射率；R为镜面的反射率；Δφ为两相邻光束的相位差，F为精细度。分别为(10.13)式中，n为F-P腔内介质折射率；B为腔体内光线与腔面法线的夹角(即人射光线在腔内的折射角)；d为两镜面之间的距离。第十九页，共三十页，2022年，8月28日

最早用于相位调制型光纤温度传感的光纤干涉仪为光纤马赫一泽德干涉仪，它是以传统的马赫一泽德干涉仪为基础，用光纤代替自由空间作为干涉光路，减少传统的干涉仪长臂安装和校准的困难，使干涉仪小型化，并可以用加长光纤的方法，使干涉仪对环境参数的响应灵敏度增加。如图10.27所示，其包括激光器、分光镜、两个祸合透镜、两根单模光纤(其中一根为参考光纤，一根为置于温度场中测试光纤)、光探测器等。10.3.3相位调制型光纤传感器1.马赫－泽德光纤温度传感器第二十页，共三十页，2022年，8月28日干涉仪工作时，激光器发出的激光束经分束镜分别送人长度基本相同的测试光纤和参考光纤，两光纤输出端会合在一起，则两束输出光即产生干涉，从而出现干涉条纹。当测试光纤受温度场作用时，产生相位变化，从而引起干涉条纹移动。干涉条纹移动的数量反映了被测温度的变化。光探测器接收干涉条纹的变化信息，并输出到适当的数据处理系统，得到测量结果。图10.27马赫－泽德光纤温度传感器第二十一页，共三十页，2022年，8月28日光纤温度传感器灵敏度以及相位移由下式给出：(10.14)式中，φ为相位移;Δφ为相位移变化；ΔT为温度变化；n1为光纤纤芯的折射率；εL为光纤的轴向应变；εr为光纤的径应变；p11、p12为光纤的光弹系数。(10.14)式中等号右边第一项代表温度变化引起的光纤光学性质变化而产生的相位响应；第二项代表温度变化使光纤几何尺寸变化引起的相位响应。当干涉仪使用的单模光纤的规格与长度已知时，则光纤的温度灵敏度等有关参数就是确定值。利用单模光纤的典型参数值Δφ/(φΔT)=0.71×10-5/℃。第二十二页，共三十页，2022年，8月28日2.法布里－珀罗光纤温度传感器图10.28法布里－珀罗光纤温度传感器第二十三页，共三十页，2022年，8月28日

法布里－珀罗光纤温度传感器由光纤法布里一拍罗干涉仪组成，如图10.28所示。它包括激光器、起偏器、显微物镜、压电变换器、光探测器、记录仪以及一根F-P单模光纤等。F-P光纤是一根两端面均抛光的并镀有多层介质膜的单模光纤，它是干涉仪的关键元件。F-P光纤的一部分绕在加有50Hz正弦电压的压电变换器上，因而光纤的长度受到调制。F-P光纤干涉仪中，只有在产生干涉的各光束通过光纤后相位差Δφ均为mπ（m是整数）时，输出才最大，因此探测器获得周期性的连续脉冲信号。当外界的被测温度使光纤中的光波相位发生变化时，输出脉冲峰值的位置将发生变化。为了识别被测温度的增减方向，要求激光器有两个纵模输出，其频率差为620MHz，两模的输出强度比为5:1。这样，根据对应于两模所输出的两峰的先后顺序，即可判断外界温度的增减方向。第二十四页，共三十页，2022年，8月28日3.迈克尔逊干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器是根据相干光的干涉原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大，目前普遍被认为是最有发展前途的水听器之一。光纤水听器系统的组成如图10.29所示，这是含有两个法拉第旋转镜(FRM)的迈克尔逊光纤干涉仪和直接调制光源的光纤水听器系统，并采用相位载波(PUC)零差检测解调方案。当光纤水听器位于水下时，由于远处螺旋桨发出的声波对光纤水听器信号臂与参考臂的作用不同，光通过两条光纤臂后的相位差Δφ会随着声波压力的变化而变化，相位差Δφ的变化会影响到干涉仪输出光强的变化，因此，通过对光强的检测可以得到有关声场的信息。图10.29中，ω0是光源载波信号的角频率；G和H分别为1倍和2倍载波信号发生器的信号幅度。第二十五页，共三十页，2022年，8月28日

PGL零差检测方案是一种开环检测方案，它利用远离水声信号频带的高频、大幅度载波信号对光纤干涉仪信号的初始相位进行调制，减少由于相位随机漂移对信号检测灵敏度的影响，并通过信号处理将声信号从载波信号中提取出来。光纤水听器采用的光纤为传统的低双折射单模光纤，光源为半导体激光器，波长为1.31μm,2只光纤祸合器均为3dB光纤定向耦合器。传感臂缠绕在1只压电陶瓷上，在干涉信号中引人频率为模拟传感信号。系统中采用的调制信号频率为30kHz。信号检测中电路全部由模拟运算电路实现。经测试，能够测到较为稳定的正弦模拟声信号。当所加模拟信号为5Hz－50kHz时，检测信号均能基本无失真检测。光纤水听器的声压灵敏度为-140dB左右，基准值为1V/μPa。由于单个的水听器无法探测到发声源的方位，实际应用时，需将多个光纤水听器进行组阵。第二十六页，共三十页，2022年，8月28日4.光纤陀螺

陀螺(Fiber-OpticGyroscope,FOG)是基于Sagnac效应、敏感角速率和角偏差的一种光纤传感器。光纤陀螺与机械陀螺相比具有明显的优点，并有逐步取代机械转子陀螺仪的趋势。光纤陀螺若按它的原理和结构，可分为干涉型光纤传陀螺(I-FOG)、谐振型光纤陀螺(R-FOG)、受激布里渊散射光纤陀螺(FRLG)。I-FOG，就其结构而言，又有开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺之分。以其相位解调方式来看，又可分为自差式和外差式光纤陀螺，其中自差式又分为调相、调频、锯齿波调制等形式。第二十七页，共三十页，2022年，8月28日I-FOG在结构上其实就是光纤Sagnac干涉仪，如图10.30所示。