1、光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器光纖傳感器本章目的： 掌握光纖傳感器工作原理 掌握光纖陀螺的工作原理本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：v光纖陀螺工作原理光纖陀螺工作原理光纖傳感器光纖傳感器各種裝飾性光導(dǎo)纖各種裝飾性光導(dǎo)纖光纖傳感器光纖傳感器發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案?；A(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 1 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)圖光纖結(jié)構(gòu)圖介質(zhì)光波導(dǎo)裸光纖1-1-聚乙烯層聚乙烯層 2 2- -聚酯樹(shù)酯或?yàn)r青層聚酯樹(shù)酯或?yàn)r青層 3 3- -鋼絞鋼絞線層線層 4 4- -鋁制防水層鋁制防水層 5 5- -聚碳酸酯層聚碳酸酯層6-6-銅管或鋁管銅管或鋁管 7 7- -

2、石蠟烷烴層石蠟烷烴層 8 8- -光纖束光纖束光纜結(jié)構(gòu)圖光纜結(jié)構(gòu)圖2.光纖傳光原理 斯乃爾定理（斯乃爾定理（Snells LawSnells Law）n1n2ri i(a)(a)光的折射示意圖光的折射示意圖 rinnsinsin21基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)n1n2r ri i (b)(b)臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 1221arcsin90sinsinnnnncii基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)n1n2r ri i (c)(c)光全反射示意圖光全反射示意圖12arcsinnnci臨界入射角基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 光纖導(dǎo)光原理2201201arcsin()cnnn實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：實(shí)現(xiàn)全反射的臨界

3、入射角為：基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) : :定義為光纖的定義為光纖的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑，用，用NANA表示，反映纖芯接收光表示，反映纖芯接收光量的多少，是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。量的多少，是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。sinc數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NANAnnnccarcsinsin02221有關(guān)數(shù)值孔徑幾個(gè)重要結(jié)論有關(guān)數(shù)值孔徑幾個(gè)重要結(jié)論基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)是指光波沿光纖傳播的是指光波沿光纖傳播的途徑和方式途徑和方式，不同入射角度光線在界，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同，同，模式值模式值定義為：定義為：光纖模式光纖模式NAa2Va

4、a纖芯半徑；纖芯半徑； 入射光波長(zhǎng)入射光波長(zhǎng)基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)3.3.光纖分類光纖分類按折射率變化：基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)按傳播模式分：按傳播模式分：?jiǎn)文９饫w和多模光纖單模光纖和多模光纖基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖纖芯直徑小纖芯直徑小只能傳送一種模式只能傳送一種模式性能好、畸變小、線性好性能好、畸變小、線性好制造、連接、耦合困難制造、連接、耦合困難需要激光源需要激光源纖芯直徑較大纖芯直徑較大傳播模式較多傳播模式較多性能較差，帶寬較窄性能較差，帶寬較窄制造容易，耦合容易制造容易，耦合容易LEDLED光源光源多模漸變光纖多模漸變光纖多模階躍光纖多模階躍光纖基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)原因：原因：材

5、料吸收、散射和彎曲處的輻射損耗等。材料吸收、散射和彎曲處的輻射損耗等。定義：定義：每公里光纖對(duì)光功率信號(hào)的衰減值；每公里光纖對(duì)光功率信號(hào)的衰減值；表示：表示：(dB/km)(dB/km)式中式中光線損耗光線損耗 ；P Pi i、P Po o分別為光纖輸入輸出功率分別為光纖輸入輸出功率長(zhǎng)為長(zhǎng)為L(zhǎng) L的光纖衰耗：的光纖衰耗：10logioPP 衰耗系數(shù)衰耗系數(shù) 4 4. .光纖特性參數(shù)光纖特性參數(shù)LA基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)定義為：一公里長(zhǎng)的光纖，其輸出光功率信號(hào)下降到其最大值定義為：一公里長(zhǎng)的光纖，其輸出光功率信號(hào)下降到其最大值 的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的入射光信號(hào)的頻率。的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的入射光信號(hào)的頻率。由于光

6、信號(hào)是以光功率來(lái)度量的，所以其帶寬又稱為由于光信號(hào)是以光功率來(lái)度量的，所以其帶寬又稱為3dB3dB光帶寬光帶寬。即光功率信號(hào)衰減即光功率信號(hào)衰減3dB3dB時(shí)時(shí), ,輸出光功率信號(hào)減少一半。輸出光功率信號(hào)減少一半。 帶寬帶寬當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖輸入，經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度的光纖傳輸之后，其當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖輸入，經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度的光纖傳輸之后，其輸出端的光脈沖會(huì)變寬，甚至有了明顯的失真，這說(shuō)明輸出端的光脈沖會(huì)變寬，甚至有了明顯的失真，這說(shuō)明光纖對(duì)光纖對(duì)光脈沖有展寬作用光脈沖有展寬作用，即光纖存在著色散。，即光纖存在著色散。 單模光纖：?jiǎn)文９饫w：材料色散材料色散、波導(dǎo)色散；、波導(dǎo)色散；多模光纖：多模光纖：模式色

7、散模式色散一般來(lái)說(shuō)，光纖三種色散的大小順序是：一般來(lái)說(shuō)，光纖三種色散的大小順序是： 模式色散模式色散 材料色散材料色散 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 色散色散光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型1.1.光纖傳感器結(jié)構(gòu)光纖傳感器結(jié)構(gòu) 光是一種電磁波，其光是一種電磁波，其物理作用物理作用和和生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用主要因其中主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量量E E 的振動(dòng)，即的振動(dòng)，即tsinA AE EA A：電場(chǎng)：電場(chǎng)E E的振幅；的振幅； ：光波的振動(dòng)頻率：光波的振動(dòng)頻率：光相位；：光相位； t t：光的傳播時(shí)間：光

8、的傳播時(shí)間被測(cè)量調(diào)制：被測(cè)量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量A A的方向）、頻率和相位的方向）、頻率和相位解調(diào)：解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖光纖信號(hào)處理信號(hào)處理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器（b b）光纖傳感器）光纖傳感器信號(hào)處理信號(hào)處理電電 源源信號(hào)接收信號(hào)接收敏感元件敏感元件（a a）傳統(tǒng)傳感器）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線導(dǎo)線光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型2.2.光纖傳感器類型光纖傳感器類型 根據(jù)光纖在傳感器中的作用根據(jù)光纖在傳感器中的作用：非功能型

9、、功能型非功能型、功能型和和拾光型拾光型。（1 1）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器：光纖僅起導(dǎo)光作）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器：光纖僅起導(dǎo)光作用，用，只只“傳傳”不不“感感”。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及技術(shù)，易實(shí)現(xiàn)，成本低。無(wú)需特殊光纖及技術(shù)，易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：靈敏度較低。靈敏度較低。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（2 2）功能型（全光纖型）光纖傳感器：利用光纖在外界因素）功能型（全光纖型）光纖傳感器：利用光纖在外界因素作用下，其光學(xué)特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)作用下，其光學(xué)特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳傳”和和“感

10、感”的功能的功能。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，須用特殊光纖，成本高， 例子：例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（3 3）拾光型光纖傳感器：用光纖作為）拾光型光纖傳感器：用光纖作為探頭探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。射的光或被其反射、散射的光。 典型例子：典型例子：光纖激光多普勒速度計(jì)光纖激光多普勒速度計(jì)輻射式光纖溫度傳感器輻射式光纖溫度傳感器信號(hào)信號(hào)處理處理光受光受信

11、器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合器耦合器被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式：根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式：強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型、頻頻率調(diào)制型率調(diào)制型和和相位調(diào)制型相位調(diào)制型。（1 1）強(qiáng)度調(diào)制型：）強(qiáng)度調(diào)制型：利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量。來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量。v 應(yīng)用：應(yīng)用： 光纖力傳感器光纖力傳感器：利用微彎損耗利用微彎損耗 分布式輻射傳感器：分布式輻射傳感器：利用光損耗利用光損耗

12、分布式化學(xué)傳感器：分布式化學(xué)傳感器：利用化學(xué)染料對(duì)光的吸收利用化學(xué)染料對(duì)光的吸收光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（2 2）偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型：采用采用單模光纖單模光纖，利用外界因素改變單模光纖，利用外界因素改變單模光纖中中偏振光的偏振狀態(tài)偏振光的偏振狀態(tài)。 v 應(yīng)用：應(yīng)用： 電流電流、磁場(chǎng)傳感器：、磁場(chǎng)傳感器：法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)； 電場(chǎng)、電壓傳感器：電場(chǎng)、電壓傳感器：電光效應(yīng)電光效應(yīng)； 溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性雙折射性v 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高?？杀苊夤庠磸?qiáng)度變化的影響，靈敏度高。光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（3

13、3）頻率調(diào)制光纖傳感器：）頻率調(diào)制光纖傳感器：利用由被測(cè)對(duì)象引起的光利用由被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。頻率的變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。 手段：手段：通過(guò)光學(xué)通過(guò)光學(xué)多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)（聲學(xué)聲學(xué)）實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 光學(xué)多普勒效應(yīng)：光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)當(dāng)光源和光探測(cè)器都不動(dòng)光源和光探測(cè)器都不動(dòng)時(shí)，光時(shí)，光源發(fā)出的頻率為源發(fā)出的頻率為fofo的光波，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)體散射或反射后，的光波，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)體散射或反射后，由探測(cè)器接收到的光波頻率由探測(cè)器接收到的光波頻率fsfs發(fā)生變化。發(fā)生變化。 應(yīng)用：應(yīng)用：光纖多普勒測(cè)速儀光纖多普勒測(cè)速儀光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型探測(cè)器接收運(yùn)動(dòng)體反射探測(cè)

14、器接收運(yùn)動(dòng)體反射的光波頻率為：的光波頻率為： 1221(coscos)()(coscos)sosovffvfff 由于光源的波長(zhǎng)由于光源的波長(zhǎng)很短，很短，即使運(yùn)動(dòng)體的速度即使運(yùn)動(dòng)體的速度v v很很低，仍可以獲得較明顯低，仍可以獲得較明顯的多普勒頻移的多普勒頻移f f。光源光源觀測(cè)者觀測(cè)者被測(cè)量移動(dòng)速被測(cè)量移動(dòng)速度度v v被測(cè)量被測(cè)量21180 光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型（4）相位調(diào)制型：利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化。 光波的相位光波的相位 由光波長(zhǎng)由光波長(zhǎng)o(o(真空真空) )、介質(zhì)折射率、介質(zhì)

15、折射率n n及介質(zhì)及介質(zhì)長(zhǎng)度長(zhǎng)度L L決定。決定。 LL2光在光纖的傳播常數(shù):/2光在真空中的傳播波長(zhǎng):光纖中光纖的傳播波長(zhǎng):/00n光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型光纖傳感器結(jié)構(gòu)及類型v 應(yīng)用：應(yīng)用： 測(cè)力、測(cè)溫度、測(cè)力、測(cè)溫度、光干涉儀。光干涉儀。當(dāng)光纖受到當(dāng)光纖受到機(jī)械力機(jī)械力的作用，會(huì)使的作用，會(huì)使光纖長(zhǎng)度、芯徑、折射率光纖長(zhǎng)度、芯徑、折射率等發(fā)等發(fā)生變化，引起相位的變化。生變化，引起相位的變化。 LLLLLnLrLnr 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng) 彈光效應(yīng)彈光效應(yīng) 泊松效應(yīng)泊松效應(yīng)光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺1. 1. 陀螺儀（陀螺儀（gyroscopegyroscope）原理：原理

16、：一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子、支架、子、支架、內(nèi)環(huán)架、外內(nèi)環(huán)架、外環(huán)架，三軸環(huán)架，三軸作自由運(yùn)動(dòng)。作自由運(yùn)動(dòng)。機(jī)械陀螺（機(jī)械陀螺（Mechanical Gyro）光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺特性：定軸性和進(jìn)動(dòng)性。定軸性：定軸性：高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)任何外力矩時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)任何外力矩時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。定的方向

17、；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。進(jìn)動(dòng)性：進(jìn)動(dòng)性：轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。方向互相垂直。光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺產(chǎn)品：產(chǎn)品：陀螺方向儀、陀螺羅盤(pán)、陀螺垂直儀、陀螺垂直儀、速陀螺方向儀、陀螺羅盤(pán)、陀螺垂直儀、陀螺垂直儀、速率陀螺儀、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、陀螺儀傳感器等。率陀螺儀、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、陀螺儀傳感器等。分類：分類：機(jī)械陀螺儀、

18、激光陀螺儀、光纖陀螺儀、機(jī)械陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMSMEMS陀螺儀陀螺儀應(yīng)用：應(yīng)用：飛行器、航空、航海導(dǎo)航，穩(wěn)定船體，慣性導(dǎo)航，移動(dòng)飛行器、航空、航海導(dǎo)航，穩(wěn)定船體，慣性導(dǎo)航，移動(dòng)便攜設(shè)備定位。便攜設(shè)備定位。光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺光纖陀螺光纖陀螺(FOG)(FOG)是一種是一種基于基于SagnacSagnac原理原理的的相位調(diào)制型相位調(diào)制型光纖角速度傳感器光纖角速度傳感器，與傳統(tǒng)的陀螺相比，它內(nèi)部沒(méi)，與傳統(tǒng)的陀螺相比，它內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械旋轉(zhuǎn)元件，工作啟動(dòng)時(shí)間短，穩(wěn)定性好，壽有機(jī)械旋轉(zhuǎn)元件，工作啟動(dòng)時(shí)間短，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍寬，質(zhì)量輕，易于微型化，

19、保持著命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍寬，質(zhì)量輕，易于微型化，保持著較高的性價(jià)比。較高的性價(jià)比。2.2.光纖陀螺儀光纖陀螺儀光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺（1 1） SagnacSagnac效應(yīng)效應(yīng)薩格納克效應(yīng)：薩格納克效應(yīng)：在在同一閉合光路同一閉合光路中，中，從從同一光源同一光源發(fā)出的兩束發(fā)出的兩束特征相同特征相同的的光，以光，以相反的方向相反的方向進(jìn)行傳播，最后進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。系統(tǒng)靜止系統(tǒng)靜止無(wú)旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間無(wú)旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等：相等：光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺旋轉(zhuǎn)條件下旋轉(zhuǎn)條件下: :傳輸相位差：傳輸相位

20、差：系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)靜止系統(tǒng)靜止22RctRR ttcR24()42RLc ttcLRlc 22RctRR ttcR順時(shí)針傳輸?shù)墓饩€：順時(shí)針傳輸?shù)墓饩€：逆時(shí)針傳輸?shù)墓饩€：逆時(shí)針傳輸?shù)墓饩€：光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺 SagnacSagnac效應(yīng)是一種與介質(zhì)無(wú)關(guān)的純空間延遲，光纖折射率對(duì)效應(yīng)是一種與介質(zhì)無(wú)關(guān)的純空間延遲，光纖折射率對(duì)SagnacSagnac效應(yīng)相移沒(méi)有影響；效應(yīng)相移沒(méi)有影響； SagnacSagnac相移僅與閉合光路的面積或者光纖線圈的長(zhǎng)度直徑乘相移僅與閉合光路的面積或者光纖線圈的長(zhǎng)度直徑乘積成正比，與

21、閉合光路的形狀、旋轉(zhuǎn)軸的位置無(wú)關(guān)積成正比，與閉合光路的形狀、旋轉(zhuǎn)軸的位置無(wú)關(guān); ; SagnacSagnac效應(yīng)產(chǎn)生的相移，由于光速效應(yīng)產(chǎn)生的相移，由于光速c c(3(310108 8 m/s)m/s)出現(xiàn)在分母出現(xiàn)在分母中，通常其相移很小。中，通常其相移很小。光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺（2)2)光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理 光纖陀螺本質(zhì)上是光纖陀螺本質(zhì)上是一個(gè)一個(gè)環(huán)形干涉儀環(huán)形干涉儀，通過(guò)采用通過(guò)采用多匝光纖多匝光纖線圈線圈來(lái)增強(qiáng)相對(duì)慣來(lái)增強(qiáng)相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起性空間的旋轉(zhuǎn)引起的的SagnacSagnac效應(yīng)。效應(yīng)。光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理圖光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理圖 4 Rl

22、Nc IIo(cos()1光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺相位調(diào)制與解調(diào)技術(shù)相位調(diào)制與解調(diào)技術(shù)IIo(cos()1必須使用信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)！必須使用信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)！光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺按工作原理分：按工作原理分：干涉型光纖陀螺儀干涉型光纖陀螺儀(I(I- -FOG)FOG)，即第一代，應(yīng)用最廣泛。采用，即第一代，應(yīng)用最廣泛。采用多匝光纖圈來(lái)增強(qiáng)多匝光纖圈來(lái)增強(qiáng)SAGNACSAGNAC效應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；效應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；諧振式光纖陀螺儀諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)(R-FOG)，是第二代，采用環(huán)形諧振腔增，是第二代，采用環(huán)形諧振腔增

23、強(qiáng)強(qiáng)SAGNACSAGNAC效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，可采用較短光纖。效應(yīng)，利用循環(huán)傳播提高精度，可采用較短光纖。受激布里淵散射光纖陀螺儀受激布里淵散射光纖陀螺儀(B-FOG)(B-FOG)，第三代光纖陀螺儀比，第三代光纖陀螺儀比前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論研究階段。前兩代又有改進(jìn)，目前還處于理論研究階段。( (3 3) )光纖陀螺儀的分類：光纖陀螺儀的分類：光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺按回路類型分：按回路類型分： 開(kāi)環(huán)光纖陀螺開(kāi)環(huán)光纖陀螺和和閉環(huán)光纖陀螺閉環(huán)光纖陀螺v 開(kāi)環(huán)光纖陀螺開(kāi)環(huán)光纖陀螺: :不帶反饋，直不帶反饋，直接檢測(cè)光輸出，省去復(fù)雜的光接檢測(cè)光輸出，省去

24、復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu)學(xué)和電路結(jié)構(gòu). .缺點(diǎn)是靠增加缺點(diǎn)是靠增加單模光纖的長(zhǎng)度來(lái)提高陀螺的單模光纖的長(zhǎng)度來(lái)提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、靈敏度，輸入一輸出線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器感器 。開(kāi)環(huán)的干涉型光纖陀。開(kāi)環(huán)的干涉型光纖陀螺螺(IOFG)(IOFG)的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形雙光束干涉儀。形雙光束干涉儀。光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺系統(tǒng)采用系統(tǒng)采用偏置調(diào)制偏置調(diào)制提提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度；高信號(hào)檢測(cè)靈敏度；采用采用閉環(huán)控制閉環(huán)控制降低光降低光電檢測(cè)器工作范圍，電檢測(cè)器工作范圍，提高檢測(cè)精度。提高檢測(cè)精度。數(shù)字閉環(huán)光

25、纖陀螺數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺 光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺第一臺(tái)閉環(huán)光纖陀螺（第一臺(tái)閉環(huán)光纖陀螺（First Closed Loop Fiber Optic Gyro）光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺FOGFOG關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)FOGFOG微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)光源穩(wěn)定技術(shù)光源穩(wěn)定技術(shù)信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)傳感器的封裝與固化技術(shù)傳感器的封裝與固化技術(shù)信號(hào)處理技術(shù)信號(hào)處理技術(shù)溫度抗干擾技術(shù)溫度抗干擾技術(shù)探測(cè)器量子噪聲極限探測(cè)器量子噪聲極限1010100ppm100ppm大于動(dòng)態(tài)范圍大于動(dòng)態(tài)范圍140dB140dB；穩(wěn)定性穩(wěn)定性100ppm10

26、0ppm。工作溫度工作溫度-40-40120120直徑直徑10cm3cm10cm3cm、抗振動(dòng)、抗振動(dòng)、壽命壽命1010年以上。年以上。實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)DSPDSP；自適應(yīng)濾波自適應(yīng)濾波光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺FOGFOG的性能的性能光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺FOGFOG的應(yīng)用的應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺溫度瞬態(tài)的影響。溫度瞬態(tài)的影響。理論上，環(huán)形干涉儀中的兩個(gè)反向傳播光路是理論上，環(huán)形干涉儀中的兩個(gè)反向傳播光路是等長(zhǎng)的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí)才嚴(yán)格成立。實(shí)驗(yàn)證明，等長(zhǎng)

27、的，但是這僅在系統(tǒng)不隨時(shí)間變化時(shí)才嚴(yán)格成立。實(shí)驗(yàn)證明，相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量值的漂移與相位誤差以及旋轉(zhuǎn)速率測(cè)量值的漂移與溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)溫度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正成正比這是十分有害的，特別是在預(yù)熱期間。比這是十分有害的，特別是在預(yù)熱期間。振動(dòng)的影響。振動(dòng)的影響。振動(dòng)也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以振動(dòng)也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，必須采用適當(dāng)?shù)姆庋b以確保線圈良好的堅(jiān)固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計(jì)必須十分合理，防止產(chǎn)生確保線圈良好的堅(jiān)固性，內(nèi)部機(jī)械設(shè)計(jì)必須十分合理，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。共振現(xiàn)象。偏振的影響。偏振的影響。現(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光現(xiàn)在應(yīng)用比較多的單模光纖是一種雙偏振模式的光纖，纖，光纖的

28、雙折射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差光纖的雙折射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寄生相位差，因此需要偏振濾波。，因此需要偏振濾波。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會(huì)導(dǎo)致成本的增加。消偏光纖可以抑制偏振，但是卻會(huì)導(dǎo)致成本的增加。(4)光纖陀螺儀存在的技術(shù)問(wèn)題：光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用- -光纖陀螺光纖陀螺 目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美、日、德、法、意、俄等在光纖陀螺的研究方面取得較大進(jìn)步，一些的研究方面取得較大進(jìn)步，一些中低精度的陀螺中低精度的陀螺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，少實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，少數(shù)高精度產(chǎn)品開(kāi)始在軍方進(jìn)行裝備調(diào)試。數(shù)高精度產(chǎn)品開(kāi)始在軍方進(jìn)行裝備調(diào)試。 美國(guó)美國(guó)在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。以在光纖陀螺的研究方面一直保持領(lǐng)先地位。以斯坦福大斯坦福大學(xué)和麻省理工大學(xué)學(xué)和麻省理工大學(xué)為代表的科研機(jī)構(gòu)在研究領(lǐng)域中不斷取得突破。為代表的科研機(jī)構(gòu)在研究領(lǐng)域中不斷取得