1、第八章第八章、光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理三、相位調制機理 相位調制光纖傳感器的基本傳感原理:通過被測能量場的作用，使光纖內傳播的光波相位發生變化，再用干涉測量技術把相位變化轉換為光強變化，從而檢測出待惻的物理量。 光纖中光的相位由光纖波導的物理長波、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定，可以表示為k0nL，其中k0為光在真空中的波數，n為傳播路徑上的折射率，L為傳播路徑的長度。一般說，應力、應變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導參數，產生相位變化，實現光纖的相位調制。aaLnnLLLLLLLL21.相位調制相位調制 相位調制是通過干涉儀進行的，在光纖干涉儀中，以敏感光纖作為相

2、位調制元件。敏感光纖置于被測能量場中，由于被測場與敏感光纖的相互作用，導致光纖中光相位的調制。式中，a為光纖芯的半徑；第一項表示由光纖長度變化引起的相位延遲(應變效應)；第二項表示感應折射率變化引起的相位延遲(光隙效應)；第三項表示光纖的半徑改變所產生的相位延遲(泊松效應)。(1)應力應變效應光波通過長度為L的光纖后，出射光波的相位延遲為光波在外界因素的作用下，相位的變化可以寫成如下形式縱向應變引起的相位變化徑向應變引起的相位變化光彈效應引起的相位變化一般形式的相位變化 實現縱向、徑向應變最簡便的方法是采用一個空心的壓電陶瓷圓柱筒(PZT)，在這個圓柱筒上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施

3、加驅動信號，由于PZT筒的直徑隨驅動信號變化，故纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖承受到應力，光波相位隨之變化。 若光纖放置在變化的溫度場中，并把溫度場變化等效為作用力F時，那么作用力F將同時影響光纖折射率、和長度L的變化。由F引起光纖中光波相位延遲為(2)溫度應變效應 式中第一項表示折射率變化引起的相位變化；第二項表示光纖幾何長度變化引起的相位變化，式中沒有考慮光纖直徑變化對相位變化的影響。若上式用溫度變化T和相位變化描述，則有2.光纖干涉儀光纖干涉儀 敏感光纖完成相位調制任務，干涉儀完成相位光強的轉換任務。 設有光振幅分別為A1和A2的兩個相干光束。如果其中一束光的相位由于某種因素的影響受到

4、調制，則在干涉域中產生干涉。干涉場中各點的光強可表示為：)cos(22122212AAAAA式中，是相位調制引起的兩相干光之間的相位差。(1)邁克爾遜(Michlson)光纖干涉儀兩相干光的相位差為：lk 02 當可移動反射鏡每移動l=/2長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變化一個周期。邁克爾遜全光纖干涉儀的結構：(2)馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀與邁克爾遜干涉儀之區別：與邁克爾遜干涉儀之區別： 1.它沒有光返回到激光器，利于激光器減少不穩定噪聲； 2.從分束器上也可以獲得兩束光，一為參考光的反射，一為信號光的透射，若需要，可利用這兩束光獲得第二個輸出

5、信號。馬赫-澤德全光纖干涉儀的基本結構： 保證全光纖干涉儀的工作點穩定是比較困難的。在零差檢測方式中，需要保證兩光纖臂間的正交狀態。所謂“正交狀態”，是指于涉儀的兩臂光波間的相對相位為90o。正交檢測方式的優點是探測相位靈敏度最高。(3)賽格納克(Sagnac)光纖干涉儀 當把這種干涉儀裝在一個當把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉的可繞垂直于光束平面軸旋轉的平臺上，且平臺以角速度平臺上，且平臺以角速度轉轉動時，根據賽格納克效應，兩動時，根據賽格納克效應，兩束傳播方向相反的光束到達光束傳播方向相反的光束到達光探測器的延遲不同。若平臺以探測器的延遲不同。若平臺以順時針方向旋轉，則在順時針

6、順時針方向旋轉，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲。這個相位延遲量播的光延遲。這個相位延遲量可表示為可表示為cA08光纖陀螺儀的結構：其相移表達式為：cNA08(4)法布里-珀羅(Febry-Perot)光纖干涉儀02)11() 12(IRRn時，干涉光強有最小值02In 時，干涉光強有最大值 這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區別是，前幾種千涉儀都是雙光束這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區別是，前幾種千涉儀都是雙光束干涉，而法布里一瑯羅干涉儀是多光束干涉。根據多光束干涉的原理，探干涉，而法布里一瑯羅干涉儀是多光束干涉。根據多光束干涉的原理，探測器上探測到的干涉

7、光強的變化為測器上探測到的干涉光強的變化為)2sin()1 (41/20RRII2)11(RR兩者之比為法布里-珀羅光纖干涉儀：四、頻率調制機理 它主要是利用運動物體反射或散射光的多普勒頻移效應來檢測其運動速度。 多普勒效應是指當光源和觀察者作相對運動時，觀察者按收到的光頻率和光源發射的頻率不同的現象。 設光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為設光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為f的光照射的光照射在相對光速度為在相對光速度為v的運動物體上，那么觀察者接收的運動物的運動物體上，那么觀察者接收的運動物體反射光頻率體反射光頻率f1為為cos)(1 cos)(1 12/1221cvfcvcvff式中，

8、是光源至觀察著方向與運動方向的夾角。 當光源和觀察者處于相對靜止的二個位置時，可當光源和觀察者處于相對靜止的二個位置時，可當作雙重多普勒效應來考慮。先考慮從光源到運動體，當作雙重多普勒效應來考慮。先考慮從光源到運動體，再考慮從運動體到觀察者。再考慮從運動體到觀察者。cos)(1 P11cvff點，在cos)(1 Q212cvff處，在 根據上述兩式，并考慮vc，可近似把雙重多普勒頻率方程表示為)cos(cos1 212cvff1.光纖多普勒技術光纖多普勒技術 激光通過偏振分束器和輸入光學裝置射入多模光纖，光纖的另一端插入流體中以便測量流體或其中粒子運動速度。光在流體中散射，其中一部分散射光被光纖收集，沿光纖