第五章 相位调制型光纤传感器

利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测 外界物理量及其变化量的光纤传感器。
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。
优点
灵敏度高。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度， 可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了 干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉 仪小型化。 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探 头的形状可按使用要求设计成不同形状。 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的 光程产生影响，就可用于传感。

通过检测干涉光强的变化，可确定旋转角速度，是目前惯性导 航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。
萨格奈克光纤应变干涉仪基本光路原理图
传感器
由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组 成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常 达95％以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面 作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。
1 2
若分束器采用3dB耦合器（即半反半透透镜），有 I1=I2，则
I 2I1 1 cos
I 1 cos
通过测 I 就可以测得相位差
第一节
敏感光纤作为相位调制元件
决定相位变化的参数： 光纤的物理长度、折射率及分布、波导横向几何尺寸
k0nL（k0为光在真空中波数，n为传播路 径上的折射率，L为传播路径上的长度）
处理器
探测器 分束器或光束耦合器
相位调制干涉型光纤传感器基本结构
若设参考光和传感光的光矢量值分别为
E1 A1 cos t 1 E2 A2 cos t 2
当两光束满足相干条件时，合成光矢量为
E A cos t
其中，
A A A2 2 A1 A2 cos 1 2
k = 2 为光波在光纤中的传播常数， = 0 n 是光波在光纤中 的传播波长，0 是光波在真空中的传播常数，a为纤芯半径。
第一节
典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：
常 用 干 涉 仪 迈克尔逊(Michelson)干涉仪 马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
缺点
需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
第一节
※ 相位调制光纤传感器要求有相应 的干涉仪来完成相位检测过程
相位调制干涉型光纤传感器的必要组成
敏感光纤 完成相位调制任务 干涉仪 完成相位-光强转换任务
分束器或光束耦合器 HE-NE激光 调制器 参考光纤 传感光纤 被测场
应用：光纤力传感器、光纤压力传感器，光纤加速度 传感器，光纤磁场或电流传感器等
理论基础：
萨格纳克效应

工作过程：
激光经分束器分为反 射和透射两部分。这两束 光均由反射镜反射形成传 播方向相反的闭合光路， 并在分束器上会合，送入 光探测器，同时也有一部 分返回到激光器。

在这种干涉仪中，两光束的 光程长度相等。根据双束光 干涉原理，在光电探测器上 探测不到干涉光强的变化。
光源 探测器
3dB
参考臂
信号臂
特点
以3dB耦合器取代分束器，光纤光程取代空气光 程，以敏感光纤作为相位调制元件。
调制原理
敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感 光纤的相互作用，导致光纤中的光相位的变化或 光的相位调制。
工作原理：
光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等 的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然 后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信 号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤 中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波 在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由 与此端相连的探测器接收。
1 1’ 2’ 2 传感器
光束1射向固定反射 镜然后反射回分束器， 迈克尔逊干涉仪原理 再被分束器分解；透射 部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回 到激光器。
由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可 移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的 一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束 器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的 光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两 相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为
2 R(1 cos ) Ir I0 1 R 2 - 2 Rcos
4 2 nd cos
λ：光波波长 其中
R ：F-P腔端面反射率
θ ：光纤数值孔径NA=sinθ n：折射率（空气中n=1）
光纤
入射光 反射光
d F-P腔
高 反 射 率 镜 面
单光纤与镜面形成的F-P腔
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
工作过程：
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，两束传播方向相反的光束到达光电 探测器就有不同的延迟。若平台以角速度Ω顺时针旋 转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光 延迟大。这个相位延迟量可表示为：
8A k0 l 0 c Ω为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空 中光速；λ0为真空中的光波长
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
式中: R ——反射镜的反射率； ——相邻光束间的相位差。
当 2n （n为整数）时，干涉光强有最大值Imax=I0 当 (2n 1) 时，干涉光强有最小值
I min
1 R I0 1 R
2
2
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R I min 1 R
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
第一节
第一节
优点：
以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高 缺点：
以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体 积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境 因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同 时调整困难，限制在一般场合的实用性。 ※目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化， 必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度 变化，才能实现对外界物理量的检测。
光源
反 射 镜 光纤耦合器 光纤聚焦器 电子学系统 计算机
探 测 器
样 品
2
1
与迈克尔逊干涉仪相似，从激光器输出的光先 分后合；两束光由移动平面镜的位移获得两相干光 束的相位差，在光检测器上产生干涉。
2
1
独特优点：
没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好，对 干涉影响小。 可利用分束器2上水平反射光和垂直透射光获得 干涉光强信号，增强使用的方便性。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2
M2 1
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
影响相位变化的基础物理效应： 应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为

2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L k k (kL) k L n L a L n a
应变效应或 热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度 热光效应 小，一般不用）
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
M2
干涉条纹 的移动
当M 2 与 M 2 之 之间距离变大 时，圆形干涉 条纹向外扩张, 干涉条纹变密。
M2 1
优点：
结构简单，只需用一个半反半透镜
缺点：
两路光均有一部分返回光源，产生相干噪声； 光程差必须小于光源的相干长度.