第5章-相位調(diào)制型光纖傳感器課件

1、第5章相位調(diào)制型光纖傳感器5.1相位調(diào)制型光纖傳感器和光纖相位調(diào)制的原理5.2光纖干涉儀的類型5.3相位調(diào)制型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)5.4 纖干涉儀的傳感應(yīng)用實(shí)例5.1 相位調(diào)制型光纖傳感器和光纖相位調(diào)制的原理5.1.1 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本原理相位調(diào)制型光纖傳感器的基本原理是利用被測對(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， 導(dǎo)致光的相位變化， 并使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化， 通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量， 從而得到被測對(duì)象的信息。 相位調(diào)制型光纖傳感器的工作原理圖如圖5-1所示。 圖5-1 相位調(diào)制型光纖傳感器的工作原理圖確切地說， 相

2、位調(diào)制型光纖傳感器通過待測能量場對(duì)通過一段單模光纖傳輸?shù)南喔晒膺M(jìn)行相位調(diào)制, 其相位的變化就反映了待測場的大小。 由于光敏探測器無法響應(yīng)激光的高頻率, 所以待測場所產(chǎn)生的相位調(diào)制不可能直接被探測到, 通常應(yīng)先把相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制, 而后由探測光強(qiáng)的變化即可得知相位變化。 相位調(diào)制型光纖傳感器基于干涉原理， 具有高靈敏度、 高檢測分辨率、 傳感對(duì)象廣泛等優(yōu)點(diǎn)。 （1） 靈敏度高。 相位調(diào)制型光纖傳感器主要是利用光干涉原理來完成信號(hào)的檢測。 光學(xué)中的干涉法是已知最靈敏的探測技術(shù)之一。 （2） 靈活多樣。 相位調(diào)制型光纖傳感器的探頭的幾何形狀可按要求設(shè)計(jì)成不同的形式， 適用于不同的測試環(huán)境。 （

3、3） 對(duì)象廣泛。 不論何種物理量， 只要對(duì)干涉儀的光程有影響， 就可進(jìn)行測量。 可直接測量的物理量有應(yīng)力（壓力107Pa）、 應(yīng)變（107）、 溫度（108 ）、 電磁場。 （4） 相位調(diào)制型光纖傳感器其動(dòng)態(tài)測量范圍大， 響應(yīng)速度快。 5.1.2 光纖相位調(diào)制的基本原理光纖的相位調(diào)制是指當(dāng)傳感光纖受到外界機(jī)械振動(dòng)或溫度場的作用時(shí)， 外界信號(hào)通過光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、 熱應(yīng)變效應(yīng)、 彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致光纖中的光傳輸延遲， 引起相位變化， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。 其中， 當(dāng)外界擾動(dòng)作用于傳感光纖時(shí)引起光纜中光纖的長度和折射率等光學(xué)傳輸特性的變化，

4、從而引起傳輸激光光程發(fā)生變化， 進(jìn)而使感應(yīng)光纖中傳輸光相位發(fā)生變化的現(xiàn)象， 稱為光纖的“光彈效應(yīng)”。 波長為的激光在長度為l的光纖內(nèi)傳播后， 對(duì)應(yīng)的相位延時(shí)為(5.1-1)其中， 為光波傳播常數(shù)， n為光纖折射率， l 為光纖長度。 當(dāng)外界擾動(dòng)作用在光纖上時(shí)， 引起光的相位變化為(5.1-2)式（5.1-2）的第一項(xiàng)為擾動(dòng)產(chǎn)生光纖長度的變化進(jìn)而導(dǎo)致的傳輸光相位變化， 其中有 (5.1-3) 式（5.1-2）的第二項(xiàng)， 由于的變化而引起的f來源于兩個(gè)作用： (1) 彈光效應(yīng)： 引起了光纖折射率變化n； (2) 縱向應(yīng)變導(dǎo)致的光纖直徑變化D， 即(5.1-4)式（5.1-1）中， =neffR0，

5、 neff是光纖的等效折射率。 由于光纖纖芯和包層的等效折射率neff差別很小， 僅有1%， 忽略不計(jì)后， 可表示為=nk0 (5.1-5)即(5.1-6) 式（5.1-4）的第一項(xiàng)可寫為(5.1-7)第二項(xiàng)由泊松效應(yīng)引起， 與前兩項(xiàng)相比要小得多， 可忽略不計(jì)。將式（5.1-4）、 式（5.1-7）代入式（5.1-2）中， 可得通過進(jìn)一步推導(dǎo)可得式中， 是由光纖性質(zhì)決定的常量， 因此f與光纖的軸向應(yīng)變l 成正比， 與外界擾動(dòng)信號(hào)的力學(xué)量也成正比， 這樣外界擾動(dòng)信號(hào)力學(xué)量的變化轉(zhuǎn)化成為光學(xué)量的變化。 由式（5.1-2）可得 進(jìn)一步整理化為(5.1-10)(5.1-11)可以看出， 相位差f與光纖

6、引起的相位延遲 f 成正比關(guān)系。 在外界激勵(lì)信號(hào)一定的情況下， 即一定， 顯然通過增加傳感光纖長度 l 的方法， 可以提高相位檢測的靈敏度。 實(shí)際上采用反射鏡使光在光纖中傳輸兩次的方法， 可以在沒有增加傳感光纖長度的情況下， 達(dá)到相位延遲提高為2f效果。因此采用此方法得到的相位差可以表示為(5.1-12)有兩種反饋裝置可以實(shí)現(xiàn)光在光纖中傳輸兩次的目的： 其一， 在傳感光纖端面鍍以高反射系數(shù)的反射膜， 使得光纖中的光到達(dá)端面后以極高的比例重新耦合到光纖中； 其二， 在光纖反射端接法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)， 使得光被反射并重新耦合到傳感光纖的同時(shí)， 其偏振面發(fā)生90的旋轉(zhuǎn)。 在光纖干涉系統(tǒng)中， 偏振

7、態(tài)的隨機(jī)擾動(dòng)會(huì)造成干涉條紋不穩(wěn)定， 嚴(yán)重時(shí)干涉條紋將消失。 上述兩種反饋裝置， 都能夠在一定程度上克服發(fā)生外界擾動(dòng)時(shí)， 傳輸光偏振態(tài)變化導(dǎo)致干涉條紋消失的現(xiàn)象。 以下分別對(duì)上述兩種反饋裝置的特性進(jìn)行分析。 在單模光纖中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生線雙折射和圓雙折射（以及兩者疊加產(chǎn)生的橢圓雙折射）。 光纖對(duì)傳輸激光的偏振態(tài)的影響可用瓊斯矩陣來描述， 即 (5.1-13)由于外界干擾引起的雙折射一般都具有互易性， 設(shè)光纖中傳導(dǎo)的光波沿著單一方向從位置1到2， 描述偏振態(tài)變化的傳輸矩陣用J12表示， 同樣沿相反方向從2到1， 傳輸矩陣用J21表示， 如果外界干擾引起的雙折射表現(xiàn)互易性質(zhì)， 則兩瓊斯矩陣J21=JT1

8、2， 以下計(jì)算均假定為互易性雙折射。 當(dāng)使用光纖端面鍍膜形成反射面或平面鏡時(shí)， 我們假定為完全反射， 當(dāng)存在線雙折射時(shí)， 此反饋光路的傳輸矩陣JFL為(5.1-14)可見， 此時(shí)線雙折射沒有被抵消， 而是出現(xiàn)了倍增。 當(dāng)存在圓雙折射時(shí)， (5.1-15)此時(shí)， 具有互易性的圓雙折射被完全抵消。 當(dāng)光波反饋裝置采用法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡時(shí)， 將偏振面旋轉(zhuǎn)90， 此時(shí)反饋光路的傳輸矩陣可以表示為(5.1-16)可見， 通過反饋光路的作用， 雙折射被完全抵消。 從以上推導(dǎo)可以得到， 采用鍍膜反射面時(shí)， 由于傳輸光被兩次調(diào)制， 光纖相位靈敏度可以提高一倍， 而且通過傳輸矩陣的推導(dǎo)可見， 反饋光路的存在能夠有

9、效地抵消圓雙折射對(duì)光路的影響， 而且結(jié)構(gòu)簡單、 容易實(shí)現(xiàn)； 當(dāng)采用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為光反射面時(shí)， 能夠完全消除傳感光纖中任何互易性的雙折射， 從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。5.2 光纖干涉儀的類型光纖干涉儀是干涉型光纖傳感器的核心， 它依據(jù)的原理是光源發(fā)出的光通常被分成兩束或多束， 沿著不同的路徑傳播之后， 分開的光束會(huì)再次會(huì)合， 并到達(dá)同一探測器。 若這兩束光的振幅分別為A1和A2， 其中一束光因?yàn)槟撤N因素(壓力、 溫度等)的影響而被調(diào)制， 則會(huì)與另一束光發(fā)生干涉。 干涉后的光強(qiáng)可表示為(5.2-1)式中， f為相位調(diào)制導(dǎo)致的兩相干光束之間的相位差。 通過檢測干涉光強(qiáng)的變化， 可以確定兩相干光束間

10、相位的變化， 從而得到外部參量的數(shù)值。 常用的光纖干涉儀主要有四種： 邁克爾遜(Michelson)光纖干涉儀、 馬赫-澤德爾(Mach-Zehnder)光纖干涉儀、 薩格納克(Sagnac)光纖干涉儀和法布里-珀羅(Fabry-Perot)光纖干涉儀。 5.2.1 邁克爾遜光纖干涉儀邁克爾遜光纖干涉儀原理如圖5-2所示。 由圖5-2可以看出， 激光器輸出的單色光由分束器分成光強(qiáng)相等的兩束光。 其中一束射向固定反射鏡， 然后反射回分束器， 其中有一部分光經(jīng)分束器透射并由光探測器接收， 而被分束器反射的那部分光則返回到激光器。 另一束光入射到可移動(dòng)反射鏡上， 然后反射回分束器上， 經(jīng)分束器反射的

11、一部分光傳至光探測器上， 而另一部分經(jīng)分束器透射， 返回到激光器。 當(dāng)兩反射鏡到分束器間的光程差小于激光器的相干長度時(shí)， 射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉。 兩相干光的相位差為f=2k0l。 式中， k0是光在空氣中的傳播常數(shù)， 2l是兩相干光的光程差。 可移動(dòng)反射鏡每移動(dòng)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， 即變化一個(gè)周期。 由光強(qiáng)的變化可知應(yīng)變的大小。 如果使用He-Ne激光器， 這種技術(shù)能檢測107m 級(jí)的位移。 圖5-2 邁克爾遜光纖干涉儀原理圖為了克服空氣受環(huán)境條件影響所導(dǎo)致的空氣光程的變化， 可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。 圖5-3表示邁克爾遜全光纖

12、干涉儀的結(jié)構(gòu)。 圖中以一個(gè)3 dB耦合器取代了分束器， 光纖光程取代了空氣光程， 而且以敏感光纖作為相位調(diào)制元件。 這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測場的干擾影響， 還免除了每次測量要調(diào)光路準(zhǔn)直等繁瑣的工作， 使其更適于現(xiàn)場測量， 更接近實(shí)用化。 圖5-3 邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)5.2.2 馬赫-澤德爾光纖干涉儀馬赫-澤德爾干涉儀原理如圖5-4所示， 它與邁克爾遜干涉儀有一些相同之處。 同樣， 從激光器輸出的光束先分后合。 兩束光由可動(dòng)反射鏡的位移引起相位差， 并在光探測器上產(chǎn)生干涉。 這種干涉儀能探測小至1013 m的位移。 這種干涉儀具有與邁克爾遜干涉儀不同的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)： 沒有或很少有光返回

13、到激光器。 返回到激光器的光會(huì)造成激光器的不穩(wěn)定噪聲， 對(duì)干涉測量不利。圖5-4 馬赫-澤德爾光纖干涉儀原理圖此外， 由圖5-4可以看到， 從分束器2向上還有另外兩束光， 一束是上面水平光束的反射部分， 另一束是垂直光束的透射部分。 如果需要， 也可以用這兩束光的干涉光強(qiáng)獲得第二個(gè)輸出信號(hào)。 這在一些應(yīng)用上是很方便的。 作為一個(gè)工程實(shí)用的傳感器， 最好采用全光纖干涉儀。 圖5-5表示M-Z全光纖干涉儀的基本結(jié)構(gòu)， 以這個(gè)基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)還有很多變態(tài)結(jié)構(gòu)。保證全光纖干涉儀的工作點(diǎn)穩(wěn)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(tài)。 所謂“正交狀態(tài)”， 是指干涉儀的兩臂光波間的相對(duì)

14、相位為90。 正交檢測方式的優(yōu)點(diǎn)是探測相位靈敏度最高。 圖5-5中參考臂采用了PZT圓筒， 通過閉環(huán)反饋激勵(lì)來保證正交條件。 這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是， PZT的相位調(diào)態(tài)范圍只有2， 因此當(dāng)所需校正的相位漂移超出該范圍時(shí)， 系統(tǒng)將有一個(gè)瞬態(tài)輸出。 相位漂移主要是由溫度變化引起的。 因此， 該系統(tǒng)要求環(huán)境溫差不能太大。 圖5-5 M-Z光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)5.2.3 薩格納克光纖干涉儀薩格納克干涉儀是利用薩格納克效應(yīng)構(gòu)成的一種干涉儀， 其原理如圖5-6所示。 激光器輸出的光由分束器分為反射和透射兩部分， 這兩束光由反射鏡反射形成傳播方向相反的閉合光路， 然后在分束器上會(huì)合， 被送入光探測器中， 同時(shí)也有一部

15、分返回激光器。 圖5-6 薩格納克光纖干涉儀原理圖在這種干涉儀中， 把任何一塊反射鏡在垂直它反射表面的方向上移動(dòng)， 兩光束的光程變化都是相同的。 因此， 根據(jù)雙光束干涉的原理， 在光探測器上探測不到干涉光強(qiáng)的變化。 但是， 當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上， 且平臺(tái)以角速度動(dòng)時(shí)， 根據(jù)賽格納克效應(yīng)， 兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光探測器的延遲不同， 若平臺(tái)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)， 則在順時(shí)針方向傳播的光較逆時(shí)針方向傳播的光有所延遲。 這個(gè)相位延遲量可表示為=（8A0c）。 式中， 為旋轉(zhuǎn)率， A是光路圍成的面積， c是真空中的光速， 0是真空中的光波長。 這樣， 通過探測器檢測干涉

16、光強(qiáng)的變化， 便可確定旋轉(zhuǎn)角速度。 因此， 薩格納克干涉儀是構(gòu)成光纖陀螺儀的基礎(chǔ)。 光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)見圖5-7。 其靈敏度比空氣光程的薩格納克干涉儀要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 首先是由于采用若干圈光纖增加了干涉儀環(huán)的有效面積， 其次是由于利用了電子探測技術(shù)， 其相移表達(dá)式為=(8NA0c)， 式中， N是光纖環(huán)的匝數(shù)。 圖5-7 光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)5.2.4 法布里-珀羅光纖干涉儀由圖5-8可知， 法布里-珀羅光纖干涉儀由兩塊部分反射、 部分透射、 平行放置的反射鏡組成。 其原理如圖5-9所示。圖5-8 法布里-珀羅光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)圖5-9 法布里-珀羅光纖干涉儀原理圖在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜，

17、其反射率通常達(dá)95%以上。 由激光器輸出的光束入射到干涉儀， 在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面作多次往返， 透射出去的平行光束由光探測器接收。 這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區(qū)別是， 前幾種干涉儀都是雙光束干涉， 而法布里-珀羅干涉儀是多光束干涉。 根據(jù)多光束干涉的原理， 探測器上探測到的干涉光強(qiáng)的變化為(5.2-2)式中，R是反射鏡的反射率；是相鄰光束間的相位差。 由上式可知， 當(dāng)反射鏡的反射率R值一定時(shí)， 透射的干涉光強(qiáng)度隨變化。當(dāng)=2n(n為整數(shù))時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值I0； 當(dāng)=(2n+1)(n為整數(shù))時(shí)， 干涉光強(qiáng)有最小值(1R)/(1+R)2I0。 可見， 反射率R越大， 干涉光強(qiáng)變化越顯著，

18、 即有高的分辨率， 這是法布里-珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。 通常， 可以通過提高反射鏡的反射率來提高干涉儀的分辨率， 從而使干涉測量有極高的靈敏度。 上述干涉儀型傳感器有個(gè)共同之處： 在每種傳感器中， 光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。 這些分開的光束沿不同光路傳輸之后， 又重新合路并激勵(lì)光敏檢測器。 這些干涉儀有極高的靈敏度， 還具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍， 可用于檢測位移， 還可用于測量應(yīng)變和應(yīng)力。 然而由于對(duì)使用環(huán)境的嚴(yán)格要求， 限制了它們在實(shí)際條件下的應(yīng)用。如果用單模光纖作為干涉儀的光路， 就可立即取消對(duì)光路長度要求相當(dāng)苛刻的限制。 1 km左右的光路長度是容易實(shí)現(xiàn)的， 并且正在實(shí)用之

19、中。 目前能用于惡劣環(huán)境的極小、 長壽命的固體激光器和光檢測器， 以及一些光路元件， 如腐蝕或搭接的光纖-光纖耦合器， 以及與它們相應(yīng)的集成光學(xué)元件能夠從市場上買到。 因而， 光纖傳感器特別是相位型光纖傳感器的研究和應(yīng)用得到了很大發(fā)展。 一些小型的、 穩(wěn)定性高的和非常牢固的干涉儀型光纖傳感器已經(jīng)開始得到應(yīng)用。 邁克爾遜光纖干涉儀傳感器中， 信號(hào)光纖與參考光纖在同一環(huán)境中， 受環(huán)境的影響??； 另外， 光的發(fā)出與接受在同一側(cè)， 屬單端操作。 其最大測量范圍達(dá)到1500 ， 最高分辨力為2 。 馬赫-澤德爾干涉儀中， 用兩腐蝕的或搭接的3 dB耦合器代替兩只分束器。 它們可以把激光器的輸出光束分成相

20、等的兩束光， 也可以使從兩個(gè)光路傳來的光重新合并。這樣就可以直接把激光器的輸出光束耦合到光纖內(nèi)， 也可以相似地把光纖輸出直接耦合到兩個(gè)光探測器中。 因此， 在光源和檢測器之間， 該干涉儀只包含光纖元件。 如果把集成電路技術(shù)和目前的電光技術(shù)能力結(jié)合起來， 則可以把其他所有元件(包括激光器、 檢測器和信號(hào)處理器等)組裝在一小塊與光纖可以對(duì)接、 耦合簡單的小型集成片上。5.3 相位調(diào)制型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)技術(shù)5.3.1 零差法本節(jié)介紹M-Z干涉儀的被動(dòng)零差調(diào)解方法, 其調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)原理圖見圖5-10。 圖5-10 光纖M-Z干涉儀調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)原理圖光纖M-Z干涉儀作為傳感器， 直接測量會(huì)引起信

21、號(hào)測量誤差。 在干涉儀的參考臂上加上壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT)作為相位調(diào)制器， 調(diào)制頻率0， 幅度為C， 輸出光強(qiáng)為 I=A+Bcos(t)Ccos0tn (5.3-1)其中， (t)=Dcos t+ f(t)為信號(hào)與外界干擾所引起的相位變化之和， n=DC0利用Bessel函數(shù)對(duì)式(5.3-1)進(jìn)行Fourier分解。 同理， 有(5.3-2)(5.3-3)(5.3-4)從以上三式可以看出， 當(dāng)(t)=0時(shí)， 在輸出信號(hào)中， 從頻譜上看偶(奇)數(shù)倍角頻率出現(xiàn)在偶(奇)數(shù)倍角頻率0的兩側(cè)， 當(dāng)(t)=/2時(shí)， 偶(奇)數(shù)倍角頻率出現(xiàn)在奇偶數(shù)倍角頻率0的兩側(cè)。 這些出現(xiàn)在奇數(shù)或偶數(shù)倍角頻率0兩側(cè)的

22、邊帶信號(hào)攜帶著待檢測信號(hào)。 當(dāng)不加入載波信號(hào)0時(shí)， I=A+Bcos(t)， 若(t)=0， 則cos(t)=1， 信號(hào)將發(fā)生消隱或畸變。 5.3.2 22耦合器構(gòu)成的無源零差解調(diào)方法根據(jù)3 dB的22定向耦合器的特性， 出射的兩束光功率等比分配， 出射兩臂的相位差為入射兩臂相位差附加/2。 如圖5-11所示， 從光源L發(fā)出的光， 經(jīng)C1后分成兩束功率相等， 相位差/2的信號(hào)分別通過信號(hào)臂和參考臂進(jìn)入C2和C3中； 而進(jìn)入C2和C3的信號(hào)又各被分為功率相等且相位差/2的兩束， 這四束光中間兩束交叉與外側(cè)兩束分別進(jìn)入C4和C5； 如此設(shè)置后則經(jīng)過探測器D1D4， 在放大器的同相和反相輸入端分別得

23、到相差為的差分信號(hào)， 即(5.3-5)(5.3-6)(5.3-7)(5.3-8)式中忽略干涉條紋可見度， 且V0正比于輸入相干光強(qiáng)值的電壓常量兩兩相減， 就得到了正交的待解調(diào)信號(hào)VA、VB, 即 VA=VA+VA=V0cosS(t)+x (5.3-9) VB=VB+VB=V0sinS(t)+x (5.3-10) 根據(jù)三角函數(shù)以及復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)公式： (5.3-11)且 推導(dǎo)可知, (5.3-13)(5.3-12)由式（5.3-13）即可知， 干涉信號(hào)通過多組22耦合器建立正交偏置， 再由微分電路求出兩路微分信號(hào)值， 經(jīng)過乘法， 減法和積分電路電路即可得到得到S(t)+x。 考慮到當(dāng)x是基本不變或

24、者低頻的兩臂初始相差時(shí)， 在采用低通濾波之后， 可最終求出信號(hào)S(t)。5.3.3 基于33光纖耦合器的零差解調(diào)法33光纖耦合器解調(diào)法是一種比較新的解調(diào)技術(shù)， 是伴隨相位調(diào)解技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的， 其基本光路如圖5-12所示。 圖5-12 33光纖耦合器解調(diào)原理圖激光二極管發(fā)出的相干光經(jīng)22耦合器分成光強(qiáng)比為11的兩束光分別進(jìn)入信號(hào)臂和參考臂光纖， 再經(jīng)33對(duì)稱耦合器匯合相干形成調(diào)制的干涉條紋， 在終端采用光電探測器D檢測干涉光強(qiáng)的變化。 在光纖參量基本恒定的情況下， 信號(hào)臂與參考臂之間的相位變化正比于被測量的變化。 由于目前的光探測器不能直接探測或讀出相位差值， 故常采用干涉法將光的相位信

25、號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的干涉條紋光強(qiáng)變化。 輸出的3路信號(hào)分別為(5.3-14)(5.3-14)(5.3-15)式中： (t)=sr是傳感臂與信號(hào)臂的相位差， D和E是與耦合器有關(guān)的常數(shù)。 5.3.4 22和33耦合器結(jié)合的無源零差解調(diào)方法單純使用22耦合器組進(jìn)行相位解調(diào)很難取得良好的效果。 這是由于光源本身的功率波動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)峰值的波動(dòng)， 使得無法動(dòng)態(tài)跟蹤直流分量和交流分量幅值的變化； 如果直接采用模擬低通濾波電路， 不僅會(huì)濾掉一部分低頻信號(hào)， 還會(huì)造成各頻段相位延遲不同， 從而使由諧波組成的復(fù)合波形失真。 針對(duì)這些問題， 如為了更好地恢復(fù)波形， 動(dòng)態(tài)的跟蹤光源波動(dòng)造成的影響， 通常使用22和33耦合器

26、相結(jié)合構(gòu)成的無源零差解調(diào)方法。 與22耦合器組解調(diào)干涉方案相比， 圖5-13所示干涉解調(diào)結(jié)構(gòu)的光路相對(duì)簡單， 只需要一個(gè)22和一個(gè)33光纖定向耦合器以及三路探測器。 圖5-13 基于 23耦合器法的M-Z干涉儀由等功率分配（4.8 dB）的33耦合器的性質(zhì)可知， 三路輸出光強(qiáng)相等， 相鄰兩路之間的相位差為2/3， 則三端探測器(D0D2)的輸出為式中， D為干涉直流分量經(jīng)探測電路得到的電壓幅值； A為干涉交流分量經(jīng)探測電路得到的電壓幅值； m為對(duì)應(yīng)于耦合器三個(gè)臂的探測器序號(hào)（02）； Q(t)為式（5.3-13）中S(t)+x的簡化記法； Xm為式（5.3-17）中AcosQ(t)+(m1)2

27、/3的簡化記法。 （5.3-17）探測器輸出后的解調(diào)流程見圖5-14。 雖然可以采用濾波方式將式（5.3-17）中直流分量濾除， 但將會(huì)限制解調(diào)系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)的處理能力。 在圖5-14的解調(diào)過程中, 根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系， 有 將三路信號(hào)Um求和， 再乘以因子， 即可得到13。 再與各路Um相減， 即可分別去掉直流量D， 各路便只余下干涉信號(hào)的變化量Xm。 分別將Xm對(duì)時(shí)間求導(dǎo)， 得到（5.3-18）（5.3-19）圖5-14 解調(diào)信號(hào)處理原理框圖引用求和公式: 將每一路信號(hào)Xm與另兩路信號(hào)導(dǎo)數(shù)差相乘并求和， 消去余弦項(xiàng)， 可得(5.3-21)5.3.5 針對(duì)振動(dòng)幅度較大的信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)的方法從

28、干涉型光纖傳感器的調(diào)制原理可知， 光電探測器檢測到的干涉光強(qiáng)與外界振動(dòng)信號(hào)并非成正比關(guān)系， 與外界振動(dòng)信號(hào)成正比關(guān)系的是其產(chǎn)生的激光的相位變化， 為了得到相位變化信息， 必須使用相位解調(diào)算法從可測量的干涉光強(qiáng)中解調(diào)出該信息。 相位解調(diào)算法包括微分交叉相乘法和反正切法等， 以下將介紹針對(duì)振動(dòng)幅度較大的信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)的方法。 圖5-15為全光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)， 我們以該系統(tǒng)為例， 介紹相位解調(diào)原理。 為了使用干涉光強(qiáng)解調(diào)相位信號(hào)， 首先需要推導(dǎo)輸出光強(qiáng)與相位信號(hào)的關(guān)系表達(dá)式。 根據(jù)振動(dòng)頻譜分析原理， 任何一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)都可以分解為不同頻率的簡諧振動(dòng)的疊加。 圖5-15 全光纖分布式振動(dòng)傳感系

29、統(tǒng)為簡化分析起見， 我們假設(shè)圖5-15中(4)處的擾動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅度0、 角頻率為。 根據(jù)上節(jié)所述的光彈性效應(yīng)， 相位變化與擾動(dòng)成正比， 則在t時(shí)刻， 角頻率為的擾動(dòng)信號(hào)引起的傳輸光波相位變化叫(, t), 可以表示為(, t)=0sin(t)(5.3-22)圖5-16表示圖5-15系統(tǒng)中的傳感光纖部分。圖5-16 傳感光纖示意圖將擾動(dòng)點(diǎn)(4)離光纖反射端面(5)的距離設(shè)為L， 光往返傳輸兩次的時(shí)間為T， 則式中， neff是光纖纖芯等效折射率， c是真空中的光速。 由于兩束相干光分別經(jīng)過了兩次擾動(dòng)點(diǎn)， 即順時(shí)針的干涉光在t、 t+T時(shí)刻兩次經(jīng)過擾動(dòng)點(diǎn)， 逆時(shí)針的干涉光在t+、 t+T時(shí)刻兩次

30、經(jīng)過擾動(dòng)點(diǎn)， 因此， 兩相干光分別被擾動(dòng)信號(hào)調(diào)制兩次， 則由頻率為的擾動(dòng)引起的干涉光的相位差為(5.3-23)上式為振動(dòng)幅度f0、 角頻率為的單頻擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的兩路相干光的相位差， 該相位差亦即通過ADC采集到的干涉光強(qiáng)所需要解調(diào)出的相位信號(hào)。 對(duì)于含有各種頻率成分的真實(shí)擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)， 由于實(shí)施的擾動(dòng)是可疊加的， 因此得到兩路干涉光隨時(shí)間變化的相位差可以表示為(5.3-25)式中， (t)是總的相位差， i(, t)即式(5.3-24)中的(, t)， mi是與各個(gè)頻率信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)， 兩個(gè)PIN管接收到的干涉輸出光表示為(5.3-26)其中， P1(t)和P2(t)是33光纖耦合器的

31、輸出端口得到的隨時(shí)間變化的輸出功率(單位為W)， A、 B是與輸入光功率大小有關(guān)的一個(gè)常量，f為耦合器結(jié)構(gòu)決定的兩路相干光的初始相位差， 對(duì)于33光纖耦合器，f=2/3。 因此， 輸出的交流分量只與外界擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的兩路相干光的相位差有關(guān)。由于光纖的散射等原因造成在33耦合器的輸出光中含有幅度較大的非干涉信號(hào)， 散射光與在外界沒有擾動(dòng)的情況下通過相同傳輸路徑的干涉光構(gòu)成了系統(tǒng)的靜態(tài)光信號(hào)， 經(jīng)過PIN管后形成了電信號(hào)中的直流電平。 因此， 為了提高放大器的動(dòng)態(tài)范圍， 需要對(duì)PIN管輸出的信號(hào)進(jìn)行去直流， 其目的在于隔離不對(duì)稱的直流成分， 同時(shí)提高后續(xù)放大電路輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。 濾除直流信號(hào)后

32、， 當(dāng)(t)=0時(shí)， P1(t)= P2(t)=0， 即當(dāng)沒有擾動(dòng)時(shí)， 放大器輸出的兩路信號(hào)均為零。 根據(jù)33耦合器3個(gè)輸出端的對(duì)稱特性， 可以將33耦合器輸出的兩路干涉信號(hào)表示為(5.3-27)其中， (t)為外界信號(hào)， A(t)和B(t)是經(jīng)兩路放大器分別為與放大器相關(guān)的幅度系數(shù)， 均為干涉系統(tǒng)的固定相位差； 對(duì)于所使用的系統(tǒng)， 由于使用了33耦合器，f的值為2/3。 根據(jù)式（5.3-27）， 分析其中的一路信號(hào)I1(t)。 式中， A(t)cosf為常量， I1(t)的極大值和極小值分別為當(dāng)A(t)cos(t)+f)取得極大值和極小值的點(diǎn)， 即A(t)。 因此， x(t)的最大值為max

33、(x(t)=A(t)(1cosf)(5.3-28)x(t)的最小值為min(x(t)=A(t)(1+cosf) (5.3-29)由式（5.3-28）和式（5.3-39）可得同理可得(5.3-30)(5.3-31)將式（5.3-29）與式（5.3-30）相減， A(t)可以表示為 (5.3-32)(5.3-33)將式（5.3-29）與式（5.3-30）相減， A(t)可以表示為 (5.3-34)同理， B(t)可以表示為(5.3-35)將式（5.3-34）和式（5.3-35）代入式（5.3-27）的第一式得系統(tǒng)歸一化信號(hào)如下： (5.3-36)將式（5.3-34）和式（5.3-35）代入式（5.

34、3-27）的第二式可得系統(tǒng)歸一化信號(hào)如下： (5.3-37) 為了簡化計(jì)算， 將兩路信號(hào)分別相加相減表示為式：(5.3-38)(5.3-39)將式（5.3-38）和式（5.3-39）相除，f(t)可以表示為下式： (5.3-40)根據(jù)上述算法編程， 可以通過軟件技術(shù)將反映外界擾動(dòng)信號(hào)的干涉信號(hào)相位差價(jià)(t)如實(shí)還原出來。 該算法在LabVIEW平臺(tái)下能夠很容易實(shí)現(xiàn)， 且借助LabVIEW的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示工具， 以及強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理工具， 能夠?qū)ο到y(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行還原。 5.3.6 相位檢測中的幾個(gè)問題1. 相位檢測和強(qiáng)度檢測圖5-17為強(qiáng)度型光纖傳感器中的輸入與輸出的關(guān)系。 在傳感器中，

35、 由基帶輸入信號(hào)Sh振幅調(diào)制光源輸入Iin， 從而產(chǎn)生一個(gè)圖5-17(c)中曲線所示的輸出信號(hào)。 最后， 傳感器的振幅調(diào)制光輸出信號(hào)被光檢測器接收， 使光檢測器產(chǎn)生一個(gè)振幅調(diào)制的電輸出信號(hào)， 如圖5-17(d)所示。 圖5-17 強(qiáng)度型光纖傳感器中輸入與輸出的關(guān)系由于光的頻率一般約為1014 Hz， 光檢測器不能響應(yīng)這樣高的頻率， 也就是不能跟蹤以這樣高的頻率變化的瞬間值， 因而相位調(diào)制不能直接被探測到。 為了達(dá)到相位探測的目的， 在探測之前應(yīng)該用干涉測量技術(shù)把相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制， 將相位檢測轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度檢測。 圖5-18所示的長度為L的光纖， 從左端面輸入波長為的光波， 用0表示真空中的光

36、波長， n1表示光纖芯的折射率， 以光纖入口平面為基準(zhǔn)在右端面測得的相位角為圖5-18 光波通過長度為L的光纖并伸長L的相位變化如果L和0用同樣的單位表示， 則的單位為rad。 如果光纖的長度變化L， 如圖5-18所示，那么相對(duì)于入口的固定平面， 光纖有斷面的相位角變成： +=2n1(L+L)/0這里假定長度變化期間整個(gè)光纖中的n1值沒有發(fā)生任何變化。這一假定在很多情況下接近于實(shí)際情況。 圖5-18所示的光纖為干涉儀兩臂中的光纖， 上面的光纖為參考光纖， 下面的光纖為測量光纖。 設(shè)兩根光纖初始長度相同， 或長度差為2rad的整數(shù)倍， 此時(shí)， 光波被同時(shí)送入這兩根光纖的左端， 則最初兩光纖的輸出

37、是同相的。如果圖5-18下面那根光纖的長度由于外加物理場的作用而伸長， 那么干涉儀的輸出強(qiáng)度將減少， 直到下面那根光纖的長度伸長/2（即相移增加rad）時(shí)達(dá)到極小值。 如果下面那根光纖繼續(xù)伸長， 那么輸出幅度將增加， 直到下面那根光纖的長度再伸長/2， 即再增加rad相移時(shí)， 回到極大值。 對(duì)比波長大得多的長度變化， 物理擾動(dòng)P隨時(shí)間變化的速率與振蕩頻率f成正比， 即dPdt=Af， 式中， A為定標(biāo)因子， 通常與光纖長度成反比。 因而， 可通過檢測頻率得到所測物理量的值。 對(duì)于比波長小得多的長度變化(或者更準(zhǔn)確地說是相位)， 例如， 106rad的探測。 此時(shí)， 任何大的振幅漂移(變化)都會(huì)

38、大大地增加測量較小變化量的困難。 必須用補(bǔ)償器將振幅漂移加以補(bǔ)償。2. 共模抑制由激光源引起的光強(qiáng)波動(dòng)， 常稱為激光振幅噪聲。 激光振幅噪聲有時(shí)與被測信號(hào)產(chǎn)生的光強(qiáng)變化很難區(qū)分。 共模抑制是一種抵消激光振幅噪聲的方法。 對(duì)圖5-5中的M-Z光纖干涉儀， 若不考慮偏振效應(yīng)， 即假設(shè)偏振態(tài)是始終不變的， 則根據(jù)雙光束相干原理， 兩個(gè)光探測器接收到的光強(qiáng)分別為(5.3-42)式中，I為激光輸出光強(qiáng)(功率)， A為相位差， 為耦合系數(shù)， 與干涉儀兩臂光強(qiáng)及相干度成正比。 設(shè)有振幅波動(dòng)， 則用I+I分別代替方程式(5.3-42)中的I， 可得(5.3-43)式(5.3-43)中I/I是與的大小為同一數(shù)量

39、級(jí)的振幅波動(dòng)， 忽略了微小量I/I和的高次項(xiàng)， 進(jìn)一步得到： I1I2=IcosA (5.3-44)于是， 消除了激光輸出振幅中的波動(dòng)。 這種減法實(shí)際上是在差分放大器中用電的方法完成的。 差分放大器常置于光探測器之后。 采用共模抑制， 在低頻時(shí)， 最小可檢測相移可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。 當(dāng)頻率大于1 kHz時(shí)， 最小可檢測相移能達(dá)到107 rad。 同時(shí)， 由伴生模和多模工作引起的激光器噪聲也能被消除。 3. 相位跟蹤系統(tǒng)相位跟蹤系統(tǒng)的功能， 一是抵消任何不必要的大的低頻相位的漂移， 使干涉儀保持平衡； 二是提供保證干涉儀在正交狀態(tài)下工作的相移。 相位跟蹤系統(tǒng)由電路系統(tǒng)和光纖相位調(diào)制器組成。5.4

40、光纖干涉儀的傳感應(yīng)用實(shí)例5.4.1 邁克爾遜光纖干涉儀的應(yīng)用舉例邁克爾遜型全光纖加速度地震檢波器基于邁克爾遜光纖干涉儀原理， 通過簡諧振子中的敏感元件把外界的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)連接質(zhì)量塊的單模光纖的機(jī)械作用， 使其產(chǎn)生拉伸和壓縮， 根據(jù)光纖的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)， 這種光纖的長度變化實(shí)際是用外界信號(hào)來調(diào)制干涉臂中光波的相位， 而干涉儀把這種相位變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化并輸出。本檢波器信號(hào)處理系統(tǒng)采用交流相位跟蹤零差補(bǔ)償（PTAC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位探測和誤差補(bǔ)償， 用該技術(shù)從邁克爾遜光纖干涉儀的輸出光強(qiáng)中提取待測的加速度信號(hào)。 交流相位跟蹤零差補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是把相位中的帶限信號(hào)解調(diào)到不同的頻帶中， 進(jìn)而濾出待測的加

41、速度信號(hào)。 下面就詳細(xì)介紹檢波器的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。1. 檢波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5-19所示, 邁克爾遜型全光纖加速度地震檢波器系統(tǒng)由LD光源、3 dB光纖耦合器、 簡諧振子、 PIN光電探測器及信號(hào)處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。 圖中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的是高頻正弦波Amsin(mt)， 分兩路輸出， 一路通過加法器輸出給壓電陶瓷PZT， 對(duì)光波相位進(jìn)行調(diào)制和反饋補(bǔ)償； 另一路輸出給乘法器作為解調(diào)信號(hào)。 下面結(jié)合圖5-19介紹檢波器的工作原理。 圖5-19 邁克爾遜型全光纖加速度地震檢波器的系統(tǒng)示意圖由激光器LD發(fā)出的波長為1.3 m的光被耦合進(jìn)干涉儀后, 經(jīng)雙Y型分支波導(dǎo)分成兩路： 下一路為信號(hào)

42、臂， 上一路為參考臂。 信號(hào)光由于受到慣性質(zhì)量塊m對(duì)光纖的擠壓或拉伸， 使得經(jīng)全反射面反射的光相位含有加速度信息； 參考臂光纖纏繞在壓電陶瓷體上， 而壓電陶瓷通電會(huì)膨脹， 使光纖的長度發(fā)生變化。因此, 參考光經(jīng)全反射回到分束器的光相位是通電電壓的函數(shù)(包含調(diào)制信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào))。 兩路光在分束器中重新會(huì)聚， 產(chǎn)生干涉， 從而將對(duì)應(yīng)于外界加速度場變化的光波相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化， 再由PIN光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。 經(jīng)信號(hào)處理電路放大、 濾波、 調(diào)制補(bǔ)償和解調(diào)處理， 最后輸出與加速度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。 2. 簡諧振子及其靈敏度簡諧振子的結(jié)構(gòu)如圖5-20所示， 質(zhì)量塊框架與基底固為一體。 L

43、是光纖有效工作部分的長度， 為檢波器干涉系統(tǒng)中信號(hào)臂的一部分， 在A點(diǎn)處， 光纖與V形槽用膠固定。 工作時(shí)， 將傳感器置于被測場中， 利用人工震源方法使大地產(chǎn)生震動(dòng)， 簡諧振子也隨大地作加速度振動(dòng)， 因而質(zhì)量塊m產(chǎn)生位移會(huì)使光纖伸縮， 即光纖長度L發(fā)生變化， 根據(jù)光纖調(diào)制理論, 這種變化以光的相位變化的形式被檢測出來。 根據(jù)檢波器的結(jié)構(gòu)， 當(dāng)簡諧振子隨大地作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)， 長度為L的光纖中產(chǎn)生與加速度a成正比的應(yīng)變L/L， 對(duì)質(zhì)量塊m而言， 由牛頓第二定律可得(5.4-1)(5.4-2)式中， E是光纖的楊氏模量， A是光纖的橫截面積， a是外部加速度， K是彈簧片剛度系數(shù)。 圖5-20 簡諧

44、振子結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)光纖受到縱向（軸向）的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)， 光纖的長度（應(yīng)變效應(yīng)）、 纖芯的直徑（泊松效應(yīng)）、 纖芯折射率（光彈效應(yīng)）都將變化， 這些變化將導(dǎo)致光纖中光波的相位變化。 泊松效應(yīng)相對(duì)應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)造成的相位變化非常小， 通常可以忽略不計(jì)。 由式（5.4-2）可以得到由應(yīng)變效應(yīng)引起的光波相位調(diào)制為式中， 、 0光分別是光纖中的光傳播常數(shù)和波長。 在光纖振動(dòng)時(shí)， 光纖芯層的折射率也將發(fā)生變化， 即光彈效應(yīng)， 其引起光波相位的調(diào)制為(5.4-4)式中： P11、 P12是光彈系數(shù); 是光纖的泊松比; 3、 是縱向應(yīng)變; 1=3, 是橫向應(yīng)變。 這樣就得到載有加速度信息的有用信號(hào)為 fs

45、=fL+fn (5.4-5)把式(5.4-3)、 式(5.4-4)代入式(5.4-5)， 對(duì)簡諧振子分析可以得到所引起的光波相位調(diào)制為（5.4-6）其中， 1=3=(L/L)， E為光纖的楊氏模量， A為光纖的橫截面積， K為彈簧片剛度系數(shù)（0=1.3 m， n=1.458， =0.17， P11=0.126， P12=0.27， K=1.5 N/m， A=12.3103mm2，E=7.31010N/m2)，故相位靈敏度公式為(5.4-7)從式(5.4-3)可以看出， 式中載有有用加速度信號(hào)a， 這使待測信號(hào)轉(zhuǎn)化成了光相位變化， 并呈線性關(guān)系。 光相位靈敏度取決于式中各項(xiàng)常量和光路設(shè)計(jì)參數(shù)。

46、由于敏感元件的機(jī)械特性和設(shè)計(jì)參數(shù)決定了自然頻率和工作頻率范圍， 因此光相位靈敏度也就確定了。 此處， 傳感器為了獲得有用頻帶范圍1 Hz1066 Hz， 選擇光纖有效長度L=6 mm， 質(zhì)量塊m=0.3 g， 故光相位靈敏度度為Ka=1.72102 rad/ms2。3. 檢波器的頻率特性根據(jù)檢波器的傳感原理, 其振動(dòng)的力學(xué)模型和慣性體的瞬間受力模型可以簡化為如圖 5-21。圖5-21 慣性系統(tǒng)振動(dòng)的力學(xué)模型和慣性體受力圖圖5-21中， 未考慮靜止時(shí), 由重量所產(chǎn)生的彈簧片及光纖的靜形變, 因?yàn)檫@種情況不影響震動(dòng)微分方程, 可以忽略。 設(shè)檢波器與大地同時(shí)震動(dòng)瞬間的大地震動(dòng)量為xs, 慣性體相對(duì)靜

47、止時(shí)大地的位移為x, 則光纖及彈簧片的形變量為 L=xxs (5.4-8)(5.4-9)將式(5.4-8)代入式(5.4-9)， 得 變形整理得到檢波器的振動(dòng)微分方程為(5.4-10)(5.4-11)式中， m是慣性體的質(zhì)量， E是光纖的楊氏模量， A是光纖的橫截面面積， L是光纖的有效長度， K是兩彈簧片的等效剛度。 對(duì)式(5.4-11)作傅里葉變換， 整理可以得到變形得(5.4-13)(5.4-12) 設(shè)(5.4-14)則檢波器頻率響應(yīng)為式中， n為系統(tǒng)的固有角頻率。 將相關(guān)參數(shù)代入式(5.4-14)中， 得：系統(tǒng)的固有頻率為根據(jù)式(5.4-15)繪制的檢波器的H()n曲線如圖5-22所示

48、。 圖5-22 H()/n曲線當(dāng)=0時(shí), H()=1， 光纖檢波器理想地再現(xiàn)外界振動(dòng)隨時(shí)間變化的規(guī)律； 當(dāng)/n=00.3時(shí), H()在該范圍內(nèi)的變化不超過10%。 因此， 這個(gè)范圍是光纖檢波器的理想的工作范圍； 當(dāng)/n=0.31時(shí), H()1.1, 檢波器誤差較大, 不能正常工作； 當(dāng)/n=1時(shí), H()=, 光纖檢波器發(fā)生機(jī)械共振, 不能正常工作。當(dāng)/n=2時(shí), H()=1， 如果在數(shù)據(jù)處理中把測試信號(hào)反相， 則可不失真地恢復(fù)被測信號(hào)； 當(dāng)/n=1.31.5時(shí), H()在這個(gè)范圍內(nèi)的誤差小于10%， 如果在數(shù)據(jù)處理中把測試信號(hào)反相， 則這個(gè)范圍也是檢波器的理想工作范圍； 當(dāng)/n=11.3和/

49、n=1.5時(shí)， H()的誤差較大， 檢波器不能正常工作。 因此, 光纖檢波器有兩個(gè)工作頻率范圍， 即/n=00.3和/n=1.31.5。5.4.2 馬赫-澤德爾光纖干涉儀的應(yīng)用舉例隨著光纖技術(shù)的成熟， 基于全光纖的馬赫-澤德爾干涉儀的多種光纖器件由于其插入損耗小、 頻率響應(yīng)范圍寬、 原理簡單、 技術(shù)成熟、 檢測靈敏度高、 與光纖的兼容性好、 具有梳狀濾波特性等優(yōu)點(diǎn)而在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。 因此， 近年來， 光纖型馬赫-澤德爾干涉儀結(jié)構(gòu)頗受關(guān)注。 全光纖的馬赫-澤德爾干涉儀是一種重要的干涉器件， 它可以作為光時(shí)分復(fù)用器或者光纖傳感器， 等等。 馬赫-澤德爾干涉儀

50、最早使用在傳感器中, 它的兩個(gè)干涉臂， 一個(gè)稱之為參考臂， 另一個(gè)稱之為探測臂， 探測臂用來放入待測的環(huán)境中， 由于待測環(huán)境的影響， 在探測臂中傳輸?shù)墓庀鄬?duì)參考臂中的光獲得了新的相位差后， 在輸出的探測器上可觀察到干涉條紋的移動(dòng)， 從這個(gè)移動(dòng)中， 我們能獲得待測環(huán)境中的物理量的變化。 利用這一原理可以測量溫度、 電流、 電壓、 壓力、 磁場等方面的微小變化。 馬赫-澤德爾干涉儀的另一個(gè)重要用途是在光通信中。 馬赫-澤德爾干涉儀的探測臂相對(duì)于參考臂的相位差決定了它的兩個(gè)輸出端的狀態(tài)， 通過改變相位差， 可以對(duì)輸出狀態(tài)進(jìn)行控制。 現(xiàn)在的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中就利用這個(gè)特點(diǎn)把馬赫-澤德爾干涉儀做成各種光學(xué)器

51、件， 如光開關(guān)濾波器、 光調(diào)制器、 波分復(fù)用器等。 下面介紹馬赫-澤德爾干涉儀在傳感器方面的應(yīng)用。 1. 磁致伸縮效應(yīng)光纖電流傳感器檢測電流可以采用金屬被覆光纖， 也可采用磁致伸縮材料被覆光纖， 下面介紹磁致伸縮材料被覆單模光纖的方法。 磁致伸縮材料被覆的單模光纖可以作為馬赫-澤德爾干涉儀的測量臂， 在待測電流的作用下， 測量臂光纖中的光波產(chǎn)生相移。 根據(jù)干涉儀的原理， 相移將引起干涉條紋的移動(dòng)， 檢測條紋的移動(dòng)量， 即可反映出被測電流的大小。由圖5-23可見， 光纖套著鎳管， 其壁厚為0.1 mm， 長度為10 cm。 鎳是一種典型的磁致材料。 鎳管外套著一個(gè)待測電流通過的線圈， 線圈的阻抗

52、為5 ， 測量的電流為微安級(jí)。 當(dāng)被測電流通過線圈后， 將產(chǎn)生磁場并作用在鎳管上， 引起磁致伸縮， 從而使光纖發(fā)生形變， 這時(shí)干涉儀兩臂的光相位差將出現(xiàn)變化。 這就是磁致伸縮型馬赫-澤德爾光纖干涉儀用作電流檢測的原理。 具體的干涉儀結(jié)構(gòu)如圖5-24所示。 圖5-23 測量電流的光纖檢測裝置示意圖圖5-24 用作電流傳感器的全光纖馬赫-澤德爾干涉儀2. 馬赫-澤德爾光纖干涉儀對(duì)應(yīng)變的測量應(yīng)用馬赫-澤德爾干涉儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物理量的傳感測量， 如溫度、 壓力、 磁場、 超聲波等。 例如， 1992年， ADKersey等人提出了非平衡馬赫-澤德爾干涉儀法， 如圖5-25所示。 寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過3

53、 d耦合器入射到傳感光纖光柵， 其反射光經(jīng)另一耦合器進(jìn)入不等臂長的馬赫-澤德爾干涉儀(光程差為L)， 通過非平衡馬赫-澤德爾干涉儀把Bragg波長漂移轉(zhuǎn)化為相位變化。圖5-25 非平衡馬赫-澤德爾干涉儀示意圖由干涉儀原理可知， 干涉儀的輸出光強(qiáng)為(5.4-18)當(dāng)輸入光波長變化時(shí)， 其輸出光強(qiáng)為(5.4-19)通過檢測的值可知應(yīng)變的大小。 從上式可以看出， 直流分量產(chǎn)生的漂移對(duì)測量結(jié)果影響較大， 故在干涉儀中引入一相移補(bǔ)償反饋系統(tǒng)， 驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷PZT膨脹， 從而使纏繞于其上的光纖伸長， 導(dǎo)致兩路的光程差變化， 抵消直流零漂。 若干涉儀的兩臂相位差為(5.4-20)當(dāng)FBG傳感器反射波長的漂移

54、為B時(shí)， 引起的相位變化為 (5.4-21) 由探測器測得便可得到FBG波長變化量， 從而探知被測信號(hào)大小。 該裝置可以用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變的高分辨率測量(大于100 Hz)， 具有低于納米級(jí)的應(yīng)變分辨率， 500 Hz時(shí)其應(yīng)變分辨率可達(dá) 該方法的實(shí)質(zhì)是利用非平衡MZI將傳感光柵的波長變化轉(zhuǎn)化為相位變化， 通過對(duì)干涉儀輸出的相位信號(hào)檢測即可得到波長變化信息， 從而提高檢測靈敏度。 非平衡MZI檢測方法的最大優(yōu)點(diǎn)是分辨力高， 具有低于納米級(jí)的應(yīng)變分辨力， 利用此方法可以構(gòu)成時(shí)分復(fù)用分布式傳感系統(tǒng)。 該方法雖然能夠提供寬帶寬、 高解析度的解調(diào)能力， 但隨機(jī)相移使得該方法局限于測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變。 由于非平衡

55、MZI受環(huán)境干擾較大， 因此不適合絕對(duì)應(yīng)變的測量。 且干涉儀相位變化范圍決定其測量范圍非常有限， 并會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)波長測量的損耗， 不適用靜態(tài)檢測。 為了測量靜態(tài)參量必須配合一個(gè)固定環(huán)境中的參考光柵。 5.4.3 薩格納克光纖干涉儀的應(yīng)用舉例NOLM在測控領(lǐng)域和光纖通信領(lǐng)域有很多應(yīng)用， 下面將具體加以介紹。 1. 光纖陀螺儀光纖陀螺儀是薩格納克光纖干涉儀在測控領(lǐng)域應(yīng)用的代表， 它的應(yīng)用基于薩格納克效應(yīng)。 所謂薩格納克效應(yīng)， 指的是兩個(gè)相對(duì)傳輸?shù)碾姶挪ㄔ谵D(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位差。 在輸出端檢測出薩格納克合成相移， 就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)速來。 在光纖環(huán)中除了薩格納克引起相移以外， 互相位調(diào)制(XPM)也會(huì)引起有害的附加相移。 為限制XPM引起的相移以提高測量精度， 脈沖峰值功率應(yīng)小于10 nW以便大體上消除XPM效應(yīng)。 此外， 用適當(dāng)?shù)念l率調(diào)制(如熱噪聲或發(fā)光二極管)輸入脈沖或者其他一些技術(shù)也可以限制光纖環(huán)中的XPM。 光纖陀螺儀具