光纖傳感器基本原理

第八章、光纖傳感器基本原理光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!三、相位調(diào)制機理相位調(diào)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(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)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(dǎo)的物理長波、折射率及其分布、波導(dǎo)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(shù)，n為傳播路徑上的折射率，L為傳播路徑的長度。一般說，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!1.相位調(diào)制相位調(diào)制是通過干涉儀進(jìn)行的，在光纖干涉儀中，以敏感光纖作為相位調(diào)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(dǎo)致光纖中光相位的調(diào)制。式中，a為光纖芯的半徑；項表示由光纖長度變化引起的相位延遲(應(yīng)變效應(yīng))；第二項表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲(光隙效應(yīng))；第三項表示光纖的半徑改變所產(chǎn)生的相位延遲(泊松效應(yīng))。(1)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)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光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!縱向應(yīng)變引起的相位變化徑向應(yīng)變引起的相位變化光彈效應(yīng)引起的相位變化一般形式的相位變化光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!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(yīng)變效應(yīng)式中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，則有光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!(1)邁克爾遜(Michlson)光纖干涉儀兩相干光的相位差為：當(dāng)可移動反射鏡每移動△l=λ/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。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!(2)馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀與邁克爾遜干涉儀之區(qū)別：1.它沒有光返回到激光器，利于激光器減少不穩(wěn)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信號。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!(3)賽格納克(Sagnac)光纖干涉儀

當(dāng)把這種干涉儀裝在一個可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上，且平臺以角速度Ω轉(zhuǎn)動時，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。若平臺以順時針方向旋轉(zhuǎn)，則在順時針方向傳播的光較逆時針方向傳播的光延遲。這個相位延遲量可表示為光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!(4)法布里-珀羅(Febry-Perot)光纖干涉儀

這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區(qū)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(jù)多光束干涉的原理，探測器上探測到的干涉光強的變化為光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!四、頻率調(diào)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(yīng)來檢測其運動速度。

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)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(fā)射的頻率不同的現(xiàn)象。設(shè)光源和觀察者處于同一位置。如果頻率為f的光照射在相對光速度為v的運動物體上，那么觀察者接收的運動物體反射光頻率f1為式中，θ是光源至觀察著方向與運動方向的夾角。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!1.光纖多普勒技術(shù)

激光通過偏振分束器和輸入光學(xué)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，沿光纖返回。散射光是隨機偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探測器。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!實現(xiàn)縱向、徑向應(yīng)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加驅(qū)動信號，由于PZT筒的直徑隨驅(qū)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(yīng)力，光波相位隨之變化。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!2.光纖干涉儀

—敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位—光強的轉(zhuǎn)換任務(wù)。設(shè)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調(diào)制，則在干涉域中產(chǎn)生干涉。干涉場中各點的光強可表示為：式中，△φ是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!▲邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)：光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!▲馬赫-澤德全光纖干涉儀的基本結(jié)構(gòu)：保證全光纖干涉儀的工作點穩(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)”，是指于涉儀的兩臂光波間的相對相位為90o。正交檢測方式的優(yōu)點是探測相位靈敏度最高。光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!▲光纖陀螺儀的結(jié)構(gòu)：其相移表達(dá)式為：光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!▲法布里-珀羅光纖干涉儀：光纖傳感器基本原理共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!當(dāng)光源和觀察者處于相對靜止的二個位置時，可當(dāng)作雙重多普勒效應(yīng)來考慮。先考慮從光源到運動體，再考慮從運動體到觀察者。根據(jù)上述兩式，并考慮v<<c，可近似把雙重多普勒頻率方程表示為光纖傳感器基本原理