干涉光纖傳感器

干涉光纖傳感器第一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六原子前后發(fā)出的兩列光波相互獨(dú)立沒有固定的位相關(guān)系兩個(gè)發(fā)光原子同時(shí)發(fā)出的波列形成的干涉圖樣只能在極短的時(shí)間內(nèi)存在接收器只能記錄到強(qiáng)度的平均值

*相干條件（產(chǎn)生干涉的條件）在觀察時(shí)間內(nèi)，許多波列都通過P點(diǎn)如果各時(shí)刻到達(dá)的波列的位相差δ無規(guī)則變化，則

P點(diǎn)是任意的不發(fā)生干涉現(xiàn)象。如果兩光波的位相δ固定不變，則有

第二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六干涉的三個(gè)必要條件兩疊加光波的位相差固定不變振動方向相同頻率相同定義：相干光波、相干光源補(bǔ)充條件利用原子發(fā)出的同一波列光程差要小于波列長度相干條件第三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖中的相位調(diào)制應(yīng)力/應(yīng)變調(diào)制溫度調(diào)制可以轉(zhuǎn)化的調(diào)制第四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制機(jī)理應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)通過長L的光纖，出射光波的相位延遲：光波在外界因素影響下的相位變化：材料折射率變化與應(yīng)變的關(guān)系應(yīng)變效應(yīng)光彈效應(yīng)泊松效應(yīng)第五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六5.3傳感機(jī)理水和空氣對應(yīng)的分別為6×10-6K/Pa和9×10-2K/Pa說明：水聲傳感時(shí)溫度變化項(xiàng)完全可以忽略裸光纖放在空氣中時(shí)溫度變化項(xiàng)反而是壓力變化項(xiàng)的2×103倍靈敏度比水聲高一個(gè)數(shù)量級第六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制機(jī)理 溫度應(yīng)變效應(yīng)－類似于應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)僅考慮徑向折射率變化時(shí)：對于四層光纖，考慮邊界條件：第七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制機(jī)理 多層結(jié)構(gòu)的考慮：纖芯、包層、襯底、一次涂敷、二次涂敷…結(jié)論：二次涂敷對單模光纖的靈敏度影響最大。MZ干涉儀中，聲壓力產(chǎn)生的溫度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的方法：PZT光纖第八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀的類型Mach-Zehnder干涉儀和Michelson干涉儀Fabry-Perot干涉儀Sagnac干涉儀（環(huán)形腔）相位壓縮原理與微分干涉儀白光干涉第九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六干涉測量原理雙光束干涉：多光束干涉結(jié)論R：反射率；φ：相鄰光束的相位差第十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀1-2 Mach-Zehnder干涉儀和Michelson干涉儀干涉光強(qiáng):外界因素引起L和n的變化：LD探測臂參考臂干涉條紋耦合器耦合器LD探測臂參考臂PD信號處理光纖反射端面固定可移動耦合器波導(dǎo)效應(yīng)，可忽略第十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀1-2 MZ干涉儀的應(yīng)用例－線性調(diào)頻外差型干涉儀固定光程差（～10cm－由光源線寬決定）檢測：鎖相、比較和計(jì)數(shù)解決：條紋高細(xì)分困難，導(dǎo)致精度不高測量靈敏度和精度隨光程差改變；易受外界環(huán)境影響等用聲光調(diào)制器的外差式干涉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)制頻率范圍小的矛盾DFB驅(qū)動光柵寫入裝置折射率變化區(qū)隔離器耦合器耦合器第十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀3 Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：無活動部件無非線性效應(yīng)無閉鎖區(qū)LDΩPD耦合器12Δla光束b光束ΩR-πππ/20BId2φ光強(qiáng)-相移關(guān)系第十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀3 4個(gè)問題互易性與偏振態(tài)同光路：一個(gè)耦合器附加光程差同模式：使用單模光纖同偏振態(tài)：對保偏光纖的需求偏置與相位調(diào)制余玄函數(shù)近零點(diǎn)（低轉(zhuǎn)速）靈敏度很低光子噪聲基本限制影響信噪比寄生效應(yīng)的影響與消除直接動態(tài)效應(yīng)：溫度，應(yīng)力反射和Rayleigh散射Faraday效應(yīng)光Kerr效應(yīng)45度和動態(tài)偏置： 無轉(zhuǎn)動部件；偏置點(diǎn)穩(wěn)定調(diào)制方法： 外差調(diào)制 磁光調(diào)制－調(diào)相－附加45度相移 聲光調(diào)制－調(diào)頻第十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀3 Sagnac干涉儀的應(yīng)用光纖陀螺與組合導(dǎo)航有RF尋的的制導(dǎo)區(qū)、彈頭或測試區(qū)、控制區(qū)、推進(jìn)器區(qū)第十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀4－多光束干涉Fabry-Perot干涉儀原理FFPI的結(jié)構(gòu)2個(gè)重要參數(shù)自由譜區(qū)寬度FSR條紋細(xì)度Laser光探測量傳感器第十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀4－多光束干涉

cont’dFFPI的應(yīng)用FBG信號解調(diào)系統(tǒng)FFPI傳感器第十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀5－多光束干涉光纖環(huán)形腔干涉儀自由譜區(qū)寬度（FSR）干涉細(xì)度F：耦合器激光輸入光輸出光纖環(huán)1 32 4I3-βLI4-βL第十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位壓縮與微分干涉儀相位壓縮原理普通的干涉儀的共同缺點(diǎn)溫度敏感長相干長度的光源信號處理電路復(fù)雜干涉項(xiàng)－相位差的余弦函數(shù)限制了它們的線性輸出范圍線性函數(shù)近似正弦函數(shù)在正交工作狀態(tài)下：<0.25rad輸入相位差１％線性度誤差相位壓縮干涉儀的相位信號限定在線性范圍之內(nèi)測量的相位為干涉光束相位差的變化量

實(shí)現(xiàn)方法：固定的時(shí)間間隔Ｔ內(nèi)測量相位差時(shí)間間隔t可以從延時(shí)光纖得到

例：以MZ干涉儀為例調(diào)制信號的相位變化為相位變化量幅值為定義相位壓縮系數(shù)為相位差幅值與相位差變化量幅值之比設(shè)L＝3km，fs＝50Hz，λ0＝1.3μm，n＝1.46,L=2μm，則φsm＝11.01rad，φsnm＝0.05rad，于是PCF＝220.2。放大器探測器3dB耦合器y(t)光源3dB耦合器arcsin-1d(t)S(t)τπ/2Φs(t)Φs(t)τx2(t-τ)x2(t)x1(t)放大器探測器3dB耦合器y(t)光源3dB耦合器arcsin-1d(t)S(t)τπ/2Φs(t)Φs(t)τx2(t-τ)x2(t)x1(t)第十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位壓縮與微分干涉儀微分干涉儀一個(gè)延遲線圈和一個(gè)調(diào)制器非平衡馬赫－澤德干涉儀：LD光源、Δl＝16cm

探測器3dB耦合器PC光源3dB耦合器τPZT3’1’ISO3122’第二十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀6－白光干涉解決的問題：實(shí)現(xiàn)絕對測量原理：2個(gè)干涉儀構(gòu)成

FPPIMichelson干涉儀ABLED耦合器信號處理LDPDA’B’C耦合器第二十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖干涉儀6－白光干涉白光干涉的優(yōu)點(diǎn)與問題優(yōu)點(diǎn)：絕對測量抗干擾能力強(qiáng)－系統(tǒng)分辨率與光源穩(wěn)定性、光纖擾動等無關(guān)問題：低相干度光源的獲得、零級干涉條紋的檢測應(yīng)用第二十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六*相位信號解調(diào)技術(shù)干涉儀的信號解調(diào)光纖鎖相環(huán)方案PGC（phasegeneratorcarrier)方案第二十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六干涉儀的解調(diào)方案主動零差法被動零差法普通外差法合成外差法偽外差法零差法外差法第二十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六零差法零差方式：直接將相位變化電信號主動零差法（Activehomodynemethod）目的：解決相位工作點(diǎn)的漂移方案：控制

Δl正交工作點(diǎn)工作；Δφ＝π/2類型主動相位跟蹤零差法（APTH,Activephasetrackinghomodyne）主動波長調(diào)諧零差法（AWTH,Activewavelengthtuninghomodyne）被動零差法（Passivehomodynemethod）目的：不控制干涉儀的工作點(diǎn)方案：兩臂的相位差將不斷改變

使用兩個(gè)強(qiáng)度差最大的信號解調(diào)保持最佳靈敏度

類型舉例微分交叉相乘法相位載波生成法（PGC，Phasegeneratedcarrier）[28]和3×3耦合器法[29]

第二十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六3×3耦合器法缺點(diǎn)：動態(tài)范圍仍然受到解調(diào)電路的限制復(fù)雜優(yōu)點(diǎn)：傳感器的相位解調(diào)范圍大大增加探測器1光源傳感光纖耦合器耦合器探測器3探測器2第二十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六外差法普通外差法關(guān)鍵：移頻器合成外差法避免移頻器件的使用相位調(diào)制器高頻大幅度的正弦信號－控制相位調(diào)制器偽外差法鋸齒波調(diào)制激光器的工作電流探測器1光源傳感光纖耦合器耦合器探測器2解調(diào)器+ω0第二十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六外差法的比較普通外差法相位解調(diào)范圍最大，在理論上沒有限制需要特殊的移頻器件合成外差法相位解調(diào)范圍大解調(diào)電路復(fù)雜性最高。偽外差法各方面的性能比較平衡，最常用解調(diào)方法第二十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六光纖鎖相環(huán)方法又稱：直流相位跟蹤法Michealson干涉儀S(t)很小時(shí)設(shè)正交工作點(diǎn)，此時(shí)靈敏度最大。反射膜DFBPZT帶通濾波器光電轉(zhuǎn)換信號耦合器反饋電路輸出信號V0Vf第二十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六系統(tǒng)穩(wěn)定性溫度漂移和有限電源電壓溫度每升高一度同軸型光纖干涉儀相位漂移104rad左右(待測信號<10rad)復(fù)位系統(tǒng)光源功率波動光纖布線引起第三十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六PGC方法鎖相環(huán)方法簡單、精度高PZT－不利于成網(wǎng)PGC方法光源直接調(diào)制－無反饋器件開環(huán)系統(tǒng)－無穩(wěn)定型問題大動態(tài)范圍、利用頻分復(fù)用組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)：硬件、軟件LPF1H·cos(2ωct)G·cos(ωct)輸出d/dtLPF2d/dt輸入HF∫DA第三十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位干涉型光纖位移傳感器如圖所示為一種用于測量位移的光學(xué)邁克爾遜光纖干涉儀。He-Ne激光器作為光源，由分束器把光束分成光強(qiáng)相等的兩路，一路進(jìn)入光纖參考臂作為參考光束；另一路通過可移動四面體棱鏡、反射鏡后再與參考光束會合，并產(chǎn)生干涉。圖測量位移的光學(xué)邁克爾遜光纖干涉儀第三十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位干涉型光纖位移傳感器如果因被測位移的變化引起四面體沿圖示箭頭方向移動，則因光程差的改變而引起干涉條紋移動，干涉條紋的移動量反映出被測位移量的大小。圖中在兩束光會合處放置全息干板，目的是利用干板上的干涉圖形的全息照片來起到光學(xué)補(bǔ)償?shù)淖饔?。第三十三頁，共九十二頁，編輯?023年，星期六相位干涉型光纖位移傳感器下圖是一個(gè)由集成光學(xué)雙光路邁克爾遜干涉儀芯片(DMIIOC)組成的集成光學(xué)光纖微位移傳感器的示意圖。DMIIOC是以LibNO3基片為襯底，其上集成兩個(gè)截面不對稱的X形波導(dǎo)結(jié)（2×2耦合器）、兩個(gè)固定反射鏡和其他波導(dǎo)，組成兩個(gè)相互對稱、共用輸入臂和輸出臂的邁克爾遜干涉儀。集成光學(xué)光纖微位移傳感器示意圖第三十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位干涉型光纖位移傳感器通過保偏光纖注入DMIIOC的輸入臂的偏振光，被Y形波導(dǎo)結(jié)分為兩束光再分別注入兩個(gè)X形波導(dǎo)結(jié)，通過X形波導(dǎo)結(jié)又分成兩束光分別注入信號臂和參考臂。從固定反射鏡反射的信號光經(jīng)參考臂波導(dǎo)和信號臂波導(dǎo)至面X形波導(dǎo)結(jié)相干，相干光從兩個(gè)輸出臂輸出，送入多模光纖，進(jìn)行檢測。這種位移傳感器不僅可以測量位移的大小，同時(shí)也能測量位移的方向。第三十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器利用馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)光纖干涉儀測量壓力的相位調(diào)制光纖壓力傳感器的原理圖如圖所示。

相位調(diào)制光纖壓力傳感器的原理圖

He-Ne激光器發(fā)出的一束相干光被分束器分成兩束光，分別耦合到傳感光纖和參考光纖中，這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂。第三十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器傳感光纖和參考光纖再通過光纖耦合器組合起來，以便產(chǎn)生相互干涉，將測量臂的光纖壓力變化所引起的光相位差的變化表現(xiàn)為干涉條紋的變化，從而形成一系列明暗相間的干涉條紋。如果在兩根光纖的輸出端用光電元件來掃描干涉條紋的移動，并變換成電信號，再經(jīng)放大后輸入記錄儀，從記錄的移動條紋數(shù)就可以檢測出壓力信號。此傳感器也可以用于溫度測量。第三十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器設(shè)均勻壓力p所引起的各向同性的應(yīng)力可表示為分量形式：

(2)此應(yīng)力作用在單模光纖上，產(chǎn)生了應(yīng)變si，si也可表示成分量形式：

(3)

第三十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器對于長為l、傳播常數(shù)為的單模光纖β，其光波導(dǎo)模式的相位為，而光纖由于壓力作用所產(chǎn)生的應(yīng)變引起輸出光的相位移為

(4)式中，Δ為由于壓力產(chǎn)生應(yīng)變所引起光纖長度的變化量；Δβ為應(yīng)變使光纖折射率以及光纖直徑變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)模色散效應(yīng)。

第三十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器經(jīng)過一系列的變化后，綜合關(guān)于Δl與Δβ的各項(xiàng)，即可得到光的相位移為

(5)由式(5)可以進(jìn)一步求出壓力靈敏度：

(6)第四十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖壓力傳感器由于式(6)的第3

項(xiàng)很小，可以忽略不計(jì)，因此式(6)可化簡為

(7)

由于光纖的組分不同，因此有些參數(shù)不同，故壓力靈敏度也不同。第四十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六動態(tài)壓力傳感器水聲傳感靜壓力變化Δp,光纖長度l，產(chǎn)生相位差：第四十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器利用相位調(diào)制來測量機(jī)械振動，可以檢測出垂直振動分量和表面內(nèi)振動分量，其原理圖分別如下圖18(a),(b)所示。

(a)垂直振動分量傳感器原理圖(b)表面內(nèi)振動分量傳感器原理圖相位調(diào)制振動傳感器原理圖第四十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器可以看出，要檢測的振動分量引起反射點(diǎn)P

運(yùn)動，從而使兩激光束之間產(chǎn)生相關(guān)的相位調(diào)制。激光束通過分束器、光纖入射到振動體上的一點(diǎn)，反射光作為信號光束，經(jīng)過同一光學(xué)系統(tǒng)，被引入到探測器。參考光束是從部分透射面R上反射產(chǎn)生的。在實(shí)際系統(tǒng)中，用光纖輸出端面作為R面。第四十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器圖(a)中，信號光束只受到垂直振動分量的調(diào)制。由于振動體使反射點(diǎn)靠近或遠(yuǎn)離光纖，從而改變了信號光束的光路長度，相應(yīng)改變了信號光和參考光的相對相位，產(chǎn)生了相位調(diào)制。信號光與參考光之間的相位差為

(8)

式中，λ為激光波長；ω為光波圓頻率。第四十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器圖(b)中，由同一光源來的激光束A和B，它們分別以與振動體表面法線成45°的方向入射到振動體表面上的一點(diǎn)P，然后沿表面法線方向散射，散射光通過中間光纖被引導(dǎo)到探測器。表面內(nèi)振動分量的影響所產(chǎn)生的兩束光之間的相位差為

(9)第四十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器通過解調(diào)式(8)和式(9)給出的相位調(diào)制，就能得到上述相應(yīng)振動分量的振幅。根據(jù)選用的低頻相位調(diào)制的最大相位偏移量大小，有高相位偏移調(diào)制法和低相位偏移調(diào)制法兩種。1．高相位偏移調(diào)制法第四十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器利用式(8)給出的被測振動分量的相位調(diào)制，再引入上述的低頻相位調(diào)制和固定相位差，當(dāng)兩束光存在以上的相關(guān)相位差時(shí)，入射到光檢測器的光強(qiáng)表示為

(22)式中，Es和ER

分別表示信號光和參考光的振幅。選擇低頻相位調(diào)制頻率Ω=ω。

第四十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器式(22)如用貝塞爾函數(shù)進(jìn)行諾曼展開，將第1

項(xiàng)（因含有J0

函數(shù)，故稱為J0

成分）用于ES

,ER

等的光振幅變化檢測。第2項(xiàng)（同樣，稱為J1成分）用于振動振幅檢測。J0,J1成分的上、下峰之間的幅值和可以從上式中求得。它們?yōu)?第四十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器

(24) (25)因此，取式(24)和式(25)的比值，消去ES和ER，解得振動振幅。

第五十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器由于振動振幅U⊥=λ，所以，

,由此得到

(26)第五十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器2．低相位偏移調(diào)制法下面介紹將兩成分用單一頻率表示正弦波的方法。在式(22)中，固定相位差價(jià)取π/2，與上述方法相反，使低頻相位調(diào)制的最大偏移選得較小.例如，。另外，如果設(shè)振動振幅，則可對該式進(jìn)行簡化處理：

(27)第五十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器如果取IOP

之IIP

比，振動振幅U⊥

可由下式求得：

(28)由式(28)可知，如果求得振動體上振動振幅的相對分布，并保持一定，則移動測量位置，測量IIP/IOP即可。如果需要測量振幅的絕對值，則在振幅大的測量點(diǎn)，使用上述高相位偏移調(diào)制法，求出其絕對值，然后進(jìn)行校正即可。

第五十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器用類似的方法也可以求得振動面上的振動振幅。如果將式(21)與式(20)比較，因入射激光傾斜，傾斜因子為，考慮傾斜因子，就可以得到相應(yīng)的U∥

的表達(dá)式：

(29)第五十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器3．光纖振動傳感器實(shí)例如圖所示是根據(jù)上述原理構(gòu)成的光纖三維振動測量傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為三部分：由合適的開關(guān)單模光纖A,B和氦氖激光器光源組成的光發(fā)射部分；由棒透鏡、低頻相位調(diào)制器、單模光纖C組成的傳感頭部分；由光探測器、頻率變換器、帶通濾波器等組成的信號探測及處理部分。

第五十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器

光纖三維振動測量傳感器系統(tǒng)第五十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器當(dāng)測量垂直振動分量時(shí)，將光纖C放在入射激光的光軸上，同時(shí)向上方移動光纖B,C的入射端，這時(shí)使用光纖C即構(gòu)成如圖18(a)所示的傳感器系統(tǒng)。光探測和信號處理部分，使用雪崩光電二極管(APD)進(jìn)行探測，用窄帶濾光器取出Jl或J2成分，采用有適當(dāng)頻帶的低通、帶通濾波器(LPF,BPF)取出J0或I0成分。第五十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器當(dāng)測量表面內(nèi)振動分量時(shí)，單模光纖A,B照射振動體，光纖C用來收集反射光，這樣就可構(gòu)成了如圖18(b)所示的傳感器系統(tǒng)。利用貼在分束器上的小型反射鏡，將通過光纖C的反射光引入光探測器，用安裝在光纖A入射端的低頻相位調(diào)制器（壓電器件）提供直流相移和低頻相位調(diào)制。第五十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制振動傳感器4．光纖振動傳感器的性能光纖振動傳感器的主要性能包括：振動振幅的可測范圍、振動頻率的可測范圍、測量的空間分辨率等。第五十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器圖31為相位變化型光纖加速度傳感器原理圖。由圖31可見，無論是哪種情況，框架的縱向振動都會使重物位移而使光纖伸縮，且長度的變化是與被測加速度或位移成比例的。

(a)單光纖結(jié)構(gòu)(b)雙光纖結(jié)構(gòu)

圖31相位變化型光纖加速度傳感器原理圖第六十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器雙光纖邁克爾遜加速度檢波器的工作原理如圖32所示。該檢波器主要由單模全光纖邁克爾遜干涉儀、簡諧振子和信號處理系統(tǒng)三部分組成。

(a)系統(tǒng)框圖圖32雙光纖邁克爾遜加速度檢波器的原理圖第六十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器雙光纖邁克爾遜加速度檢波器的工作原理：激光器發(fā)出的激光注入到3dB分束器后分為兩路，一路為參考臂，另一路為信號臂。高反射鋁膜直接鍍在兩根光纖的端面上，從而起到反射鏡的作用。信號光與參考光經(jīng)全反射膜反射后，按原路返回，在分束器中重新會合產(chǎn)生干涉。光電探測器PIN將干涉光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號。第六十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器壓電陶瓷(PZT)的作用是把調(diào)制波的電信號轉(zhuǎn)化為光波的相位變化，并在一個(gè)干涉臂中產(chǎn)生補(bǔ)償相位。簡諧振子的作用是把外界物理場的變化轉(zhuǎn)化成光纖的縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。簡諧振子的結(jié)構(gòu)如圖32(b)所示。

(b)簡諧振子結(jié)構(gòu)圖圖32雙光纖邁克爾遜加速度檢波器的原理圖第六十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器如果讓加速度計(jì)的外殼以加速度a垂直向上運(yùn)動，那么在加速該物體所需的作用力F的作用下，上面的一段光纖伸長，下面的光纖則縮短ΔL。這一過程可表示為

(38)式中，A為光纖的橫截面面積；A=π（d/2)2

，其中d為光纖直徑；ΔT為每根光纖中拉應(yīng)力變化的幅度。第六十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器產(chǎn)生的應(yīng)變Δε=ΔL/L可以用下式表示：

(39)式中，E為光纖的楊氏模量。經(jīng)過一系列變化和化簡后，有

(42)第六十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器將式(39)代入式(42)，則有

(43)根據(jù)Δφmin求出式(43)中的a

min，得到

(44)對于雙光纖來說，因?yàn)橐簧?、一壓，相?dāng)于相位變化了，則此時(shí)的加速度為a

min/2。第六十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器光纖縱向使重物塊的位移距離ΔL

所需要的有效彈力F可以由式(38)和式(39)求得，即

(45)式中，k為彈性系數(shù)，且k=2EA/L。因此，諧振頻率為

(46)

第六十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六相位調(diào)制光纖加速度傳感器為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)諧振頻率與光纖參數(shù)的關(guān)系，將A=π（d/2)2

代入式(46)，可得

(47)比較式(44)和式(46)可以看出，如果通過減小d2/mL

而減小a

min，則f0也會隨之而減小。第六十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

1光纖陀螺的發(fā)展

2光學(xué)基礎(chǔ)知識

3Sagnac效應(yīng)

4光纖陀螺（FOG）原理

5光纖陀螺指標(biāo)

光纖角速度傳感器——光纖陀螺第六十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)四個(gè)里程碑：一、1913年法國物理學(xué)家Sagnac在物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)角速率對光的干涉現(xiàn)象的影響，這就啟發(fā)人們，利用光的干涉現(xiàn)象來測量旋轉(zhuǎn)角速率。二、1960年，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光器，產(chǎn)生了單色相干光，解決了光源的問題。三、1966年，英籍華人科學(xué)家高錕提出了只要解決玻璃純度和成分，就能獲得光傳輸損耗極低的玻璃光纖的學(xué)說。四、1976年，美國猶他大學(xué)兩位教授利用Sagnac效應(yīng)研制出世界上第一個(gè)光纖陀螺原理樣機(jī)。第七十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

二十多年來，世界各發(fā)達(dá)國家的許多科研機(jī)構(gòu)和著名大學(xué)都投入了很多的經(jīng)費(fèi)來研究光纖陀螺。隨著光纖陀螺主要光器件（保偏光纖，Y型電—光調(diào)制波導(dǎo)，光源等）技術(shù)及半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，光纖陀螺的發(fā)展已經(jīng)有了突破性進(jìn)展,，高精度光纖陀螺已達(dá)到低于0.0001o/h的精度，有取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀的趨勢。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀相比，優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)第七十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六目前，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展成為慣性技術(shù)領(lǐng)域具有劃時(shí)代特征的新型主流儀表，其原理、工藝及其關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表有很大的差別，我國已經(jīng)將光纖陀螺列為慣性技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1光纖陀螺的發(fā)展與動態(tài)第七十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

1913年，薩格奈克（Sagnac）論證了運(yùn)用無運(yùn)動部件的光學(xué)系統(tǒng)同樣能夠檢測相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)。他采用了一個(gè)環(huán)形干涉儀，并證實(shí)在兩個(gè)反向傳播光路中，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)相位差。

2Sagnac效應(yīng)第七十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

理想條件下，環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)如圖1所示。一束光經(jīng)分束器M進(jìn)入同一光學(xué)回路中，分成完全相同的兩束光CCW和CCCW，分別沿順時(shí)針方向(CW)和逆時(shí)針方向(CCW)相向傳播，當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時(shí)，將使兩束光產(chǎn)生相位差，該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)

2Sagnac效應(yīng)第七十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)如(a)所示，無旋轉(zhuǎn)條件下，兩束光傳輸時(shí)間相等，為如(b)所示，旋轉(zhuǎn)條件下，

2Sagnac效應(yīng)第七十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸時(shí)間差傳輸光程差傳輸相位差

2Sagnac效應(yīng)第七十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六圖1理想環(huán)形光路系統(tǒng)中的Sagnac效應(yīng)(a)系統(tǒng)靜止；(b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)傳輸相位差

2Sagnac效應(yīng)如何檢測相位差？利用光的干涉：振動頻率相同、方向相同、相位差恒定

通過檢測光強(qiáng)來檢測相位差，進(jìn)而檢測轉(zhuǎn)動角速率。問題：旋轉(zhuǎn)角速率產(chǎn)生的光程差太小，很難被檢測。第七十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理

光纖陀螺本質(zhì)上就是一個(gè)環(huán)形干涉儀，通過采用多匝光纖線圈來增強(qiáng)相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)引起的Sagnac效應(yīng)。其實(shí)現(xiàn)如圖2所示。圖2光纖陀螺實(shí)現(xiàn)原理圖第七十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺結(jié)構(gòu)及工作原理主要信號處理技術(shù)：圖3數(shù)字閉環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)示意圖A偏置調(diào)制：提高信號檢測靈敏度第七十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺結(jié)構(gòu)及工作原理主要信號處理技術(shù)：圖3數(shù)字閉環(huán)I-FOG結(jié)構(gòu)示意圖B閉環(huán)控制：降低光電檢測器工作范圍，提高檢測精度第八十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)物圖第八十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺實(shí)物圖第八十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期六

3光纖陀螺基本原理及特點(diǎn)光纖陀螺優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺相比，光纖陀螺無運(yùn)動部件和磨損部件，為全固態(tài)儀表，成本低，壽命長，重量輕，體積小，動態(tài)范圍大，精度應(yīng)用覆蓋面廣，抗電磁干擾，無加速度引起的漂移