第三章光纖傳感器中的光學(xué)原理及效應(yīng)

3.1光學(xué)反射原理3.2光學(xué)折射原理3.3光學(xué)吸收原理

3.3.1光學(xué)吸收原理

3.3.2一般吸收和選擇吸收

3.3.3吸收光譜

3.3.4半導(dǎo)體吸收法測(cè)量溫度的原理

3.3.5光譜吸收法測(cè)量成分或濃度3.4光學(xué)多普勒效應(yīng)3.5聲光效應(yīng)3.6磁光效應(yīng)

3.6.1法拉第效應(yīng)

3.6.2磁光克爾效應(yīng)

3.6.3塞曼效應(yīng)

3.6.4磁致線雙折射效應(yīng)

3.6.5磁光效應(yīng)的應(yīng)用3.7電光效應(yīng)

3.7.1泡克耳斯效應(yīng)

3.7.2基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感技術(shù)

3.7.3一種基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器3.8彈光效應(yīng)3.9Sagnac效應(yīng)

3.9.1圓形光路軌道的情況

3.9.2任意形狀光路軌道的情況

3.9.3光纖陀螺原理3.10光聲效應(yīng)

3.10.1液體光聲效應(yīng)的激光激發(fā)機(jī)制

3.10.2液體光聲效應(yīng)的應(yīng)用本章內(nèi)容簡(jiǎn)介1、光的反射圖3

1鏡面反射和漫反射情況鏡面反射i

θI漫反射

根據(jù)光的反射定律。由于粗糙表面上各點(diǎn)的法線方向不同，光線反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多數(shù)物體表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我們能從各個(gè)方向看到它。反射現(xiàn)象的概念、反射定律的定義。光的反射的分類：鏡面反射與漫反射及其定義。圖3-2反射式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的基本原理2、光的折射

利用光學(xué)折射現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)液體濃度、成分含量的測(cè)量、氣體或者液體折射率的測(cè)量。

折射現(xiàn)象的概念及其與折射率n的表征關(guān)系。圖3-4基于光學(xué)折射原理的光纖鹽度測(cè)量方法3、光的吸收

其中，C為溶液的濃度，A是只與吸收物質(zhì)的分子特性有關(guān)，而與濃度無關(guān)的常數(shù)；

任何介質(zhì)，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁波能量會(huì)或多或少地吸收。完全沒有吸收的絕對(duì)透明介質(zhì)中是不存在的。光通過介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度隨介質(zhì)的厚度增加而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收。所謂“透明”是就某些波長(zhǎng)范圍來說的，僅有少量的吸收。吸收光輻射或光能量是物質(zhì)具有的普遍性質(zhì)。（1）一般吸收介質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)λ的光能幾乎均勻吸收，即吸收系數(shù)α與波長(zhǎng)λ無關(guān)。

（2）選擇吸收介質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的光的吸收特別顯著。產(chǎn)生選擇吸收的主要原因。

介質(zhì)對(duì)光的吸收與透明的概念。吸收系數(shù)的定義，朗伯定律數(shù)學(xué)表達(dá)式的推導(dǎo)。3、光的吸收一切介質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。

選擇吸收是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。一些物體的顏色，是由于某些波長(zhǎng)的光透入其內(nèi)一定距離后被吸收掉而引起的。例如：水能透入紅光，并逐漸吸收掉，因而水面沒有對(duì)紅光的反射，只反射藍(lán)綠光，并讓藍(lán)綠光透過相當(dāng)?shù)纳疃龋运尸F(xiàn)藍(lán)綠色。圖3

6鈉蒸氣的吸收光譜介質(zhì)吸收光譜的形成，鈉蒸汽吸收光譜的分析介紹。3.1基于吸收原理的半導(dǎo)體光纖溫度傳感器880930830Wavelength

/nmp(

)LEDspectrumAbsorptionedgeT1T2T2>T1圖3

7光源光譜及半導(dǎo)體材料隨溫度變化吸收邊的移動(dòng)示意圖790970吸收波長(zhǎng)：

FiberFiberPorcelainbushingGasketcementCeramicpinGaAs圖3光纖傳感器傳感探頭具體的結(jié)構(gòu)形式Fig.3Diagramofthefiber-optictemperaturesensorprobeProtectivebushing吸收系數(shù)公式的推導(dǎo)與介紹。3.2基于光譜吸收原理的液體成分測(cè)量水24API原油30API原油38API原油圖3

8水與不同成分原油的近紅外光譜圖吸收率光波長(zhǎng)/nmWhitelightsourceDual-channeldataacquisitionLensSampleCellFiberbundleFiberbranch1Fiberbranch2Filter1Filter2Detector1Detector23.3光學(xué)多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)的概念，光學(xué)中的多普勒效應(yīng)。圖3-9光學(xué)多普勒效應(yīng)圖光學(xué)多普勒效應(yīng)頻率公式由于u/c很小，最終公式可簡(jiǎn)化為：3.4聲光效應(yīng)

聲光效應(yīng)的概念：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，引起介質(zhì)地彈性應(yīng)變做時(shí)間上和空間上的周期性變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化。超聲波頻率低，光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)；超聲波皮率高，發(fā)生聲光衍射。聲光布拉格衍射的概念。聲光調(diào)制器：壓電換能器、透明介質(zhì)、聲光出入射系統(tǒng)構(gòu)成的光學(xué)器件。折射率介質(zhì)的形成、折射率光柵(超聲光柵)、光柵常數(shù)為超聲波波長(zhǎng)。圖3-11聲光調(diào)制器示意圖3.5磁光效應(yīng)圖3

12法拉第磁光效應(yīng)原理圖

當(dāng)線偏振光沿磁場(chǎng)方向通過置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁致旋光效應(yīng)，通常又稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。如圖3

12所示，假設(shè)有一圓柱形磁光介質(zhì)，沿著軸線方向外加一穩(wěn)恒磁場(chǎng)H。在這種情況下，將發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，光波的偏振面繞傳輸軸連續(xù)右旋（相對(duì)于H而言），直至磁光介質(zhì)的終端，偏振面右旋了某一角度

。光沿磁場(chǎng)方向，左旋。光逆著磁場(chǎng)方向傳播，右旋。

對(duì)于給定的介質(zhì)，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)角θ與介質(zhì)的長(zhǎng)度L和磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，即

＝VHL，比例系數(shù)V叫做維爾德（Verdet）系數(shù)。

磁光效應(yīng)：法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)。3.5.1法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)3.5.2磁光克爾效應(yīng)圖3-13克爾效應(yīng)

磁光克爾效應(yīng)：一束線偏振光在磁化了的介質(zhì)表面反射時(shí)，反射光將是橢圓偏振光，而以橢圓的長(zhǎng)軸為標(biāo)志的偏振面相對(duì)于入射偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度。這個(gè)角度被定義為克爾角度。按照磁化強(qiáng)度的取向，磁光克爾效應(yīng)大致可分為三種類型：1.極向克爾效應(yīng)：磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面垂直時(shí)的克爾效應(yīng)。2.橫向克爾效應(yīng)：磁化強(qiáng)度平行于介質(zhì)表面，但垂直于光的入射面時(shí)的克爾效應(yīng)。3.縱向克爾效應(yīng)：磁化強(qiáng)度既平行于介質(zhì)表面又與光的入射面相平行時(shí)的克爾效應(yīng)。

磁光介質(zhì)的克爾角受影響的因素：溫度、配比、入射光的波長(zhǎng)。磁光譜的概念。存儲(chǔ)信息的材料是磁性材料。3.5.3塞曼效應(yīng)Hg原子的譜線在磁場(chǎng)中的分裂圖3.5.4磁致線雙折射效應(yīng)圖3

14

基于磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)3.5.5磁光效應(yīng)入射光旋角

和電線電流I的關(guān)系如下

設(shè)起偏器、檢偏器的偏振化方向互成45

角，如果入射光強(qiáng)為

0，出射光強(qiáng)為

，根據(jù)馬呂斯定律，出射光強(qiáng)為

由以上兩式得

為了對(duì)電力系統(tǒng)的高電壓、大電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可利用磁光效應(yīng)原理研制新型的電壓、電流傳感器。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)。

光強(qiáng)的變化量反映了被測(cè)電流的變化。5、電光效應(yīng)

在電場(chǎng)的作用下，可以使某些各向同性的透明介質(zhì)變?yōu)楦飨虍愋裕瑥亩a(chǎn)生人為雙折射的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)的一般分類：克爾效應(yīng)（二階電光效應(yīng)）和泡克爾斯效應(yīng)（一階電光效應(yīng)即線性電光效應(yīng)）兩種。泡克爾斯效應(yīng)的應(yīng)用。5.1克爾效應(yīng)l+-45

45

P1P2克爾盒d

不加電場(chǎng)→液體各向同性→P2無透射光

加電場(chǎng)→液體呈單軸雙折射晶體性質(zhì)，其光軸平行于外電場(chǎng)

P2有透射光——二次電光效應(yīng)其中

E—

電場(chǎng)強(qiáng)度，k—

克爾常數(shù)?？藸栃?yīng)引起的e光與o光的相位差為：

當(dāng)時(shí)，克爾盒相當(dāng)于一個(gè)半波片，P2透光最強(qiáng)?？藸栃?yīng)引起的e光與o光的光程差為：克爾盒的應(yīng)用:高速電光開關(guān)，電光調(diào)制器?？藸柡械娜秉c(diǎn):所用液體常有劇毒，易爆炸。5.2泡克爾斯效應(yīng)。泡克爾斯盒電光晶體+。-P1P2KK

··

不加電場(chǎng)→P2

無透射光

加電場(chǎng)→晶體變雙軸晶體→原光軸方向附加了雙折射效應(yīng)→P2

有透射光。泡克爾斯效應(yīng)引起的相位差：——線性電光效應(yīng),相位差為180度，存在半波電壓其中no—o光在晶體中的折射率；

V—電壓；

r—

電光常數(shù)。

應(yīng)用:電光開關(guān)、電光調(diào)制器。如軍用固體激光測(cè)距機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間短，外加電壓低，克爾效應(yīng)的十分之一。測(cè)量系統(tǒng)的自由空間傳輸方式，另介紹光纖傳輸方式參考課本P725.4基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感技術(shù)

基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳器(簡(jiǎn)稱VOT):橫向調(diào)制式與縱向調(diào)制式、透射式與反射的式、分壓式與無分壓式、分立式與組合式、單光路式與雙光路式、單晶體式與雙晶體式。1.橫向調(diào)制式與縱向調(diào)制式：電光效應(yīng)使得在電場(chǎng)或電壓的作用下，透過某些物質(zhì)（如電光晶體）的光會(huì)發(fā)生雙折射，雙折射的兩束光波之間的相位差與外施加電壓（即被測(cè)電壓）成正比，這就是設(shè)計(jì)的理論原理。電光晶體在不同方向上的電光系數(shù)的大小不同，以下所列表明電光效應(yīng)的大小與電場(chǎng)方向和通光方向有關(guān)。

橫向調(diào)制式傳感器的半波電壓與電極間距及長(zhǎng)度有光，改變電極的間距或長(zhǎng)度可以調(diào)整半波電壓的大小。缺點(diǎn)：存在自然雙折射引起的附加相位的延遲，并且隨著晶體的溫度變化而變化，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。

縱向調(diào)制式：傳光方向與電場(chǎng)方向一致的一種調(diào)制方式。兩電極間的電壓與電場(chǎng)的分布無關(guān)，是由電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意路徑的線積分來定義的?？膳懦龢O間外電場(chǎng)的干擾以及雜散電容的影響，提高測(cè)量精度，半波電壓只與晶體的電光性能有關(guān)，而與晶體的長(zhǎng)度無關(guān)，需要制作透明電極。2.透射式與反射式

橫向調(diào)制與縱向調(diào)制均屬于透射式結(jié)構(gòu)范疇如圖2-(a)所示，從晶體的一端入射從另一端出射。反射則是光線從晶體的一端入射后經(jīng)另一端反射后又從入射端出射。

ABB公司生產(chǎn)的反射式結(jié)構(gòu)傳感器其工作過程：光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡由透明電極射入電光晶體，在晶體的另一端經(jīng)直角棱鏡做兩次全反射后又返回電光晶體，再從透明電極準(zhǔn)直透鏡射出。3.分壓式與無分壓式4.分立式與組合式

測(cè)量單一電壓或者電流的為分立式，組合式既可以測(cè)電壓也可以同時(shí)測(cè)電流。5.單光路式與雙光路式6.單晶體與雙晶體式圖3

20

基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器原理

在一塊兩端面平行的雙折射晶體的入射面輸入一束單色平行光束，基于雙折射晶體的電光效應(yīng)，其折射率會(huì)隨外加電壓的變化而線性變化。入射光在進(jìn)入晶體后變成兩束初始相位相同、而電場(chǎng)矢量互相垂直的o光和e光光束，這兩束光在晶體中的傳播速度不同，出射時(shí)將產(chǎn)生由于光程差而導(dǎo)致的相位差，若能測(cè)出兩束光波的相位差，就可以計(jì)算出被測(cè)電壓。從BGO晶體中出射的兩束光的偏振方向并不一致，不能直接產(chǎn)生干涉。所以在光路中加入一塊偏振分束棱鏡，于是將兩束偏振方向垂直的出射光投射到一個(gè)偏振方向上，并產(chǎn)生干涉效應(yīng)。晶體未加電壓時(shí)，一束圓偏振光相當(dāng)于自然雙折射很小的晶體；加上電壓時(shí)，入射圓偏振光通過產(chǎn)生人工雙折射的晶體后變?yōu)闄E圓偏振光，經(jīng)偏振分束棱鏡分為兩束線偏振光。用光電探測(cè)器檢測(cè)輸出光強(qiáng)，就可以得到被測(cè)電壓。3.5.6一種基于電光效應(yīng)的光纖電壓傳感器6、彈光效應(yīng)(參考P77)入射光纖接收光纖彈光材料檢偏器起偏器壓縮盤壓力圖3

21基于彈光效應(yīng)的光纖壓力傳感器原理信號(hào)光源光探測(cè)器

由機(jī)械應(yīng)力引起的材料折射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)（Elasto-OpticalEffect）。由于沿應(yīng)力方向發(fā)生折射率變化，原來同性材料也可變成各向異性，即折射率橢球發(fā)生變化，而呈現(xiàn)雙折射。因此，對(duì)彈光物質(zhì)通光和施加應(yīng)力時(shí)，由于應(yīng)力和與應(yīng)力垂直的方向上產(chǎn)生位相差，故可以利用這種效應(yīng)制作位移、振動(dòng)和壓力等光學(xué)傳感器。

彈光效應(yīng)壓力傳感器原理的一些介紹：7、Sagnac效應(yīng)Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一點(diǎn)觀察點(diǎn)發(fā)出的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的相位（或它們經(jīng)歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)速速率成正比。1.圓形光路軌道的情況2.任意形狀光路軌道的情況(1)Sagnac相位差與光路軌道形狀、旋轉(zhuǎn)中心位置以及折射率無關(guān)。(2)Sagnac相位差只與光路軌道的幾何參數(shù)有關(guān)。7.1圓形光路軌道的情況3.光纖陀螺儀原理3.1概述

陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器．自1852年陀螺儀問世，因其獨(dú)特的性能，廣泛地應(yīng)用于航海、航空、航天以及國民經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。迄今為止，陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀，種類十分繁多。液浮陀螺、靜電陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，達(dá)到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。隨著光電技術(shù)、微米／納米技術(shù)的發(fā)展，新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。它們都是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無活動(dòng)部件—高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。

根據(jù)其精度范圍陀螺儀大致分為三部分：超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。1）超高精度陀螺儀超高精度陀螺儀指精度在10-6o/h～5×10-4

o／h范圍內(nèi)的陀螺儀，主要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。

靜電陀螺儀組成的靜電陀螺監(jiān)控器(ESGM)與艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)組成SINS／ESGM組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前最高精度等級(jí)的慣性導(dǎo)航設(shè)備，它能滿足潛艇及航母高精度、高可靠性和隱蔽性的要求。2)中高精度陀螺儀中高精度陀螺儀指精度在5×10-4o/h到10-1o/h的陀螺儀。目前最具有發(fā)展前景的陀螺儀就是光學(xué)陀螺儀，主要指激光陀螺儀和光纖陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學(xué)陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學(xué)陀螺．最近幾年，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來越受到各國陸?？杖姷那嗖A。

有關(guān)專家認(rèn)為：精度在10-2o/h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺，這是發(fā)展趨勢(shì)。在軍用方面，飛機(jī)、艦艇、潛艇以及導(dǎo)彈均將裝備光纖陀螺用以導(dǎo)航和制導(dǎo)，而且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將會(huì)裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導(dǎo)向，火箭發(fā)射場(chǎng)上光纖陀螺儀用于火箭升空發(fā)射跟蹤及測(cè)定等。在民用方面，光纖陀螺儀可用于飛機(jī)導(dǎo)航和石油勘察、鉆井導(dǎo)向(確定下鉆的位置)，特別是在工業(yè)上的應(yīng)用具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?)低精度陀螺儀低精度陀螺儀指精度范圍超過10-1o/h的陀螺儀。目前有發(fā)展前景的是微機(jī)械陀螺儀。雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景。微機(jī)械陀螺儀有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)，甚至是玩具上。光纖陀螺儀的工作原理：光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。

光纖陀螺儀原理結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)原理模型和解析關(guān)系的說明參照課本P81與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有如下特點(diǎn)：(1)零部件少，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗加速運(yùn)動(dòng)的能力；(2)繞制的光纖較長(zhǎng)，使檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)無機(jī)械傳動(dòng)部件，不存在磨損問題，因而具有較長(zhǎng)的使用壽命；(4)易于采用集成光路技術(shù)，信號(hào)穩(wěn)定，且可直接用數(shù)字輸出，并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接；(5)通過改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的精度，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍；(6)相干光束的傳播時(shí)間短，因而原理上可瞬間啟動(dòng)，無需預(yù)熱；(7)可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是級(jí)聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；(8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，體積小、重量輕．

干涉型光纖陀螺儀(I—FOG)，即第一代光纖陀螺儀，目前應(yīng)用最廣泛。它采用多匝光纖圈來增強(qiáng)SAGNAC效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模光纖線圈構(gòu)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度，也勢(shì)必會(huì)使整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；

開環(huán)光纖陀螺不帶反饋，直接檢測(cè)光輸出，省去許多復(fù)雜的光學(xué)和電路結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、可靠性高、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靠增加單模光纖的長(zhǎng)度來提高陀螺的靈敏度，輸入一輸出線性度差、動(dòng)態(tài)范圍小，主要用作角度傳感器。開環(huán)的干涉型光纖陀螺(IOFG)的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形雙光束干涉儀。光纖線圈一般都用單模光纖和保偏光纖制作。主要用作角速度傳感器。開環(huán)光纖陀螺儀測(cè)量示意圖閉環(huán)光纖陀螺

閉環(huán)光纖陀螺包含閉環(huán)環(huán)節(jié)，它引入了反饋相移。它由激光器光源LR、分束器SL、相位調(diào)制器PM、光檢測(cè)器D和相敏解調(diào)器PSD、伺服放大器SF、相位變換器PT組成反饋回路。從LR出來的光經(jīng)分束器SL分成等強(qiáng)的兩束，其中順時(shí)針方向傳播的光由透鏡L1耦合進(jìn)人光纖線圈的一端。而逆時(shí)針方向傳播的光通過相位調(diào)制器PM后，由透鏡L2耦合進(jìn)入光纖線圈的另一端。這兩束光分別從光纖線圈的相反兩端出射。當(dāng)光纖陀螺輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光之間的相移將發(fā)生變化，兩束光經(jīng)分束器SL匯合后。由光檢測(cè)器D接收，經(jīng)工作頻率為fm的相敏解調(diào)器PSD解調(diào)，并經(jīng)低通濾波后送人伺服放大器SF驅(qū)動(dòng)相位變換PT，產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)相移ΔΦ大小相等符號(hào)相反的信號(hào)，使光纖陀螺始終處于在其最靈敏的零位附近工作。

閉環(huán)干涉型光纖陀螺原理圖

和開環(huán)IOFG相比，閉環(huán)IOFG多了一個(gè)反饋回路，它引入了反饋相移。閉環(huán)環(huán)節(jié)大大降低光源漂移的影響，擴(kuò)大了光纖陀螺的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)光源強(qiáng)度變化和元件增益變化不敏感，陀螺漂移非常小，輸出線性度和穩(wěn)定性只與相位變換器有關(guān)，主要應(yīng)用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)，對(duì)光纖陀螺的小型化和穩(wěn)定性有重要作用，是高精度光纖陀螺研究的主要趨勢(shì)。諧振式光纖陀螺

用單模光纖構(gòu)成環(huán)形諧振腔，通過檢測(cè)諧振腔中順、逆時(shí)針傳播的兩光束之間由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的諧振頻差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速率的度量，即構(gòu)成諧振器型光纖陀螺。在該陀螺中，為了抵消諧振腔長(zhǎng)隨溫度變化和機(jī)械變化帶來的影響，必須采用順、逆時(shí)針傳播的