第四章、光纤传感器.doc

第四章、光纤传感器 光纤是20世纪50年代发展起来的，并很快被广泛应用。由于光导纤维具有可弯曲性，且体积小、重量轻、光信号长距离传输损耗小、抗环境干扰能力强等诸多优点，再加上光学干涉测量的诸多优点，使得光纤关涉测量在航空航天（温度、压力、光纤陀螺等）、石油（井下温度、压力测量）、电力（高压输电线路的电压、电流测量）、医疗（血流速、血压测量）等领域得到了广泛应用。此外，由光敏光纤制作的光纤布拉格光栅，既保留了光纤的诸多优点，还具备了光栅的特性，所以利用光纤布拉格光栅制备成具有上述测量功能的光纤传感器§4.1激光干涉光纤光纤干涉测量的概念 将光纤代替干涉仪中的部分复杂光路，而发展起来的以单模光纤为基础的干涉系统。传统的几种干涉仪都可以由光纤组成而成为光纤干涉仪。光纤干涉仪即可以得到与传统分立式干涉仪相比拟的性能，又克服了传统分立式关涉仪所涉及到的稳定性问题和抗环境干扰问题，从而增强了光纤干涉仪的实用性。光纤干涉仪就是利用被测物理量改变光纤内传导的光波场的光学特性，比如，压力、应力、温度、电场强度、磁场强度等都可以改变光纤的折射率，而折射率变化就会产生相位差，再通过光波场的干涉，将由物理量所引起的微小相位差变化量、频率变化量转变为可以直接测量的光强变化，从而得到被测物理量的大小。 光纤干涉仪的结构形式 光纤干涉仪根据其结构形式基本上可分为四种。 Michelson（迈克尔逊）光纤关涉仪 它是基于传统的Michelson干涉仪发展起来的。光路图如右图。激光束入射光纤，经3dB耦合器分成光强缉私相等的两光束，分别进入Michelson干涉仪的参考光束臂（光纤）M1和测量光束臂（光纤）M2。被测物理量置于测量光纤端，影响测量光纤中光波场的相位、频率等，再由反射镜M1、M2将激光束反射回至3dB耦合器，进行干涉后，再耦合到光电探测器，测量由被测物理量所引起的光波场特性的变化（例如干涉条纹变化，每一个条纹对应2π的相位差变化），从而得到被测物理量。Michelson光纤干涉仪很适合于点测量，可以用来测量震动、位移、应力、温度等，缺点是反射光会反馈到激光谐振腔内，影响激光器的稳定性。Mach-Zehnder（马赫-泽德）光纤干涉仪 激光束经3dB耦合器分成强度近似相等的两光束分别入射参考光纤和测量光纤，被测物理量作用于测量光纤，使光波场的特性发生变化，参考光束与测量光束在另一3dB耦合器中相遇并发生干涉，再将干涉光波场送至光电探测器D1、D2，将被测物理量所引起的相位变化通过干涉条纹转变为光强变化。由于该干涉仪的结构特点，在该干涉仪中只有少量或没有光波反射回激光谐振腔，故不影响激光器的工作稳定性。且该干涉仪输出的两路干涉信号位相相反，这非常便于后续电路做辩向、细分等处理，从而使该种光纤干涉仪成为应用最多的结构，可用于测量位移、高电压、大电流、磁场、应力等物理量。 Sagnac（萨格奈克）光纤干涉仪 激光束经3dB耦合器分成光强比为1：1的两光束，分别输入到一个多匝单模光纤圈的两端，两路光反向传播再回到3dB耦合器，在耦合器中相遇并发生干涉，将干涉信号送入光电探测器。当闭合光纤圈静止时，两束光传播的路程完全相同，故其相位差为0；而当光纤圈相对于惯性空间以ω角速度转动时，则两光路产生非互易性光程差，其干涉条纹的多少就反映了光程差的大小，也就反映出了角速度ω的大小。最典型的应用就是光纤激光陀螺仪，光纤激光陀螺仪与其他陀螺仪相比，具有灵敏度高、无机械转动、体积小、成本底等优点，是航空、航天及其他导航系统中优选的惯性导航仪。 Fabry-Porot（法布里-珀罗）光纤干涉仪 Fabry-Porot光纤干涉仪属于多光束干涉类型。由光纤传播的激光束，经聚焦透镜进入F-P腔，入射光束在F-P腔内多次反射，形成多光束干涉，由于F-P腔的参数受被测物理量的调制而产生干涉图样，由光电探测器探测出干涉图样，就可以获得被测物理量的数值。一般是利用F-P腔的腔长或腔内折射率的变化来感知被测物理量（如温度、压力位移、气体浓度等）。 光纤干涉仪应用举例 1、F-P光纤干涉气体成分分析系统 F-P腔的两平行端面分别镀有高反射膜，被测气体可从气体注入口注入F-P腔内，如果气体成分、浓度不同，就会引起干涉条纹的变化，从而得到其相应的测量值。对于F-P标准具多光束干涉增强的条件为： m—干涉条纹的级次，为正整数，d—F-P腔的长度，n---腔内折射率，θ---腔面法线与入射光线的夹角。在上述光路中，。D为定值，n发生变化就会导致干涉条纹变化，测量干涉条纹的变化量，就可以得到折射率n的变化量，而n的变化又是由气体的成分、温度、压力等物理量引起的，所以，通过测量折射率n的变化量，就可以获得气体成分、压力、温度等参数。 2、Mach-Zehnder光纤干涉仪测量温度、压力 测量光纤置