第五章-相位调制型光纤传感器课件.ppt

第一节相位调制型光纤传感器第五章

第一节5.1引言

优点：以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高传统相位调制干涉仪※目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化，必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度变化，才能实现对外界物理量的检测。缺点：以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同时调整困难，限制在一般场合的实用性。

相位调制型光纤传感器利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。定义：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。传感原理：

优点相位调制光纤传感器灵敏度高。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度，可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉仪小型化。灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探头的形状可按使用要求设计成不同形状。对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。缺点需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统

第一节5.2一般调制原理及方式

5.2一般调制原理及方式※相位调制光纤传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程相位调制干涉型光纤传感器的必要组成敏感光纤干涉仪完成相位调制任务完成相位-光强转换任务

5.2一般调制原理及方式调制器探测器处理器参考光纤传感光纤分束器或光束耦合器HE-NE激光分束器或光束耦合器相位调制干涉型光纤传感器基本结构被测场

5.2一般调制原理及方式若设参考光和传感光的光矢量值分别为当两光束满足相干条件时，合成光矢量为其中，

若分束器采用3dB耦合器（即半反半透透镜），有I1=I2，则因为光电探测器探测的是光强，从而可得5.2一般调制原理及方式即其中，相位差通过测I就可以测得相位差。

第一节5.3光纤相位调制机理

5.3光纤相位调制机理敏感光纤作为相位调制元件决定相位变化的参数：影响相位变化的基础物理效应：应力应变、温度萨格纳克(Sagnac)效应光纤的物理长度、折射率及分布、波导横向几何尺寸k0nL（k0为光在真空中波数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径上的长度）

光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为为光波在光纤中的传播常数，是光波在光纤中的传播波长，是光波在真空中的传播常数，a为纤芯半径。光波在外界因素的作用下，相位的变化为应变效应或热胀效应光弹效应或热光效应泊松效应（灵敏度小，一般不用）5.3光纤相位调制机理

第一节5.4光纤干涉仪

5.3光纤干涉仪典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：迈克尔逊(Michelson)干涉仪马赫-泽德尔(Mach-Zender)干涉仪萨格纳克(Sagnac)干涉仪法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪常用干涉仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。

迈克耳逊在工作迈克耳逊（A.A.Michelson）美籍德国人因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。迈克尔逊干涉仪

传感器迈克尔逊干涉仪由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束光;11’22’光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解；透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。迈克尔逊干涉仪原理

迈克尔逊干涉仪由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为式中：K0——光在空气中的传播常数2nΔl——两相干光的光程差

迈克尔逊干涉仪

MM22当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。之干涉条纹的移动

MM22当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。之干涉条纹的移动

MM22干涉条纹的移动当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。之

MM22干涉条纹的移动当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。之

MM22干涉条纹的移动当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条