光纤传感3-相位调制型光纤传感器

第3章相位调制型光纤传感器2019/10/2813.1相位调制型光纤传感器原理利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。这类光纤传感器的主要特点如下：1.灵敏度高光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。2.灵活多样由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使用要求而设计成不同形式。2019/10/2823.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。目前利用各种类型的光纤干涉仪已研究成测量压力（包括水声）、温度、加速度、电流、磁场、液体成分等多种物理量的光纤传感器。而且同一种干涉仪，常常可以同时对多种物理量进行传感。4.特种光纤在光纤干涉仪中，为获得干涉效应，应满足两个条件：一是保证同一模式的光叠加———为此要用单模光纤。虽然，采用多模光纤也可得到干涉图样，但性能下降很多，信号检测也较困难。二是为获得最佳干涉效应。，两相干光的振动方向必须一致———为此最好采用“高双折射”单模光纤。研究表明，光纤的材料，尤其是护套和外包层的材料对光纤干涉仪的灵敏度影响极大。为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。研究光纤干涉仪时，对所用光纤的性能应予以特别注意。2019/10/2833.1.1应力应变效应（详见第1章）外界因素（温度、压力等）可直接引起干涉仪中的传感臂光纤的长度L（对应于光纤的弹性变形）和折射率n（对应于光纤的弹光效应）发生变化，从而造成在光纤中所传输光的相位发生变化。根据公式由弹性力学可知，应力σ和应变ε之间的关系为：2019/10/2842019/10/2853.1.2温度应变效应（详见第1章）用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为L、折射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为式中：P11是纤芯的弹光系数；εz是轴向应变；εr则是径向应变。如上所述，光纤一般是多层结构，故εz扎和εr则之值与外层材料之特性有关。设因温度的变化ΔT而引起的应变的变化为：式中式中：a(i)是第i层材料的线热膨胀系数。把式（3-7）代入前述应力应变的关系可得：2019/10/2862019/10/2873.2光纤干涉仪的类型3.2.1Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪2019/10/288Mach-Zehnder和Michelson光纤干涉仪都是双光束相位调制型光纤传感器干涉仪。图3-1是M-Z光纤干涉仪的原理图。由激光器发出的相干光，分别送入两根长度基本相同的单模光纤（即M-Z光纤干涉仪的两臂），其一为探测臂，另一为参考臂。从两光纤输出的两激光束叠加后将产生干涉效应。实用M-Z光纤干涉仪的分光和合光由两个光纤定向耦合器构成，是全光纤化的干涉仪，提高了它的抗干扰能力。图3-2是Michelson光纤干涉仪的原理图。实际上，用一个单模光纤定向耦合器，把其中两根光纤相应的端面镀以高反射率膜，就可构成一个Michelson光纤干涉仪。其中一根作为参考臂，另一根作为传感臂。2019/10/289由双光束干涉的原理可知，这两种干涉仪所产生的干涉场的干涉光强为因此，当外界因素引起相对光程差ΔL或相对光程时延Δt，传播的光频率v或光波长λ发生变化时，就会使m发生变化，即引起干涉条纹的移动，由此而感测相应的物理量。而外界因素（温度、压力等）可直接引起干涉仪中的传感臂光纤的长度L（对应于光纤的弹性变形）和折射率n（对应于光纤的弹光效应）发生变化。2019/10/28103.2.2Sagnac光纤干涉仪1.基本原理在由同一光纤绕成的光纤圈中沿相反方向前进的两光波，在外界因素作用下产生不同的相移。通过干涉效应进行检测，就是Sagnac光纤干涉仪的基本原理。其最典型的应用就是转动传感，即光纤陀螺。由于它没有活动部件，没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区，因而非常有希望制成高性能低成本的器件。图3-1是Sagnac光纤干涉仪的原理图。用一长为L的光纤，绕成半径为R的光纤圈。一激光束由分束镜分成两束，分别从光纤两端输入，再从另一端输出。两输出光叠加后将产生干涉效应，此干涉光强由光电探测器检测。2019/10/28111.基本原理当环形光路相对于惯性空间有一转动Ω时（设Ω垂直于环路平面），对于顺、逆时针传播的光，将产生一非互易的光程差。式中：A是环形光路的面积；c为真空中的光速。当环形光路由N圈单模光纤组成时，对应顺、逆时针光速之间的相位差为2019/10/28122.优点和难点和一般的陀螺仪相比较，光纤陀螺仪的优点如下：（1）灵敏度高由于光纤陀螺仪可采用多圈光纤的办法，以增加环路所围面积（面积由A变成NA，n是光纤圈数），这样就大大增加了相移的检测灵敏度，但不增加仪器的尺寸。（2）无转动部分由于光纤陀螺仪被固定在被测的转动部件上，因而大大增加了其实用范围。（3）体积小2019/10/2813应用光纤陀螺仪测量的基本难点是：对其元件、部件和系统的要求极为苛刻。例如，为了检测出10-2º/h的转速，使用长L为1km的光纤，光波波长为1μm，光纤绕成直径为10cm的线圈时，由Sagnac效应产生的相移Δφ为10-2rad，而经1km长光纤后的相移为6×109rad，因此相对相移的大小为Δφ/φ≈10-7。由此可见所需检测精度之高，由于Sagnac光纤干涉仪集中体现了一般光纤干涉仪中应考虑的所有主要问题，因此下面考虑的问题对其他光纤干涉仪也有重要的参考价值。2019/10/28143.4个关键问题（1）互易性和偏振态为了精确测量，需要使光路中沿相反方向行进的两束相干光，只存在因转动引起的非互易相移，而所有其他因素引起的相移都应互易，这样所对应的相移才可相消。一般是采取同光路、同模式、同偏振的“三同”措施。①同光路在原理性光路（见图3-3）中只用一个分/合束器。于是一束光两次透射通过分束器，另一束光则由分束器反射两次。这两者之间有附加的光程差。若把一个分/合束器改为两个分/合束器，使得顺、逆行的两束光从源到探测器之间都同样经过两次透射，两次反射，这时无附加光程差。②同模式如果干涉仪中用的是多模光纤，那么当输入某一模式的光后，在光纤另一端输出的一般将是另一种模式的光，这两种不同模式的光耦合干涉后产生的相移将是非互易的和很不稳定的。因此应采用单模光纤以及单模滤波器，以保证探测到的是同模式的光叠加。2019/10/2815③同偏振态在使用单模光纤时，由于它一般具有双折射特性，也会造成一种非互易的相移。两偏振态之间的能量耦合，还将降低干涉条纹的对比度。双折射效应是由于光纤所受机械应力及其形状的椭圆度而引起的，所以也是不稳定的。为保证两束光的偏振态相同，通常在光路中采用偏振态补偿技术和/或控制系统，以及使用能够保持偏振态特性的高双折射光纤（保偏光纤）。采用只有一个偏振态的单偏振光纤，可以更好地解决这一问题。（2）偏置和相位调制干涉仪所探测到的光功率为可见，对于慢转动（即小Δφ），检测灵敏度很低。为此，必须对检测信号加一个相位差偏置Δφb，其偏置量介于Pd的最大值和最小值之间，如图3-3所示。2019/10/28162019/10/28172019/10/2818(3)光子噪声在Sagnac光纤陀螺中，各种噪声甚多，大大影响了信噪比S/N，因此这是一个必须重视的问题。其中，光子噪声属基本限制。噪声的大小与入射到探测器上的光功率有关，现按直流偏置计算其值的大小。在积分时间T内探测器上收到的平均光子数为2019/10/2819(4)寄生效应的影响及减除方法①直接动态效应作用于光纤上的温度及机械应力，会引起光纤中传播常数和光纤的尺寸发生变化，这将在接收器上引起相位噪声。互易定理只适用于时不变系统，若扰动源对系统中点对称，则总效果相消。因此应尽量避免单一扰动源靠近一端，并应注意光纤圈的绕制技术。②反射及Rayleigh背向散射由于光纤中产生的Rayleigh背向散射，以及各端面的反射会在光纤中产生次波a1，a2，它们与初级波A1，A2会产生相干叠加，这将在接收器上产生噪声。光纤中Rayleigh散射起因于光纤内部介质的不均匀性。散射波具有全方向性且频率不变，光强正比于1/λ4。对于1KM长的光纤，Rayleigh反向散射造成的最大相位误差为rad，对于直径D=10cm，λ=1μm的光纤陀螺，相应的角速度误差为103rad/h量级。2019/10/2820③Farady效应在磁场中的光纤圈由于Faraday效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大小为10º/h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。④光Kerr效应光Kerr效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航）不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW的一般情况，就要求功率稳定性优于10-4。2019/10/2821⑤偏振误差在光纤陀螺中偏振器不良、光纤内正交偏振模之间的能量耦合等都会带来偏振误差。设角速度的偏移量为ΔΩb≤0.005º/h，即所引起的相位变化量Δφbmax=2.5×10-8rad，则首先必须采用高双折射光纤，且拍长h参数目前达到10-6m-1左右，这就相当于偏振器的消光比为80dB。目前较好的偏振器消光比为60dB左右，要实现80dB的消光比要求，技术上尚有困难。不过Δφbmax是最坏的结果，因此，实际上对偏振器的要求可放宽。以上讨论了光纤陀螺中最基本的几种误差源和在一定范围内限制误差大小所应采取的措施。光纤陀螺的实际工作环境较恶劣，还会带来其他的角速度误差，因此必须采取其他相应的措施。2019/10/28223.2.3光纤Fabry-Perot干涉仪一般Fabry-Perot干涉仪由两片具有高反射率的反射镜构成，光束在其间多次反射构成多光束干涉。由于镜面的衍射损耗等因素，Fabry-Perot干涉仪的腔长一般为厘米量级，其应用范围受到一定限制。光纤Fabry-Perot干涉仪是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成（如图3-5所示）。此高反射膜可以直接镀在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射膜粘贴在光纤端面上。由于光纤的波导作用，光纤Fabry-Perot干涉仪（FFPI）的腔长可以是几厘米、几米甚至几十米，而且其细度并不低。2019/10/28233.2.4光纤环形腔干涉仪利用光纤定向耦合器将单模光纤连接成闭合回路，即构成图3-6所示光环形腔干涉仪。激光束从环形腔1端输入时，部分光能耦合到4端，部分直通入3端进入光环内。当光纤环不满足谐振条时，由于定向耦合器的耦合率近于1，大部分光从4端输出，环形腔的传输光强接近输入光强。当光纤环满足谐振条件时，腔内光场因谐振而加强，并经由2端直通到4端，该光场与由1端耦合到4端的光场叠加，形成相消干涉，使光纤环形腔的输出光强减小，如此多次循环，使光纤环内的光场形成多光束干涉，4端的输出光强在谐振条件附近为一细锐的谐振负峰，与F-P干涉仪类似。2019/10/2824光纤环形腔的输出特性与定向耦合器的耦合率、插入损耗以及光纤的传输损耗有关。下面给出其腔内光强和输出光强的表达式（见图3-6）。腔内相对光强为环形腔输出相对光强为式中：2019/10/2825Ei是定向耦合器第i端光振幅；K和γ分别为耦合器的光强耦合率和插入损耗；a为光纤的振幅衰减因子；β为光波在光纤中