第四讲 相位调制机理与检测技术

第四讲相位调制机理与检测技术相位调制是通过干涉仪进行的，在光纤干涉仪中，以敏感光纤作为相位调制元件。相位调制光纤传感器的基本传感原理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，再利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。nLk0应力、应变、温度每米光纤的检测灵敏度对温度为10-8℃，对压力为10-7Pa，对应变为10-7。一．相位调制1.应力应变效应2.温度应变效应二．光纤干涉仪1、迈克尔逊光纤干涉仪2、马赫－泽德光纤干涉仪3、萨格奈克（Sagnac）光纤干涉仪4、法布里－珀罗（Fabry-Perot）光纤干涉仪三．相位压缩原理及微分干涉仪1、相位压缩原理2、微分干涉仪四．小结主要介绍了两种能引起传输光相位变化的物理效应：应力应变和温度应变；介绍了4种主要的相位调制光纤干涉仪，分析了各自的工作原理和特性参数；最后我们介绍了一种新型的相位调制技术：相位压缩，利用这一原理制成的微分干涉仪具有简单、实用的优点。1.应力应变效应当光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，光纤的长度、芯径纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化。光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为：LL2光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式：第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应）；第二项表示感应折射率的变化引起的相位延迟（光隙效应）；第三项则表示光纤的半径改变所产生的相位延迟（泊松效应）。aaLnnLLLLLL实现纵向、径向应变最简便的方法采用一个空心的压电陶瓷圆柱筒（PZT），在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤承受到应力，光波相位也随之变化。2.温度应变效应作用机理:若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效为作用力时，那么作用力将同时影响光纤折射率和长度的变化。由引起光纤中光波相位延迟为dFdLLndFdnLkdFdLnkdFdnLkdFd000第一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项表示光纤几何长度变化引起的相位变化二．光纤干涉仪敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位－光强的转换任务。1、迈克尔逊光纤干涉仪使用He-Ne激光器，这种技术能检测10－7um级的位移。2、马赫－泽德光纤干涉仪干涉仪能探测小至10－13m的位移这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。全光纤干涉仪3、萨格奈克（Sagnac）光纤干涉仪作用机理萨格奈克效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同。若平台以顺时针方向旋转，则在顺时针方向传播的光较之逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：cA08萨格奈克干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础。光线陀螺仪的结构cNA08光强与相移的关系曲线存在的问题4、Fabry-Perot光纤干涉仪2sin141/220RRII法布里－珀罗光纤干涉仪如课本p114图5-27所示。它与一般法布里－珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了以传感器控制反射镜移动实现了调相。共同的缺点上面提到的马赫-曾德、迈克尔逊、萨格奈克、法布里-珀罗干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共同的缺点：温度敏感，需要长相干长度的光源、信号处理电路复杂。改进如果把输出相位信号限定在干涉仪的线性范围内，那么传感器的系统将大大地简化，它可以不采用复杂的电路进行信号处理及相位补偿技术。解决方案：使用相位压缩原理。三．相位压缩原理及微分干涉仪1、相位压缩原理优点：基于相位压缩原理建立的微分干涉仪具有线性范围广、信号处理电路简单，而且还对缓变的温度等环境因素不敏感，并能使用短相干长度的光源等优点。什么是相位压缩原理？相位压缩原理是指干涉仪测量的相位为干涉光束相位差的变化量，不是普通干涉仪的相位差。这可以通过在固定的时间间隔内测量相位差获得，而时间间隔可以从延时光纤得到。相位差变化量幅值：0224cLLfnssnm相位压缩原理的相位变化量与信号频率，延迟线长度及光纤的长度变化量成正比。当频率小或延迟线短时，它的相位检测信号就小.2、微分干涉仪基于相位压缩原理建立的干涉仪称为微分干涉仪p116