光纤传感器基本原理2重点

第八章、光纤传感器基本原理三、相位调制机理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，从而检测出待恻的物理量。光纤中光的相位由光纤波导的物理长波、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定，可以表示为k0nL，其中k0为光在真空中的波数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径的长度。一般说，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。aaLnnLLLLLLLL21.相位调制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。敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感光纤的相互作用，导致光纤中光相位的调制。式中，a为光纤芯的半径；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变化引起的相位延迟(光隙效应)；第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。(1)应力应变效应光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相位延迟为光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式纵向应变引起的相位变化径向应变引起的相位变化光弹效应引起的相位变化一般形式的相位变化实现纵向、径向应变最简便的方法是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，光波相位随之变化。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F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为(2)温度应变效应式中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，式中没有考虑光纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化△T和相位变化描述，则有2.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。设有光振幅分别为A1和A2的两个相干光束。如果其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则在干涉域中产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为：)cos(22122212AAAAA式中，△φ是相位调制引起的两相干光之间的相位差。(1)迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪两相干光的相位差为：lk02当可移动反射镜每移动△l=λ/2长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化一个周期。▲迈克尔逊全光纤干涉仪的结构：(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪与迈克尔逊干涉仪之区别：1.它没有光返回到激光器，利于激光器减少不稳定噪声；2.从分束器上也可以获得两束光，一为参考光的反射，一为信号光的透射，若需要，可利用这两束光获得第二个输出信号。▲马赫-泽德全光纤干涉仪的基本结构：保证全光纤干涉仪的工作点稳定是比较困难的。在零差检测方式中，需要保证两光纤臂间的正交状态。所谓“正交状态”，是指于涉仪的两臂光波间的相对相位为90o。正交检测方式的优点是探测相位灵敏度最高。(3)赛格纳克(Sagnac)光纤干涉仪当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上，且平台以角速度Ω转动时，根据赛格纳克效应，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逆时针方向传播的光延迟。这个相位延迟量可表示为cA08▲光纤陀螺仪的结构：其相移表达式为：cNA08(4)法布里-珀罗(Febry-Perot)光纤干涉仪02)11()12(IRRn时，干涉光强有最小值02In时，干涉光强有最大值这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种千涉仪都是双光束干涉，而法布里一琅罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强的变化为)]2sin()1(41/[20RRII2)11(RR两者之比为▲法布里-珀罗光纤干涉仪：四、频率调制机理它主要是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度。多普勒效应是指当光源和观察者作相对运动时，观察者按收到的光频率和光源发射的频率不同的现象。设光源和观察者处于同一位置。如果频率为f的光照射在相对光速度为v的运动物体上，那么观察者接收的运动物体反射光频率f1为]cos)(1[]cos)(1[12/1221cvfcvcvff式中，θ是光源至观察着方向与运动方向的夹角。当光源和观察者处于相对静止的二个位置时，可当作双重多普勒效应来考虑。先考虑从光源到运动体，再考虑从运动体到观察者。]cos)(1[P11cvff点，在]cos)(1[Q212cvff处，在根据上述两式，并考虑vc，可近似把双重多普勒频率方程表示为)]cos(cos1[212cvff1.光纤多普勒技术激光通过偏振分束器和输入光学装置射入多模光纤，光纤的另一端插入流体中以便测量流体或其中粒子运动速度。光在流体中散射，其中一部分散射光被光纤收集，沿光纤返回。散射光是随机偏振光，因此返回光有一部分被偏振分束器反射到光探测器。2.光纤多普勒系统的局限性光纤多普勒系统的主要局限性是检测媒质的穿透范围小，原因是发射光纤端面和入射进光纤的数值孔径太小，可用下图的透镜系统可解决这一问题。