第3章 相位调制型光纤传感器.ppt

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1、相位调制型光纤传感器FiberOpticSensorsLecture3光纤传感器的分类功能型按照被调制的光波参数强度调制型相位调制型频率调制型波长调制型偏振调制型核心技术—光调制技术入射光波出射光波入射光波的特征参量：相位外界因素：温度，压力，电磁场，位移5.3特点特点：干涉测量灵敏度高直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、温度（10-8℃）、电磁场多参量同时测量、灵活需要特殊光纤－单模、保偏、增敏、去敏入射光波出射光波Ist相位调制区信号参考信道*干涉效果的定量表征－条纹的清晰度清晰度条纹的反衬度K（对比度）来定量表征清晰度K=1:清晰度

2、最大－完全相干K=0:清晰度最低－非相干0

3、子发出的同一波列光程差要小于波列长度相干条件光纤中的相位调制应力/应变调制温度调制可以转化的调制5.3.1相位调制机理应力应变效应通过长L的光纤，出射光波的相位延迟：光波在外界因素影响下的相位变化：材料折射率变化与应变的关系参考书（5-17）应变效应光弹效应泊松效应5.3传感机理例3‑1：水和空气对应的分别为6×10-6K/Pa和9×10-2K/Pa说明：水声传感时温度变化项完全可以忽略裸光纤放在空气中时温度变化项反而是压力变化项的2×103倍灵敏度比水声高一个数量级5.3.1相位调制机理cont’d温度应变效应－类似于应力应变效应仅考虑径向折射率变化时：对

4、于四层光纤，考虑边界条件：5.3.1相位调制机理cont’d多层结构的考虑：纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷…结论：二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。MZ干涉仪中，声压力产生的温度效应实现应变的方法：PZT光纤5.3.2光纤干涉仪的类型Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪Fabry-Perot干涉仪Sagnac干涉仪（环形腔）相位压缩原理与微分干涉仪白光干涉干涉测量原理双光束干涉：多光束干涉结论R：反射率；φ：相邻光束的相位差5.3.2光纤干涉仪1-2Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪干涉光强:外界因素引起L和n的变化

5、：LD探测臂参考臂干涉条纹耦合器耦合器LD探测臂参考臂PD信号处理光纤反射端面固定可移动耦合器波导效应，可忽略5.3.2光纤干涉仪1-2cond’tMZ干涉仪的应用例－线性调频外差型干涉仪固定光程差（～10cm－由光源线宽决定）检测：锁相、比较和计数解决：条纹高细分困难，导致精度不高测量灵敏度和精度随光程差改变；易受外界环境影响等用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围小的矛盾DFB驱动光栅写入装置折射率变化区隔离器耦合器耦合器5.3.2光纤干涉仪3Sagnac干涉仪结构优势：无活动部件无非线性效应无闭锁区LDΩPD耦合器12Δla光束b光束ΩR-ππ

6、π/20BId2φ光强-相移关系5.3.2光纤干涉仪3cont’d4个问题互易性与偏振态同光路：一个耦合器附加光程差同模式：使用单模光纤同偏振态：对保偏光纤的需求偏置与相位调制余玄函数近零点（低转速）灵敏度很低光子噪声基本限制影响信噪比寄生效应的影响与消除直接动态效应：温度，应力反射和Rayleigh散射Faraday效应光Kerr效应45度和动态偏置：无转动部件；偏置点稳定调制方法：外差调制磁光调制－调相－附加45度相移声光调制－调频5.3.2光纤干涉仪3cont’dSagnac干涉仪的应用光纤陀螺与组合导航有RF寻的的制导区、弹头或测试区、控制区、推进器区

7、5.3.2光纤干涉仪4－多光束干涉Fabry-Perot干涉仪原理FFPI的结构2个重要参数自由谱区宽度FSR条纹细度Laser光探测量传感器5.3.2光纤干涉仪4－多光束干涉cont’dFFPI的应用FBG信号解调系统FFPI传感器5.3.2光纤干涉仪5－多光束干涉cont’d光纤环形腔干涉仪自由谱区宽度（FSR）干涉细度F：耦合器激光输入光输出光纤环1324I3-βLI4-βL5.3.3相位压缩与微分干涉仪相位压缩原理普通的干涉仪的共同缺点温度敏感长相干长度的光源信号处理电路复杂干涉项－相位差的余弦函数限制了它们的线性输出范围线性函数近似正弦函数在正交工作状