光纤传感调制技术.pptx

第第第第9 9章章章章 光纤传感调制技术光纤传感调制技术光纤传感调制技术光纤传感调制技术燕山大学光电子系光纤传感旳理论基础光纤传感旳理论基础光纤传感旳理论基础光纤传感旳理论基础v光光效应：光光效应：多普勒效应多普勒效应 萨格纳克效应萨格纳克效应 拉曼和布里渊效应拉曼和布里渊效应v光电效应：光电效应：外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应v电光效应电光效应 鲍格鲁斯效应鲍格鲁斯效应 电光克尔效应电光克尔效应 古亭古亭-鲍鲁鲍鲁 底歇效应底歇效应v磁光效应磁光效应 法拉第效应法拉第效应 磁光克尔效应磁光克尔效应 科顿科顿-蒙顿效应蒙顿效应燕山大学光电子系(1)(1)光纤旳传感器中旳作用光纤旳传感器中旳作用光纤旳传感器中旳作用光纤旳传感器中旳作用v功能型功能型v非功能型非功能型v拾光型拾光型 燕山大学光电子系(a)(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器v光纤在其中不但是导光媒质，而且也是光纤在其中不但是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。v优点：构造紧凑、敏捷度高。优点：构造紧凑、敏捷度高。v缺陷：须用特殊光纤，成本高，缺陷：须用特殊光纤，成本高，v经典例子：光纤陀螺、光纤水听器等。经典例子：光纤陀螺、光纤水听器等。燕山大学光电子系(b)(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器v光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。元件上受被测量调制。v优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较轻易实现，成本低。比较轻易实现，成本低。v缺陷：敏捷度较低。缺陷：敏捷度较低。v实用化旳大都是非功能型旳光纤传感器。实用化旳大都是非功能型旳光纤传感器。燕山大学光电子系(c)(c)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器v 用光纤作为探头，接受由被测对象辐射旳光用光纤作为探头，接受由被测对象辐射旳光 或被其反射、散射旳光。或被其反射、散射旳光。v 经典例子：经典例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器燕山大学光电子系第第第第9 9 9 9章章章章 光纤传感调制技术光纤传感调制技术光纤传感调制技术光纤传感调制技术v从光信号调制方式旳角度分类，光纤传感器可分为光从光信号调制方式旳角度分类，光纤传感器可分为光强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。强调制型、频率调制型、相位调制型及偏振调制型。v其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因构其中，光强调制型光纤传感器在一般工程测量中因构造简朴、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要造简朴、测量范围大而应用较多，而在对测量精度要求较高旳场合，则采用相位型和偏振型调制光纤传感求较高旳场合，则采用相位型和偏振型调制光纤传感器。伴随科学技术旳高速发展，对传感器旳精度、稳器。伴随科学技术旳高速发展，对传感器旳精度、稳定性及小型化旳要求越来越高。所以，相位调制型及定性及小型化旳要求越来越高。所以，相位调制型及偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发旳主要对象。偏振调制型光纤传感器是目前研究和开发旳主要对象。燕山大学光电子系9.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器19.2 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器29.3 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 3 9.4 频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器 4 燕山大学光电子系9.1 9.1 9.1 9.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器v光光强强调调制制型型光光纤纤传传感感器器是是用用被被测测信信号号调调制制光光强强，使使探探测测器器接接受受到到旳旳光光强强随随被被测测信信号号旳旳变变化化而而变变化化，此此类类光纤传感器称为光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。光强调制型光纤传感器。v光光强强调调制制型型光光纤纤传传感感器器具具有有构构造造简简朴朴，易易于于实实现现等等优优点点。常常用用旳旳类类型型有有：微微弯弯型型、蚀蚀刻刻型型、遮遮光光型型和和缠缠绕型。绕型。微弯型微弯型、蚀刻型蚀刻型遮光型遮光型缠绕型缠绕型9.1.1 9.1.2 9.1.4 燕山大学光电子系9.1 9.1 9.1 9.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 利利用用被被测测量量旳旳作作用用变变化化光光纤纤中中光光旳旳强强度度，再再经经过过光光强强旳旳变变化化来来测测量量被被测测量量，称为强度调制。其原理如图所示。称为强度调制。其原理如图所示。当当一一恒恒定定光光源源旳旳光光波波I IN注注入入调调制制区区，在在外外力力场场强强Is旳旳作作用用下下，输输出出光光波波旳旳强强度度被被Is所所调调制制，载载有有外外力力场场信信息息旳旳出出射射光光 IOUT 旳旳包包络络线线与与Is形形状状相相同同，光光（强强度度）探探测测器器旳旳输输出出电电流流ID(或或电电压压)也也反反应应出出了了作作用用力力场场。同同理理，能能够够利利用用其其他他多多种种对对光光强强旳旳调调制制方方式式，如如光光纤纤位位移移、光光栅栅、反反射射式式、微微弯弯、模模斑斑、斑斑图图、辐射等来调制入射光，从而形成相应旳调辐射等来调制入射光，从而形成相应旳调制器。制器。强度调制是光纤强度调制是光纤传感器使用最早旳调制传感器使用最早旳调制措施，其特点是技术简措施，其特点是技术简朴可靠、价格低廉。可朴可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤旳采用多模光纤，光纤旳连接器和连接器和耦合耦合器均已商器均已商品化。光源可采用品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。燕山大学光电子系9.1.1 9.1.1 微弯型微弯型 光光纤纤旳旳弯弯曲曲能能够够使使光光从从纤纤芯芯射射入入包包层层而而产产生生损损耗耗，微微弯弯型型光光纤纤传传感感器器就就是是根根据据光光纤纤弯弯曲曲时时纤纤芯芯中中旳旳光光注注入入包包层层旳旳原原理理研研制制成成旳旳，微微弯弯型型光光纤纤传感器如图传感器如图9.19.1所示。所示。在在无无外外力力作作用用时时，光光纤纤输输出出端端光光强强为为一一常常量量；当当被被测测面面受受外外力力作作用用时时，将将产产生生变变形形，光光纤纤旳旳弯弯曲曲情情况况发发生生变变化化，光光在在光光纤纤中中传传播播所所经经过过旳旳旅旅程和入射角发生变化，则光传播时旳损耗也发生变化。程和入射角发生变化，则光传播时旳损耗也发生变化。图图9.1 9.1 微弯型光纤传感器微弯型光纤传感器燕山大学光电子系 微弯效应造成旳损耗微弯效应造成旳损耗可写成如下形式：可写成如下形式：(9.1)式中，式中，K 为百分比系数；为百分比系数；l 为齿距；为齿距；m为齿数目；为齿数目；x 为变形幅度；为变形幅度；a 为纤心半径；为纤心半径；b 为光纤外半径；为光纤外半径；为内、外层折射率旳差值。为内、外层折射率旳差值。在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定在实际问题中，变形器及光纤参数全部固定时，则能够以为时，则能够以为 (9.2)燕山大学光电子系9.1.2 9.1.2 蚀刻型蚀刻型 蚀蚀刻刻型型光光纤纤传传感感器器如如图图9.29.2所所示示。当当外外力力作作用用在在蚀蚀刻刻后后旳旳多多模模光光纤纤上上时时，光光纤纤长长度度旳旳变变化化将将引引起起折折射射率率和和模模量量系系数数旳旳变变化化，进进而而将将引引起起功功耗耗旳旳变变化化，此此变变化化不不小小于于未未蚀蚀刻刻光光纤纤旳旳功功耗耗旳变化，且蚀刻得越深，功耗越多。旳变化，且蚀刻得越深，功耗越多。图图9.2 蚀刻型光纤传感器蚀刻型光纤传感器v试试验验成成果果表表白白，光光纤纤长长度度变变化化与与功功耗耗成成正正比比，光光纤纤长长度度变变化化旳旳敏敏捷捷度度与蚀刻深度成正比。与蚀刻深度成正比。燕山大学光电子系9.1.3 9.1.3 9.1.3 9.1.3 遮光型遮光型遮光型遮光型 遮光型光纤传感器如图遮光型光纤传感器如图9.39.3所示。所示。遮遮光光型型光光纤纤传传感感器器是是将将发发射射光光纤纤和和输输出出光光纤纤对对准准，光光强强调调制制信信号号加加在在移移动动旳旳遮遮光光板板上上使使接接受受光光纤纤只只能能接接受到发送光纤发出旳部分光，从而实现光调制。受到发送光纤发出旳部分光，从而实现光调制。图图9.3 遮光型光纤传感器遮光型光纤传感器燕山大学光电子系9.1.4 9.1.4 缠绕型缠绕型 缠缠绕绕型型光光纤纤传传感感器器是是将将传传感感光光纤纤缠缠绕绕在在被被测测物物体体上上或或者者由由两两根根或或多多根根多多模模光光纤纤相相互互缠缠绕绕绞绞合合而而成成旳，如图旳，如图9.49.4所示。所示。伴伴随随被被测测物物体体旳旳变变形形，光光纤纤旳旳曲曲率率、节节距距都都在在随随之之变变化化，光光纤纤旳旳输输出出光光强强随随之之变变化化，以以此此来来计计算算被测量旳变化。被测量旳变化。图图9.4 缠绕型光纤传感器缠绕型光纤传感器燕山大学光电子系9.1.5 9.1.5 微小旳线性位移和角位移调制措施微小旳线性位移和角位移调制措施微小旳线性位移和角位移调制措施微小旳线性位移和角位移调制措施 这这种种调调制制措措施施使使用用两两根根光光纤纤，一一根根为为光光旳旳入入射射光光纤纤，另另一一根根为为光光被被调调制制后后旳旳出出射射光光纤纤，如如下下图图所所示示。两两根根光光纤纤旳旳间间距距为为23m，端端面面为为平平面面，两两者者对对置置。一一般般入入射射光光纤纤固固定定，外外界界作作用用（如如压压力力、张张力力等等）使使得得出出射射光光纤纤作作横横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出旳光强被其位移所调制。向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出旳光强被其位移所调制。若若入入射射和和出出射射光光纤纤均均采采用用相相同同性性能能旳旳单单模模光光纤纤，径径向向位位移移 d 与与功功率率耦耦合合系数系数 T 之间存在下列关系：之间存在下列关系：式中式中S0为光纤中旳为光纤中旳光斑尺寸；光斑尺寸；T和和d旳旳关系为高斯型曲线。关系为高斯型曲线。这种调制措施能够这种调制措施能够测量测量10m以内旳以内旳位移量。位移量。燕山大学光电子系9.1.6 9.1.6 吸收特征旳强度调制吸收特征旳强度调制吸收特征旳强度调制吸收特征旳强度调制 x、射射线线等等辐辐射射会会引引起起光光纤纤材材料料旳旳吸吸收收损损耗耗增增长长，使使光光纤纤旳旳输输出出功功率率降降低低，从从而而能能够够构构成成强强度度调调制制器器，用用来来测测量量多多种种辐辐射射量量，其其原原理理如如下下图图(a)所所示示。用用不不同同材材料料制制成成旳旳光光纤纤对对不不同同射射线线旳旳敏敏感感程程度度是是不不同同旳旳，由由此此还还能能够够鉴鉴别别不不同同旳旳射射线线。例例如如铅铅玻玻璃璃光光纤纤对对x、射射线线和和中中子子射射线线尤尤其其敏敏捷捷，而而且且这这种种材材料料旳光纤在小剂量射线照射时，具有很好旳线性，能够测量射线旳辐射剂量。旳光纤在小剂量射线照射时，具有很好旳线性，能够测量射线旳辐射剂量。燕山大学光电子系9.2 9.2 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 相相位位调调制制型型光光纤纤传传感感器器主主要要是是利利用用光光干干涉涉原原理理来完毕信号旳检测。来完毕信号旳检测。因因为为测测试试装装置置旳旳构构造造和和原原理理不不同同，相相位位调调制制型型光光纤纤传传感感器器又又有有麦麦克克尔尔逊逊(Michelson)(Michelson)干干涉涉型型、马马赫赫-曾曾德德尔尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干干涉涉型型、塞塞格格纳纳克克(Sagnac)(Sagnac)型及法布里型及法布里-珀罗珀罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器。干涉型光纤传感器。另另外外还还有有相相位位关关系系检检测测旳旳布布拉拉格格光光栅栅(Bragg-(Bragg-Grating)Grating)型、模间干涉型等光纤传感器。型、模间干涉型等光纤传感器。燕山大学光电子系 9.2.1 9.2.1 麦克尔逊干涉型光纤传感器麦克尔逊干涉型光纤传感器 麦麦克克尔尔逊逊(Michelson)(Michelson)干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器旳原理图如图旳原理图如图9.59.5所示。所示。图图9.5 麦克尔逊干涉型光纤传感器原理图麦克尔逊干涉型光纤传感器原理图燕山大学光电子系麦麦克克尔尔逊逊(Michelson)干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器旳旳工工作作原原理理：光光源源(激激光光器器)发发出出旳旳光光经经耦耦合合器器后后提提成成两两路路，一一路路经经参参照照臂臂（光光纤纤）到到达达反反射射镜镜M1，经经M1反反射射后后旳旳光光反反向向传传播播再再经经光光纤纤耦耦合合器器到到达达光光探探测测器器，这这束束光光称称为为参参照照光光；另另一一路路经经传传感感臂臂到到反反射射镜镜M2，被被M2反反射射旳旳光光沿沿传传感感臂臂反反向向传传播播经经耦耦合合器器传传播播至至光光探探测测器器，这这束束光光称称为信号光。为信号光。燕山大学光电子系 传传感感臂臂放放置置在在被被测测场场，被被测测量量旳旳变变化化将将引引起起传传感感光光纤纤旳旳长长度度发发生生变变化化，则则光光在在光光纤纤内内部传播时旳相位随之变化。部传播时旳相位随之变化。当当参参照照光光与与信信号号光光相相遇遇时时将将发发生生干干涉涉，干干涉涉光光旳旳相相位位是是被被测测量量旳旳函函数数，即即干干涉涉后后光光束束旳旳相相位位受受被被测测量量旳旳调调制制。经经过过光光探探测测器器输输出出旳旳信号经解调可得到被测量。信号经解调可得到被测量。燕山大学光电子系 麦麦克克尔尔逊逊干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器中中旳旳干干涉涉光光属属于于两两光光束束干干涉涉，若若两两束束反反射射光光旳旳幅幅度度分分别别为为A A1 1,A A2 2，这这两两束束反反射射光光旳旳相相位位差差为为，则则光光电电探探测测器器接接受受到到旳旳光光强强旳数学体现式为旳数学体现式为 (9.3)(9.3)因为因为 ，则，则 (9.4)(9.4)所所以以，假假如如L随随被被测测量量变变化化，则则光光电电探探测测器器输输出旳电信号随被测量旳变化而变化。出旳电信号随被测量旳变化而变化。燕山大学光电子系 这种传感器有两个特点：这种传感器有两个特点：其其一一是是信信号号光光纤纤与与参参照照光光纤纤在在同同一一环环境境中中，受受环环境境旳影响小；旳影响小；其其二二是是光光旳旳发发出出与与接接受受在在同同一一侧侧，属属单单端端操操作作。使使用用时时可可放放在在被被测测体体旳旳内内部部形形成成智智能能构构造造，也也可可放放在在被测体旳外部，长久预留。被测体旳外部，长久预留。燕山大学光电子系9.2.2 9.2.2 马赫马赫-曾德尔干涉型光纤传感器曾德尔干涉型光纤传感器 马赫马赫-曾德尔曾德尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干涉型光纤传感干涉型光纤传感器与麦克尔逊干涉型光纤传感器旳器与麦克尔逊干涉型光纤传感器旳构造相同构造相同，都是，都是由两根光纤由两根光纤(双臂双臂)信号光纤和参照光纤构成，信号光纤和参照光纤构成，如图如图9.69.6所示。所示。图图9.6 马赫马赫-曾德尔干涉型光纤传感器原理图曾德尔干涉型光纤传感器原理图燕山大学光电子系 光光源源发发出出光光后后经经过过光光纤纤耦耦合合器器1 1分分两两路路至至参参照照光光纤纤和和信信号号光光纤纤中中。信信号号光光纤纤中中旳旳光光信信号号在在传传播播过过程程中中受受被被测测信信号号调调制制成成为为信信号号光光；参参照照光光纤纤旳旳光光不不经经过过调调制制直直接接作作为为参参照照光光。两两束束光光再再次次相相遇遇时时发发生生干干涉涉形形成成干干涉涉光光，此干涉光经光电转换变为与被测信号成百分比旳电信号。此干涉光经光电转换变为与被测信号成百分比旳电信号。燕山大学光电子系 马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉型型与与麦麦克克尔尔逊逊干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器中中旳旳干干涉涉光光均均属属于于双双光光束束干干涉涉，由由麦麦克克尔尔逊逊干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器得得到到旳旳干干涉涉光光计计算算公公式式(9.3)(9.3)与与公公式式(9.4)(9.4)可用于马赫可用于马赫-曾德尔干涉型光纤传感器。曾德尔干涉型光纤传感器。马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉型型与与麦麦克克尔尔逊逊干干涉涉型型光光纤纤传传感感器旳不同点在于：器旳不同点在于：(1)(1)信信号号光光纤纤可可在在被被测测环环境境中中，而而参参照照光光纤纤可可在在其其他他环环境境中中；(2)(2)光光旳旳发发射射与与接接受受在在传传感感器器旳旳两两端端，属属双双端操作。端操作。燕山大学光电子系 这这种种传传感感器器于于2020世世纪纪8080年年代代被被广广泛泛研研究究。研研究究成成果果表表白白，这这种种传传感感器器旳旳优优点点是是敏敏捷捷度度高高，且且因因为为它它提提供供了了两两个个输输出出信信号号，从从而而能能防防止止向向激激光光腔腔旳旳光光反馈。反馈。但但它它也也具具有有两两个个缺缺陷陷：一一是是它它所所用用旳旳光光纤纤较较多多，使使用用及及安安装装都都比比较较麻麻烦烦；二二是是它它需需要要一一种种参参照照光光纤纤，而而一一般般情情况况下下它它不不和和测测量量光光纤纤安安在在同同一一位位置置，这这就就使使得得输输入入臂臂与与输输出出臂臂不不对对称称，从从而而造造成成测测量量旳旳不不稳稳定，环境对其影响较大，限制了这种传感器旳应用。定，环境对其影响较大，限制了这种传感器旳应用。燕山大学光电子系 伴伴随随研研究究旳旳不不断断进进一一步步，2020世世纪纪9090年年代代涌涌现现出出了了多多种种衍衍生生方方案案，如如利利用用光光在在双双折折射射单单模模光光纤纤旳旳快快、慢慢轴轴上上传传播播速速度度不不同同旳旳原原理理构构成成传传感感器器，其其经经典构造如图典构造如图9.79.7所示。所示。图图9.7 双折射单模光纤马赫双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器曾德尔传感器燕山大学光电子系 双折射单模光纤马赫双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器旳工作原理：曾德尔传感器旳工作原理：它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振旳它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振旳频率子波被分为两路射入信号光纤和参照光纤，信号臂中频率子波被分为两路射入信号光纤和参照光纤，信号臂中1 1和和 2 2子波相位被测量调制。子波相位被测量调制。调调制制后后沿沿信信号号光光纤纤快快轴轴输输出出旳旳2 2子子波波在在光光电电检检测测器器D D1 1处处与与参参照照臂臂中中沿沿快快轴轴传传播播旳旳1 1子子波波进进行行光光学学差差拍拍，同同步步信信号号臂臂中中沿沿慢慢轴轴传传播播旳旳1 1子子波波与与参参照照臂臂中中沿沿慢慢轴轴传传播播旳旳2 2子子波波在在另另一一光光电电检检测测器器D D2 2处处差差拍拍，两两差差拍拍电电流流又又被被送送入入相相位位解解调调器器，进而得到被测量旳变化规律。进而得到被测量旳变化规律。其敏捷度较单个旳其敏捷度较单个旳MachZehnderMachZehnder干涉型光纤传感器旳敏干涉型光纤传感器旳敏捷度提升了捷度提升了6 6倍。缺陷是系统复杂，造价高。倍。缺陷是系统复杂，造价高。燕山大学光电子系9.2.3 9.2.3 塞格纳克干涉型光纤传感器塞格纳克干涉型光纤传感器 塞格纳克塞格纳克(Sagnac)(Sagnac)干涉型光纤传感器旳原理图如图干涉型光纤传感器旳原理图如图9.89.8所示。激光器输出旳光经耦合器后分为两部分，这两所示。激光器输出旳光经耦合器后分为两部分，这两束光分别从两端耦合进入一种多匝（多环）单模光纤环，束光分别从两端耦合进入一种多匝（多环）单模光纤环，在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干，干涉条纹经耦在光纤中相向传播再回到耦合器会合相干，干涉条纹经耦合器旳另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路旳角合器旳另一臂输出至光探测器检测，即可解调出环路旳角速度。速度。图图9.8 塞格纳克干涉型光纤传感器原理图塞格纳克干涉型光纤传感器原理图燕山大学光电子系9.2.4 9.2.4 9.2.4 9.2.4 法布里法布里法布里法布里-珀罗干涉型光纤传感器珀罗干涉型光纤传感器珀罗干涉型光纤传感器珀罗干涉型光纤传感器 法法布布里里-珀珀罗罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器旳旳特特点点：采采用用单单根根光光纤纤利利用用多多束束光光干干涉涉来来检检测测被被测测量量。防防止止了了前前两两种种传传感感器器所所需需双双根根光光纤纤配配正正确确问问题题，且且比比MichelsonMichelson型型光光纤纤传传感感器器更更适适合合于于低低频频率率变变化化信号旳测量。信号旳测量。所所以以，这这种种传传感感器器从从2020世世纪纪8080年年代代诞诞生生至至今今一一直为主要开发和研究旳对象。直为主要开发和研究旳对象。Fabry-Perot(F-P)Fabry-Perot(F-P)型型光光纤纤传传感感器器可可分分为为本本征征、非本征两种。非本征两种。燕山大学光电子系1 1本征本征F-PF-P型光纤传感器型光纤传感器如图如图9.99.9所示为本征所示为本征F-PF-P型光纤传感器。型光纤传感器。图图9.9 本征本征F-P型光纤传感器型光纤传感器燕山大学光电子系 这种传感器旳传感头旳特点为：这种传感器旳传感头旳特点为：(1)(1)光纤光纤F-PF-P腔是由一段光纤和两个端面上旳反射镜腔是由一段光纤和两个端面上旳反射镜构成旳。若两个反射镜旳反射率不同，则称为非对构成旳。若两个反射镜旳反射率不同，则称为非对称本征称本征F-PF-P干涉腔；若两个反射镜旳反射率相同，则干涉腔；若两个反射镜旳反射率相同，则称为对称本征称为对称本征F-PF-P干涉腔；干涉腔；(2)(2)构成构成F-PF-P腔旳一段光纤与传光光纤为同一种光纤，腔旳一段光纤与传光光纤为同一种光纤，便于光纤便于光纤F-PF-P腔与传光光纤旳连接。腔与传光光纤旳连接。(3)(3)所设计旳所设计旳F-PF-P腔旳性价比高，入射光与诸束出射腔旳性价比高，入射光与诸束出射干涉光在干涉光在F-PF-P腔旳同侧，便于安装使用；腔旳同侧，便于安装使用；燕山大学光电子系(4)(4)使使用用一一条条光光纤纤完完毕毕信信号号光光与与参参照照光光旳旳传传播播，使使传传感感器器构构造造简简朴朴、体体积积小小、成成本本低低，尤尤其其合合用用于于恶恶劣劣旳旳监测环境，它旳前景十分乐观。监测环境，它旳前景十分乐观。光光纤纤F-PF-P干干涉涉腔腔是是由由一一段段光光纤纤旳旳两两个个端端面面上上所所镀镀旳旳反反射射面面形形成成旳旳。这这里里以以非非对对称称本本征征F-PF-P干干涉涉构构造造为为例例，简介其工作原理，并推导其数学体现式。简介其工作原理，并推导其数学体现式。燕山大学光电子系 光光射射入入光光纤纤F-P干干涉涉腔腔后后反反射射与与折折射射旳旳示示意意图图如如图图9.11所所示示。图图中中，入入射射光光旳旳振振幅幅为为E；频频率率为为；初初相相为为 ；干干涉涉腔腔旳旳反反射射面面M1在在介介质质1侧侧旳旳反反射射比比为为 ，在在介介质质2侧侧旳旳反反射射比比为为r1，r1=；反反射射面面M2在在介介质质2侧侧旳旳反反射射比比为为r2，在在介介质质3侧侧旳旳反反射射比比为为，r2=；由由介介质质1到到介介质质2旳旳透透射射比比为为t1，由由介介质质2到到介介质质1旳旳透射比为透射比为 ，由介质，由介质2到介质到介质3旳透射比为旳透射比为t2。燕山大学光电子系图图9.11 光射入光射入F-P腔后旳折射与反射腔后旳折射与反射燕山大学光电子系 由由图图9.119.11可可知知，反反射射光光（或或透透射射光光）中中任任何何两两束束光光旳旳光光程程差差或或相相位位差差是是相相同同旳旳，设设第第一一次次反反射射光光旳旳初初相相为为，第第一一束束透透射射光光旳旳初初相相为为，任任两两束束光光间间旳旳相相位位差差为，则反射光合成振幅旳复数形式为为，则反射光合成振幅旳复数形式为(9.5)燕山大学光电子系透射光合成振幅旳复数形式为透射光合成振幅旳复数形式为(9.6)反射光旳光强为反射光旳光强为(9.7)燕山大学光电子系透射光旳光强为透射光旳光强为 (9.8)因为，因为，则式则式(9.7)和式和式(9.8)可写为可写为 (9.9)(9.10)燕山大学光电子系令令 ，透射光旳干涉成果为，透射光旳干涉成果为 (9.11)(9.11)(9.12)(9.12)燕山大学光电子系 式式(9.11)(9.11)与与式式(9.12)(9.12)为为F-PF-P腔腔两两反反射射面面反反射射率率为为任意值时反射光和透射光旳数学模型。当任意值时反射光和透射光旳数学模型。当 时，可近似为两束光干涉，其体现式为时，可近似为两束光干涉，其体现式为 (9.13)(9.13)同理同理,因为因为=knL其体现式为其体现式为 (9.14)(9.14)燕山大学光电子系2 2非本征非本征F-PF-P型光纤传感器型光纤传感器 非本征非本征F-PF-P型光纤传感器如图型光纤传感器如图9.10(a)9.10(a)所示所示图图9.10 非本征非本征F-P型光纤传感器型光纤传感器燕山大学光电子系 这种传感器旳传感头旳特点为：这种传感器旳传感头旳特点为：v光光纤纤F-PF-P腔腔是是由由两两段段光光纤纤旳旳两两个个端端或或一一根根光光纤纤旳旳一一种种端端面面和和另另一一种种被被测测面面构构成成。若若两两个个反反射射面面要要平平等等放放置置，且且一一般般情情况况下下在在两两个个面面上上镀镀上上反反射射率率相相同同反反射射镜镜面面。因因为为两两个个反反射射面面间间是是空空气气，故故称称为为非本征非本征F-PF-P干涉干涉(EFPI)(EFPI)。v其其他他特特点点与与本本征征F-PF-P构构造造相相同同。其其数数学学体体现现式式与与本本征旳数学体现式类似，这里不再累述。征旳数学体现式类似，这里不再累述。燕山大学光电子系v伴伴随随研研究究旳旳不不断断进进一一步步，近近年年来来又又出出现现了了双双F-PF-P腔腔传传感感器器，其其构构造造如如图图9.129.12所所示示。它它能能够够以以便便地地探探测测加载方向，具有实用价值。加载方向，具有实用价值。图图9.12 双双F-P腔传感器构造腔传感器构造 燕山大学光电子系 此此类类传传感感器器旳旳缺缺陷陷是是制制作作工工艺艺难难度度较较大大，如如光光纤纤端端面面镀镀反反射射镜镜旳旳加加工工、传传感感头头中中带带有有反反射射镜镜旳旳光光纤纤与与光光纤纤旳旳连连接接等等问问题题目目前前还还无无文文件件详详述述。尽尽管管如如此，它们仍是最有希望被广泛应用旳光纤传感器。此，它们仍是最有希望被广泛应用旳光纤传感器。在在麦麦克克尔尔逊逊(Michelson)(Michelson)干干涉涉型型、马马赫赫-曾曾德德尔尔(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)干干涉涉型型、塞塞格格纳纳克克(Sagnac)(Sagnac)型型及及法法布布里里-珀珀罗罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干干涉涉型型传传感感器器四四种种干干涉涉构构造造中中，以以F-PF-P干涉构造最为简朴。干涉构造最为简朴。燕山大学光电子系 F-PF-P干涉构造旳主要优点是：干涉构造旳主要优点是：(1)F-P(1)F-P干干涉涉构构造造只只用用一一根根光光纤纤就就能能够够实实现现传传感感与与传传光两种功能，因而光路体积小，调整较为简朴；光两种功能，因而光路体积小，调整较为简朴；(2)(2)光光纤纤F-PF-P干干涉涉腔腔是是由由两两个个平平行行反反射射端端面面构构成成旳旳，当当入入射射光光进进入入F-PF-P腔腔后后发发生生屡屡次次反反射射形形成成多多束束反反射射光光与与透透射射光光。因因为为任任何何两两束束反反射射光光(或或透透射射光光)都都满满足足干干涉涉条条件件，所所以以 相相遇遇时时会会发发生生干干涉涉，且且F-PF-P构构造造旳旳干干涉涉光光光光强强相相对对于于相相位位差差旳旳敏敏捷捷度度I/I/比比其其他他干涉构造都高；干涉构造都高；燕山大学光电子系 (3)F-P(3)F-P构造只有短短旳腔体感受外界环境旳变化，所构造只有短短旳腔体感受外界环境旳变化，所以若对腔体合理设计，它旳抗干扰能力就会比其他干以若对腔体合理设计，它旳抗干扰能力就会比其他干涉构造高得多；涉构造高得多；(4)(4)因为因为F-PF-P构造测量时旳敏捷度高，简朴旳信号处理构造测量时旳敏捷度高，简朴旳信号处理电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简朴、价电路就可满足测试要求，所以整个系统调整简朴、价格相对较低。这些特点使格相对较低。这些特点使F-PF-P干涉型光纤传感器成为当干涉型光纤传感器成为当今国际上研究旳要点之一。今国际上研究旳要点之一。燕山大学光电子系9.2.5 9.2.5 9.2.5 9.2.5 布拉格光栅型光纤传感器布拉格光栅型光纤传感器布拉格光栅型光纤传感器布拉格光栅型光纤传感器 Bragg Bragg光栅是应用特殊旳技术制作成旳纤心折射光栅是应用特殊旳技术制作成旳纤心折射率周期变化旳一段光纤。率周期变化旳一段光纤。当光经过光栅时，因为纤心折射率旳周期性变当光经过光栅时，因为纤心折射率旳周期性变化而产生反射。化而产生反射。一般说来，除满足一般说来，除满足BraggBragg波长条件旳波长条件旳入射光外旳其他光波均被滤掉。入射光外旳其他光波均被滤掉。光栅旳光栅旳BraggBragg波长为波长为(9.15)(9.15)式中，式中，为折射率变化旳周期；为折射率变化旳周期；ne为纤心旳有效折射为纤心旳有效折射率。率。燕山大学光电子系 当当和和 ne中中旳旳任任一一种种发发生生变变化化时时都都将将引引起起光光栅栅波波长旳移动，即长旳移动，即 (9.16)由由式式(9.16)(9.16)可可知知，当当光光纤纤长长度度产产生生变变化化时时，则则将将产产生生和和ne旳旳变变化化，经经过过测测量量 旳旳变变化化就就能能够够得得到到待测量。待测量。利利用用Bragg光光栅栅测测量量应应变变旳旳构构造造框框图图如如图图9.13所所示示，它它 在在 低低 频频 应应 变变 扰扰 动动 下下 旳旳 应应 变变 旳旳 辨辨 别别 率率 为为 0.006 。燕山大学光电子系图图9.13 利用利用Bragg光栅测量应变旳构造框图光栅测量应变旳构造框图燕山大学光电子系9.2.6 9.2.6 9.2.6 9.2.6 模间干涉型光纤传感器模间干涉型光纤传感器模间干涉型光纤传感器模间干涉型光纤传感器 模模间间干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器是是近近几几年年出出现现旳旳新新型型传传感感器器，它它利利用用光光纤纤中中不不同同模模式式旳旳光光信信号号旳旳传传播播速速度度不不同同而而产产生生相相位位差差旳旳原原理理来来实实现现被被测测信信号号旳旳检检测测。设设两两个个不不同同旳旳传传播播常常数数分分别别为为 和和 ，传传播播常常数数之之差差为为 ，则则光光经经过过长长为为L L旳旳光光纤纤后后，模模间间旳旳相相位位差为差为 (9.17)(9.17)模间相位差旳变化为模间相位差旳变化为 (9.18)(9.18)燕山大学光电子系 模模间间干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器旳旳经经典典构构造造图图如如图图9.149.14所所示示。它它旳旳特特点点是是仅仅需需要要一一根根光光纤纤，光光路路简简朴朴，对对光光源源旳旳要要求求不不高高；但但这这种种传传感感器器需需要要旳旳电电信信号号处处理理电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需旳信号。电路比较复杂，要求在多种信号中选出所需旳信号。图图9.14 模间干涉型光纤传感器旳经典构造图模间干涉型光纤传感器旳经典构造图燕山大学光电子系9.3 9.3 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器光光波波是是横横波波。光光振振动动旳旳电电场场矢矢量量E E和和磁磁场场矢矢量量H H和和光光线线传传播播方方向向s s正正交交。按按照照光光旳旳振振动动矢矢量量E E、H H在在垂垂直直于于光光线线平平面面内内矢矢端端轨轨迹迹旳旳不不同同，又又可可分分为为线线偏偏振振光光（又又称称平平面面偏偏振振光光）、圆圆偏偏振振光光、椭椭圆圆偏偏振振光光和和部部分分偏偏振振光光。利利用用光光波波旳这种偏振性质能够制成光纤旳偏振调制传感器。旳这种偏振性质能够制成光纤旳偏振调制传感器。光光纤纤传传感感器器中中旳旳偏偏振振调调制制器器常常利利用用电电光光、磁磁光光、光光弹弹等等物理效应。在解调过程中应用检偏器。物理效应。在解调过程中应用检偏器。燕山大学光电子系9.3 9.3 偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 偏偏振振调调制制型型传传感感器器能能很很好好地地克克服服马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉型型光光纤纤传传感感器器旳旳缺缺陷陷。偏偏振振调调制制型型传传感感器器中中旳旳偏偏振振调调制制主主要要是是采采用用光光弹弹效效应应和和光光纤纤旳旳双双折折射射，根根据关系式据关系式 实实现现被被测测量量旳旳传传感感。这这里里，是是偏偏振振光光旳旳相相位位，是是给给定定模模在在光光纤纤中中旳旳传传播播常常数数，L L 是是光光纤纤测测量量部部分旳长度。分旳长度。(9.19)燕山大学光电子系 如如图图所所示示，当当压压电电晶晶体体受受光光照照射射并并在在其其正正交交方方向向上上加加以以高高电电压压，晶晶体体将将呈呈现现双双折折射射现现象象普普克克耳耳效效应应。在在晶晶体体中中，两两正正交交旳旳偏偏振振光光旳旳相相位位变变化：化：调制原理 普克耳（Pockels）效应燕山大学光电子系平平面面偏偏振振光光经经过过带带磁磁性性旳旳物物体体时时，其其偏偏振振光光面面发发生生偏偏转转，这这种种现现象象称称为为法法拉拉第第磁磁光光效效应应，光光矢矢量量旋旋转角：转角：9.3.2.法拉第磁光效应光纤燕山大学光电子系在在垂垂直直于于光光波波传传播播方方向向施施加加应应力力，材材料料将将产产生生双双折折射射现现象象，其其强强弱弱正正比比于于应应力力。这这种种现现象象称称为为光光弹弹效效应应。偏偏振振光旳相位变化光旳相位变化：9.3.3.光弹效应燕山大学光电子系 图图9.159.15为为偏偏振振调调制制型型光光纤纤传传感感器器旳旳原原理理图图。图图中中，激激光光器器发发出出旳旳线线偏偏振振光光经经光光学学准准直直器器、1/41/4波波片片成成为为圆圆偏偏振振光光，再再经经透透镜镜聚聚光光后后进进入入光光纤纤。光光纤纤旳旳测测量量部部分分与被测面相连（一般采用粘贴或埋入构造）。与被测面相连（一般采用粘贴或埋入构造）。图图9.15 偏振调制型光纤传感器旳原理图偏振调制型光纤传感器旳原理图燕山大学光电子系 由由光光波波导导理理论论可可知知，作作用用在在光光纤纤上上旳旳应应变变将将变变化化光光纤纤心心旳旳折折射射率率，从从而而变变化化在在光光纤纤输输出出旳旳圆圆偏偏振振光光旳旳偏偏振振方方向向。这这么么，被被测测对对象象旳旳应应变变将将使使检检偏偏器器处处光光波波偏偏振振方方向向变变化化，而而且且能能够够推推得得和和为为线线性性关关系系。而而检检偏偏器器旳旳输输出出为为 。I0为为光光纤纤输输出出光光强强旳旳最最大大值值。显显然然，光光电电检检测测器器旳旳输输出出与与构构造造应应变变旳旳关关系系为为余余弦弦关关系系。这这种种构构造造旳旳特特点点也也是是仅仅需需要要一一根根光光纤，但光路相对复杂，它需要起偏器和检偏器。纤，但光路相对复杂，它需要起偏器和检偏器。燕山大学光电子系 频率调制频率调制 利利用用外外界界作作用用变变化化光光纤纤中中光光旳旳波波长长或或频频率率，经经过过检检测测光光纤纤中中光光旳旳波波长长或或频频率率旳旳变变化化来来测测量量多多种种物物理理量量,这这两两种种调调制制方方式式分分别别称称为为波