第五章-相位调制型光纤传感器.ppt

第一节第一节5.1 5.1 引言引言p 优点：优点：以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化，目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化，必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度变化，才能实现对外界物理量的检测。变化，才能实现对外界物理量的检测。p 缺点：缺点：以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同时调整困难，限制在一般场合的实用性。时调整困难，限制在一般场合的实用性。利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。外界物理量及其变化量的光纤传感器。通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光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，从而检测出待测的物理量。转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。p 优点优点 灵敏度高灵敏度高。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度，。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度，可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。使用方便使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了。封闭式光路，不受外界干扰，减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉仪小型化。仪小型化。灵活多样灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探。光纤本身是传感器的敏感部分，其探头的形状可按使用要求设计成不同形状。头的形状可按使用要求设计成不同形状。对象广泛对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的。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。光程产生影响，就可用于传感。p 缺点缺点 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统 第一节5.2 5.2 一般调制原理及方式一般调制原理及方式5.2 5.2 一般调制原理及方式一般调制原理及方式 相位调制光纤传感器要求有相应相位调制光纤传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程的干涉仪来完成相位检测过程p 相位调制干涉型光纤传感器的必要组成相位调制干涉型光纤传感器的必要组成 敏感光纤敏感光纤 干涉仪干涉仪完成相位调制任务完成相位调制任务完成相位完成相位-光强转换任务光强转换任务5.2 5.2 一般调制原理及方式一般调制原理及方式调制器调制器探测器探测器处理器处理器参考光纤参考光纤传感光纤传感光纤分束器或光束耦合器分束器或光束耦合器HE-NE激光激光分束器或光束耦合器分束器或光束耦合器相位调制干涉型光纤传感器基本结构被测场被测场5.2 5.2 一般调制原理及方式一般调制原理及方式若设参考光和传感光的光矢量值分别为若设参考光和传感光的光矢量值分别为当两光束满足相干条件时，合成光矢量为当两光束满足相干条件时，合成光矢量为其中，其中，若分束器采用若分束器采用3dB耦合器（即半反半透透镜），有耦合器（即半反半透透镜），有 I1=I2，则，则因为光电探测器探测的是光强，从而可得因为光电探测器探测的是光强，从而可得5.2 5.2 一般调制原理及方式一般调制原理及方式即即其中，相位差其中，相位差 通过测通过测 I 就可以测得相位差就可以测得相位差。第一节5.3 5.3 光纤相位调制机理光纤相位调制机理5.3 5.3 光纤相位调制机理光纤相位调制机理p 敏感光纤作为相位调制元件敏感光纤作为相位调制元件决定相位变化的参数：决定相位变化的参数：影响相位变化的基础物理效应：影响相位变化的基础物理效应：应力应变、温度应力应变、温度p萨格纳克萨格纳克(Sagnac)效应效应光纤的物理长度、折射率及分布、波导横向几何尺寸光纤的物理长度、折射率及分布、波导横向几何尺寸k0nL（k0为光在真空中波数，为光在真空中波数，n为传播路为传播路径上的折射率，径上的折射率，L为传播路径上的长度）为传播路径上的长度）光波通过长度为光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为的光纤，出射光波的相位延迟为 为光波在光纤中的传播常数，为光波在光纤中的传播常数，是光波在光纤中是光波在光纤中的传播波长，的传播波长，是光波在真空中的传播常数，是光波在真空中的传播常数，a为纤芯半径。为纤芯半径。光波在外界因素的作用下，相位的变化为光波在外界因素的作用下，相位的变化为应变效应或应变效应或热胀效应热胀效应光弹效应或光弹效应或热光效应热光效应泊松效应（灵敏度泊松效应（灵敏度小，一般不用）小，一般不用）5.3 5.3 光纤相位调制机理光纤相位调制机理第一节5.4 5.4 光纤干涉仪光纤干涉仪5.3 5.3 光纤干涉仪光纤干涉仪典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：迈克尔逊迈克尔逊(Michelson)干涉仪干涉仪马赫马赫-泽德尔泽德尔(Mach-Zender)干涉仪干涉仪萨格纳克萨格纳克(Sagnac)干涉仪干涉仪法布里法布里-泊罗泊罗(Fabry-Perot)干涉仪干涉仪常常用用干干涉涉仪仪常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。实现的干涉型光纤传感器。迈克耳逊在工作迈克耳逊在工作 迈克耳逊迈克耳逊（A.A.Michelson）美籍德国人美籍德国人因创造精密光学因创造精密光学仪器，用以进行仪器，用以进行光谱学和度量学光谱学和度量学的研究，并精确的研究，并精确测出光速，测出光速，获获19071907年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。传感器传感器由激光器输出的单由激光器输出的单色光由分束器（把光色光由分束器（把光束分成两个独立光束束分成两个独立光束的光学元件）分成为的光学元件）分成为光强相等的两束光光强相等的两束光;1122光束光束1 1射向固定反射射向固定反射镜然后反射回分束器，镜然后反射回分束器，再被分束器分解；透射再被分束器分解；透射部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。到激光器。迈克尔逊干涉仪原理迈克尔逊干涉仪原理由激光器输出，经分束器透射的另一束光由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为相干光束即产生干涉。两相干光的相位差为式中：式中：K0光在空气中的传播常数光在空气中的传播常数 2nl两相干光的光程差两相干光的光程差MM22当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之干涉条纹干涉条纹 的移动的移动MM22当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之干涉条纹干涉条纹 的移动的移动MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当MM22与之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之1MM22干涉条纹干涉条纹 的移动的移动当当MM22与与之间距离变大之间距离变大时，圆形干涉时，圆形干涉条纹向外扩张条纹向外扩张,干涉条纹变密。干涉条纹变密。之之p 优点：优点：结构简单，只需用一个半反半透镜结构简单，只需用一个半反半透镜p 缺点：缺点：两路光均有一部分返回光源，产生相干噪声；两路光均有一部分返回光源，产生相干噪声；光程差必须小于光源的相干长度光程差必须小于光源的相干长度.光源光源探测器探测器参考臂参考臂信号臂信号臂3dB以以3dB3dB耦合器取代分束器，光纤光程取代空气光程，耦合器取代分束器，光纤光程取代空气光程，以敏感光纤作为相位调制元件。以敏感光纤作为相位调制元件。p 特点特点敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感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，导致光纤中的光相位的变化或光纤的相互作用，导致光纤中的光相位的变化或光的相位调制。光的相位调制。p 调制原理调制原理 光源发射光经光源发射光经3dB3dB光纤耦合器被分成功率相等光纤耦合器被分成功率相等的两部分分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在在3dB3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。与此端相连的探测器接收。p 工作原理：工作原理：光源光源电子学系统电子学系统计算机计算机探探测测器器光纤耦合器光纤耦合器样样品品光纤聚焦器光纤聚焦器反反射射镜镜传感器 与迈克尔逊干涉仪相似，从激光器输出的光先与迈克尔逊干涉仪相似，从激光器输出的光先分后合；两束光由移动平面镜的位移获得两相干光分后合；两束光由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器上产生干涉。束的相位差，在光检测器上产生干涉。马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪12传感器马赫马赫-曾德尔干涉仪曾德尔干涉仪12 没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好，对没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好，对 干涉影响小。干涉影响小。独特优点：独特优点：可利用分束器可利用分束器2上水平反射光和垂直透射光获得上水平反射光和垂直透射光获得 干涉光强信号，增强使用的方便性。干涉光强信号，增强使用的方便性。马赫马赫-曾德尔光纤干涉仪曾德尔光纤干涉仪应用：光纤力传感器、光纤压力传感器，光纤加速度应用：光纤力传感器、光纤压力传感器，光纤加速度 传感器，光纤磁场或电流传感器等传感器，光纤磁场或电流传感器等 激光经分束器分为反激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部光探测器，同时也有一部分返回到激光器。分返回到激光器。萨格纳克效应萨格纳克效应p 理论基础：理论基础：p 工作过程：工作过程：在这种干涉仪中，两光束的在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。探测不到干涉光强的变化。当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴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时，两束传播方向相反的光束到达光电旋转的平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不同的延迟。若平台以角速度探测器就有不同的延迟。若平台以角速度顺时针旋顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：延迟大。这个相位延迟量可表示为：p 工作过程：工作过程：为旋转率；为旋转率；A为光路围成的面积；为光路围成的面积；c为真空为真空中光速；中光速；0为真空中的光波长为真空中的光波长通过检测干涉光强的变化，可确定旋转角速度，通过检测干涉光强的变化，可确定旋转角速度，是目前惯性导是目前惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。萨格奈克光纤应变干涉仪基本光路原理图萨格奈克光纤应变干涉仪基本光路原理图法布里法布里-泊罗（泊罗（F-PF-P）干涉仪）干涉仪传感器传感器由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常达达9595以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。扩展源扩展源准直透镜准直透镜会聚透镜会聚透镜接收屏接收屏分束板，内侧镀膜分束板，内侧镀膜G1,G2间间,间距间距h可调可调法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪G1,G2间间,间距间距h固定固定法布里法布里-珀罗标准具珀罗标准具多光束相干光在多光束相干光在L2焦平面上形成等倾圆环条纹焦平面上形成等倾圆环条纹法布里法布里-泊罗（泊罗（F-PF-P）干涉仪）干涉仪 与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光多光束干涉束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化为强度的变化为式中式中:R 反射镜的反射率；反射镜的反射率；相邻光束间的相位差。相邻光束间的相位差。法布里法布里-泊罗（泊罗（F-PF-P）干涉仪）干涉仪当当 时，干涉光强有最小值时，干涉光强有最小值当当 （n为整数）时，干涉光强有最大值为整数）时，干涉光强有最大值Imax=I0透射的干涉光强的最大值与最小值之比透射的干涉光强的最大值与最小值之比反射率反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。越大，干涉光强越显著，分辨力越高。特点：特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。法布里法布里-泊罗（泊罗（F-PF-P）干涉仪）干涉仪反射率与光强的关系反射率与光强的关系法布里法布里-泊罗（泊罗（F-PF-P）干涉仪）干涉仪 与一般法布里与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。且因为采用替以传感器控制反射镜移动实现调相。且因为采用单根光纤，利用多光束干涉来检测应变，避免了前单根光纤，利用多光束干涉来检测应变，避免了前几种传感器所需双光纤配对的问题，且比迈克尔逊几种传感器所需双光纤配对的问题，且比迈克尔逊型更适合低频应变信号的测量。型更适合低频应变信号的测量。法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪单光纤与镜面形成的单光纤与镜面形成的F-PF-P腔腔 其中其中：光波波长：光波波长R：F-P腔端面反射率腔端面反射率：光纤数值孔径：光纤数值孔径NA=sinn：折射率（空气中折射率（空气中n=1）法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪1、光波波长、光波波长改变改变仿真条件：仿真条件：F-P腔端面腔端面平行平行NA=0.1R=0.6特征参数对归一化光强特性影响特征参数对归一化光强特性影响 干涉后光强变化以半波长为周期，波长改变不会影响光干涉后光强变化以半波长为周期，波长改变不会影响光强输出的强度，波长越小灵敏度越高。强输出的强度，波长越小灵敏度越高。法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪仿真条件：仿真条件：F-P腔端面腔端面平行平行NA=0.1=1500nm特征参数对归一化光强特性影响特征参数对归一化光强特性影响2、F-P腔端面的反射率腔端面的反射率R改变改变 可以通过增大反射镜面的反射率来获得较大的输出信号值，同时可以通过增大反射镜面的反射率来获得较大的输出信号值，同时可以提高传感器的灵敏度。可以提高传感器的灵敏度。灵敏度与线性范围成反比，选用灵敏度与线性范围成反比，选用1530nm1530nm保保证线性范围。证线性范围。特征参数对归一化光强特性影响特征参数对归一化光强特性影响法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪3、光纤数值孔径、光纤数值孔径NA改变改变 仿真条件：仿真条件：F-P腔端面腔端面平行平行R=0.6=1500nm特征参数对归一化光强特性影响特征参数对归一化光强特性影响 光纤数值孔径对灵敏度影响较小，在对于单调线性位移测量时，可光纤数值孔径对灵敏度影响较小，在对于单调线性位移测量时，可以忽略不计。以忽略不计。P16P16特征参数对归一化光强特性影响特征参数对归一化光强特性影响法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪 法布里法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反射膜珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成。此高反射膜可以直接镀在光纤端面的一段光纤构成。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，也可以把镀在基片上的高反射膜粘贴在光纤端面上。上。法法布里布里-珀罗光纤干涉结构珀罗光纤干涉结构法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪F-P光纤传感器分类光纤传感器分类本征型本征型F-PF-P光纤传感器光纤传感器非本征型非本征型F-PF-P光纤传感器光纤传感器缺点：加工难度大缺点：加工难度大折射率与长度多变量折射率与长度多变量优点加工简单优点：加工简单消除折射率影响消除折射率影响设计灵活：薄膜厚度与直径设计灵活：薄膜厚度与直径应用：应用：位移、振动、压力等高精度测量领域位移、振动、压力等高精度测量领域p灵敏度灵敏度38mV/nmp由于光纤的导波作用由于光纤的导波作用,法布里法布里-珀罗光纤干涉仪的珀罗光纤干涉仪的腔长可达几十米。因此它在工业测量上腔长可达几十米。因此它在工业测量上,尤其是桥尤其是桥梁、高速公路、大坝水库等民用基础设施的状态梁、高速公路、大坝水库等民用基础设施的状态监测、航天航空等领域监测、航天航空等领域,得到了越来越广泛应用。得到了越来越广泛应用。法布里法布里-泊罗光纤干涉仪泊罗光纤干涉仪p法布里法布里-珀罗光纤干涉仪在检测混凝土结构在养护珀罗光纤干涉仪在检测混凝土结构在养护期的热应变和温度、结构内部应力应变、结构的期的热应变和温度、结构内部应力应变、结构的振动参数、裂缝宽度和结构整体性估计等方面也振动参数、裂缝宽度和结构整体性估计等方面也有广泛应用。有广泛应用。p智能材料的最为重要的组成部分之一。智能材料的最为重要的组成部分之一。单位动态范围一般很小；单位动态范围一般很小；由于测量系统在重新启动时无法识别出干涉级的级由于测量系统在重新启动时无法识别出干涉级的级数，只能进行相对测量数，只能进行相对测量,即只能用作变化量的测量即只能用作变化量的测量,而不能用于状态量的测量。而不能用于状态量的测量。系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，结系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，结构复杂，成本高构复杂，成本高总总 结结p 优点优点灵敏度高，精度可达纳米级甚至亚纳米级灵敏度高，精度可达纳米级甚至亚纳米级p 缺点缺点高相干激光相位调制型光纤传感器高相干激光相位调制型光纤传感器可用于绝对值测量；可用于绝对值测量；动态范围大，精度和分辨力高；动态范围大，精度和分辨力高；系统抗干扰能力强，系统分辨力与光源波长稳定性、系统抗干扰能力强，系统分辨力与光源波长稳定性、光源功率波动、光线的扰动等因素无关；光源功率波动、光线的扰动等因素无关；用于系统的低相干光源及多模光纤价格便宜；用于系统的低相干光源及多模光纤价格便宜；易于多路复用易于多路复用p 特点特点 白光干涉测量，又称为低相干测量方法，它白光干涉测量，又称为低相干测量方法，它使用使用低相干、宽谱带光源低相干、宽谱带光源，例如半导体激光器，例如半导体激光器(LD)或发或发光二极管光二极管(LED)。同所有的干涉原理一样，光程的。同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。p原理在原理在1975年首次被提出，并于年首次被提出，并于1976年在光纤通年在光纤通信领域中实现了可能的传输方案；信领域中实现了可能的传输方案；p 在传感技术中的应用首次报道于在传感技术中的应用首次报道于1983年；年；p 第一个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统第一个完整的基于白光干涉技术的位移传感系统是在是在1984年报道的。该工作显示出白光干涉测量年报道的。该工作显示出白光干涉测量技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理量的测量，并且具有很高的测量精度。量的测量，并且具有很高的测量精度。p 在在1985一一1989年其间，基于白光干涉原理的传感年其间，基于白光干涉原理的传感器被广泛用于压力器被广泛用于压力,温度温度,和应变测量的研究中。和应变测量的研究中。p 自从自从1990年以后，光纤白光测量技术已经持续发年以后，光纤白光测量技术已经持续发展并逐渐形成了一个研究方向。展，并逐渐形成了一个研究方向。白光干涉仪一般由两个干涉仪白光干涉仪一般由两个干涉仪(参考干涉仪和传感参考干涉仪和传感干涉仪干涉仪)串联而成，如串联而成，如:FP/FP,MZ/FP,MZ/MZ,Michelson/FP,Michelson/Michelson等。等。参考干涉仪宽带光源p传感干涉仪将被测物理量的变化转换为光程差的传感干涉仪将被测物理量的变化转换为光程差的变化变化;p参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信号重合并产生干涉号重合并产生干涉.白光干涉仪的基本工作原理白光干涉仪的基本工作原理p输出端观察代表白光干涉仪输出信号的干涉条纹输出端观察代表白光干涉仪输出信号的干涉条纹:输出光强在两干涉条纹的光程差相等时有最大值输出光强在两干涉条纹的光程差相等时有最大值，对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹.p为满足低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检为满足低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检测两大问题，要求所用光源的测两大问题，要求所用光源的相干长度应满足既相干长度应满足既远小于两个干涉仪的光程差，又大于两个干涉仪远小于两个干涉仪的光程差，又大于两个干涉仪光程差的差值光程差的差值.p在系统测量过程中，通过改变微位移仪，使参考在系统测量过程中，通过改变微位移仪，使参考干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等的方法，直接得到传感干涉仪光程差的变化值，的方法，直接得到传感干涉仪光程差的变化值，从而实现对被测量的绝对测量从而实现对被测量的绝对测量.Michelson-FPMichelson-FP结构结构结构结构pF-PF-P光纤干涉仪作为传感头光纤干涉仪作为传感头,放在被测量点，同时又作放在被测量点，同时又作为第二个干涉仪为第二个干涉仪(Michelson(Michelson干涉仪干涉仪)的传感臂的传感臂;MichelsonMichelson干涉仪的另一支臂作为参考臂干涉仪的另一支臂作为参考臂,放在远离放在远离现场的控制室现场的控制室,提供相位补偿。每个干涉仪的光程差提供相位补偿。每个干涉仪的光程差都大于光源的相干长度；都大于光源的相干长度；具体解释：具体解释：p假设图中假设图中A 为为O到到A点的等光程点，点的等光程点，B 为为O到到B点的点的等光程点。当反射镜等光程点。当反射镜C从左向右通过从左向右通过A位置时，在位置时，在MichelsonMichelson干涉仪的接收端将出现白光零级干涉条纹；干涉仪的接收端将出现白光零级干涉条纹；同理，当同理，当反射镜反射镜C通过通过B位置时，会再次出现白光零位置时，会再次出现白光零级条纹。级条纹。具体解释：具体解释：p两次零级干涉条纹所对应的位置两次零级干涉条纹所对应的位置AB之间的位移就之间的位移就是是F-P腔的光程。腔的光程。p用适当方法测出用适当方法测出A、B的间距，可确定的间距，可确定F-P腔的光程腔的光程的绝对值的绝对值具体解释：具体解释：FP-FP结构的干涉仪原理图结构的干涉仪原理图白光干涉仪应用于测量桥梁应变白光干涉仪应用于测量桥梁应变FP-FP结构的白光干涉仪测量桥梁应变结构的白光干涉仪测量桥梁应变第一节5.4 5.4 光纤干涉仪的应用实例光纤干涉仪的应用实例第一节5.4.1 5.4.1 光纤位移传感器光纤位移传感器p 利用固定在光纤上的电致伸缩材料，可以构成光纤利用固定在光纤上的电致伸缩材料，可以构成光纤电压传感器；电压传感器；p 利用粘接或涂覆在利用粘接或涂覆在光纤上的磁致伸缩材光纤上的磁致伸缩材料，就可以构成光纤料，就可以构成光纤磁场传感器；磁场传感器；p 利用涂覆在光纤上利用涂覆在光纤上的金属薄膜，可以构的金属薄膜，可以构成电流传感器；成电流传感器；p 利用固定在光纤上的质量块可以构成光纤加速度计。利用固定在光纤上的质量块可以构成光纤加速度计。温度场温度场p单模光纤位相干涉型温度传感器单模光纤位相干涉型温度传感器激光器激光器扩束器扩束器分光板分光板耦合透镜耦合透镜干涉场干涉场血液速度测量血液速度测量fvff血管血管探测器探测器分光镜分光镜发射镜发射镜多普勒频移多普勒频移第一节5.5.2 5.5.2 光纤陀螺光纤陀螺光纤陀螺（光纤陀螺（Fiber Optic Gyro Fiber Optic Gyro）p陀螺仪（陀螺仪（gyroscopegyroscope）作为一种主要的作为一种主要的惯性惯性敏感器件敏感器件，用于，用于测量测量运载体的运载体的姿态角和角速姿态角和角速度度，是构成惯性系统的基础核心器件，是决，是构成惯性系统的基础核心器件，是决定其性能的关键。定其性能的关键。p光纤陀螺光纤陀螺(FOG)(FOG)是一种基于是一种基于SagnacSagnac原理原理的光的光纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，保持着较高的性价比。于微型化，保持着较高的性价比。光纤陀螺（光纤陀螺（Fiber Optic Gyro Fiber Optic Gyro）p目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技惯性技术领域重点发展的关键技术之一术领域重点发展的关键技术之一。陀螺陀螺惯性导航的关键部件惯性导航的关键部件p零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运动的能力；击和抗加速度运动的能力；p绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光陀螺仪的个数量级，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题；闭锁问题；p无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；有较长的使用寿命；p相干光束的传播时间极短，在原理上可瞬间相干光束的传播时间极短，在原理上可瞬间启动；启动；p易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；可直接用数字输出，并与计算机接口联接；p具有较宽的动态范围；具有较宽的动态范围；p结构简单，价格低。体积小，重量轻。结构简单，价格低。体积小，重量轻。FOGFOG光纤传感器应用的典范光纤传感器应用的典范光纤传感器应用的典范光纤传感器应用的典范。体积小、重量轻、。体积小、重量轻、精度高、寿命长、抗电磁干扰、启动时间短精度高、寿命长、抗电磁干扰、启动时间短等优点，最为集中的体现了光纤传感器的优等优点，最为集中的体现了光纤传感器的优势，是光纤传感器应用中最为成功的范例之势是光纤传感器应用中最为成功的范例之一。一。各学科交叉、物理内涵丰富各学科交叉、物理内涵丰富。光纤光学、偏。光纤光学、偏振光学、非线性光学、光电子学、电子学；振光学、非线性光学、光电子学、电子学；SagnacSagnac效应、效应、KerrKerr效应等。效应等。FOGFOG光纤传感器应用的典范光纤传感器应用的典范几乎涵盖光纤传感器的全部关键技术几乎涵盖光纤传感器的全部关键技术。光源。光源高稳定度驱动技术、微弱信号探测技术、信高稳定度驱动技术、微弱信号探测技术、信号调制解调技术、信号处理技术、传感器的号调制解调技术、信号处理技术、传感器的封装与固化技术。封装与固化技术。推动光纤有源与无源器件的发展推动光纤有源与无源器件的发展。保偏光纤、。保偏光纤、耦合器、调制器、起偏器、消偏器、光源、耦合器、调制器、起偏器、消偏器、光源、探测器。探测器。FOGFOG涉及相关学科涉及相关学科FOGFOG的物理内涵丰富的物理内涵丰富FOGFOG关键技术关键技术FOGFOG的关键器件的关键器件陀螺在静止状态下，其输出信号可以看作是由一陀螺在静止状态下，其输出信号可以看作是由一个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零漂）信号个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零漂）信号的叠加。的叠加。p随机游走（噪声）随机游走（噪声）：用单位带宽角速率的标准差表示，：用单位带宽角速率的标准差表示，单位：单位：deg/h1/2p零漂零漂：缓慢变化的均值信号的峰峰值，用：缓慢变化的均值信号的峰峰值，用deg/h表示表示p噪声与零漂的相对重要性取决于应用场合噪声与零漂的相对重要性取决于应用场合。如对稳定。如对稳定性或控制用的速率陀螺，带宽相对较宽，噪声的大性或控制用的速率陀螺，带宽相对较宽，噪声的大小相对重要。而对于导航应用来说，重要的是角速小相对重要。而对于导航应用来说，重要的是角速度积分后的方向信号，积分过程降低了噪声信号，度积分后的方向信号，积分过程降低了噪声信号，使零漂显得比较重要。使零漂显得比较重要。p标度因子标度因子的线性度和稳定性。标度因子为陀螺仪输出的线性度和稳定性。标度因子为陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。p 速率级速率级(rate grade):1010000 deg/h p 战术级战术级(Tactical grade):0.01 10deg/h p 慣导级慣导级(Navigation grade):0.01 deg/h p动态范围动态范围(Dynamic area):few Hz 500Hz按照零漂（按照零漂（biasdrift）分类：）分类：FOGFOG光源的要求光源的要求p宽谱光源，两束相干光时间相干性不强；宽谱光源，两束相干光时间相干性不强；p从测量光纤陀螺的标度因数考量，要求光从测量光纤陀螺的标度因数考量，要求光源平均波长稳定性要好，要求光谱平坦；源平均波长稳定性要好，要求光谱平坦；p考虑到陀螺仪在空间有三个轴，为保持一考虑到陀螺仪在空间有三个轴，为保持一致性，最好三个陀螺使用同一光源，所以致性，最好三个陀螺使用同一光源，所以所需要的光源应该具有大的功率；所需要的光源应该具有大的功率；p 光源光源半导体激光器（半导体激光器（LD）发光二极管（发光二极管（LED）超辐射发光二极管（超辐射发光二极管（SLD）掺铒光纤光源掺铒光纤光源p 探测器探测器PIN光电二极管光电二极管技术发展趋势技术发展趋势敏感环使用光子晶体光纤敏感环使用光子晶体光纤第一节5.4.3 5.4.3 光纤水听器光纤水听器 光纤水听器光纤水听器是一种是一种建立在光纤、光电子技术建立在光纤、光电子技术基础上基础上的的水下声信号传感器水下声信号传感器。它。它通过通过高灵敏度的高灵敏度的光纤相干检测，光纤相干检测，将水声信号转换成光信号将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系，并通过光纤传至信号处理系统统提取声信号信息提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它也可用于