第五章-相位调制型光纤传感新学课件

第第五五章章 相位相位调制型光纤传感器调制型光纤传感器相位调制 利用外界因素改变光纤中光波的相位、通过检测光波相位变化来测量物理量的原理称为相位调制。光纤中的光波相位由光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，压力、张力、温度等外界物理量可以直接改变上述三个波导参数，产生相应变化，实现光纤的相位调制。但是，目前光敏器件尚不能直接感知光波相位变化，因此必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的测量。光纤传感器中的相位调制技术应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的相干技术。应力应变的相位调制当光纤受到轴向的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中的光相位发生变化：、光纤的长度变化-应变效应；、光纤纤芯的感应折射率变化-光弹效应；、光纤纤芯的直径变化-泊松效应。根据有关文献介绍，光波通过长度为L的光纤后，出射光的相位延迟为=L为光波在光纤中的传播常数。当光纤长度或传播速度变化时、引起光波相位变化为式中为L和引起的相位变化，a为光纤芯的半径。上式中第一项为光纤长度(应变效应)变化引起的相位延迟；第二项表示感应折射率变化(光弹效应)所引起的相位延迟；第三项为光纤纤芯的直径变化(泊松效应)引起的相位延迟。一般泊松效应小得多，可忽略。根据弹性力学，对于各向同性材料，折射率变化与应变存在一定关系。设为光纤横向应变，为纵向应变，为光纤光弹系数，（）、纵向应变调制、纵向应变调制、径向应变调制、径向应变调制考虑泊松效应，不考虑泊松效应，、纵横向效应同时存在一般形式的相位变化（为光纤中模数）温度应变相位调制 温度应变是将光纤放置在变化的温场中，设温场变化等效于一个作用力F时，则作用力F同时影响光纤折射率n和长度L的变化。由下式引起光纤中光波相位延迟为第一项为折射率变化引起的相位变化；第二项为光纤几何长度变化引起的相位变化。由温度等效于某一作用力F后，则可用温度变化T和相位进行描述：此式只考虑长度应变末考虑径向应变。由于光纤中光的传播是沿横向偏振，仅考虑纵向折射率变化光纤的温度灵敏度对于石英光纤，1.456,0=0.6328m,相位调制与干涉测量 相位调制常与干涉测量技术并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。相位调制的光传感器，其基本原理是通过被测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化再用干涉技术把相位变化变换为振幅变化从而还原所检测的物理量。在光波的干涉测量中参与工作的光波是两束或多束相干光。例如有振幅分别为A1和A2的两束相干光束,如果其中光束的相位由于某种因素的影响或调制，在干涉域中就会产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为：式中为相位调制造成的两相干光之间的相位差。如果检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化、从而引起干涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除上述影响并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。在四种干涉仪中，以一个或两个3dB耦合器取代了分光器。光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件(传感器)，被测物理量作用于光纤传感器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。由于采用了干涉技术，使其具有很高的相位调制灵敏度。例如对于温度、压力、应变(轴向)分别具有106radmC，10-9 radmPa，11.4rad/mm。光纤探头的形式灵活多样，能适用于不同的测试环境。实现干涉测量的仪器很多通常采用的干涉仪主要有四种：迈克尔逊干涉仪、马赫一泽德干涉仪、塞格纳克干涉仪和法布里一珀罗干涉仪。F-P干涉仪主要应用气体测量。马赫曾德尔干涉仪根据双光束干涉原理，两个探测器接收光强分别为经过信号处理系统，信号从光强中解调出来。马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪采用相位调制，被广泛应用于水听器、光纤加速计和压力、温度的测试。聚偏二氟乙烯(PVF2)薄膜压电式传感 Sagnac干涉仪Sagnac干涉仪干涉仪相位调制检测从马赫曾德尔干涉仪两臂射出的相干光分别用表示光电检测器光敏面上的合成光波可写为考虑外界干扰引起相位变化N，因此光电检测器输出光电流式中为比例系数，小于等于，若，则，光电探测器输出电流的交流分量为要提取A，提取方法与有关。一、零差检测（零差检测（）信号臂和参考臂光波频率相同，这时检测器输出电压信号经过电路运算功能找到A、被动零差法找一个与正交的信号、主动零差法：在干涉仪回路中加入一个相位调制器，利用反馈信号控制调制器，在跟踪状态下，使正交条件始终保持。根据获取信号方式，分为交流跟踪和直流跟踪两种。二、二、外差检测（外差检测（）要造成外差条件，必须改变参考臂的频率，常用在参考臂中插入一个声光调制器。被动零差法信号臂：参考臂混频效率，它与偏振态和耦合器分束比有关，A信号调制相位变化，N外界干扰引起相位变化，理想状态为一常数，一般以随机形式漂移。差分放大器输出若能找到一个与V3正交的信号可运用模拟电路进行下面计算将上式信号进行积分,如果A 与N频谱不重合，然后运用滤波器可将A滤出.正交信号实现:采用定向耦合器，再利用差分放大器可得到一对正交信号主动零差法（交流跟踪检测）差分放大器输出电压在正交近似条件由产生一个合适的反馈电压使（）精确地抵消，控制电压可由积分得到为积分电路的放大倍数，相位调制器的相位变化正比于电压为相位调制器的相位电压系数系数与反馈电路的增益带宽有关。所以若系统处于跟踪状态，则是A 的的线性函数，如果A 与的频谱不交迭，就可以从中滤出A。这种检测技术可检测到。外差检测