光纤传感器基本原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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k,0,nL，,其中k,0,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。,1,.,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：,式中，,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：,当可移动反射镜每移动,l,=,/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90,o,。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,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,光纤陀螺仪的结构：,其相移表达式为：,(4)法布里-珀罗(Febry-Perot)光纤干涉仪,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,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,f,1,为,式中，,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。,根据上述两式，并考虑,v,c，可近似把双重多普勒频率方程表示为,1,.,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。,