第4章 光纤传感器2.ppt

第4章光纤传感器
光导纤维(光纤)
强度型(振幅型)光纤传感器
干涉型光纤传感器
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光纤干涉仪
上面介绍的几种干涉仪共同之处:由空气光路和多个光学器件组合而成的;每种传感器中光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光沿不同光路传输; 极高灵敏度,还具有非常大的动态范围,可用于检测位移、应变和应力。然而由于对使用环境的严格要求,限制了它们的实际应用。
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如果单模光纤作为干涉仪的光路,可取消对光路长度相当苛刻要求的限制。加上能用于恶劣环境的小型长寿命的激光器、光检测器、光路元件(腐蚀或搭接的光纤耦合器),以及相应的集成光学元件迅速发展。因而,光纤传感器特别是相位型光纤传感器的研究和应用有了很大发展。一些小型、稳定性高和非常牢固的干涉仪型光纤传感器已经开始得到广泛应用。
四种不同类型的“全光纤”干涉仪结构:
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相位检测中的几个问题

研究幅度调制信号的检测:
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强度型光纤传感器中输入与输出的关系
如长度为L的光纤,从左端面输入波长为λ的光波,以光纤入口平面为基准在右端面测得的相位角Φ为
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如果光纤的长度变化ΔL, 那么相对于入口的固定平面,光纤右端面的相位角变成:
缺点:阶跃式温升之后热平衡恢复所产生的相移效应。(当被测信号产生的相位变化比相移效应低时尤其是这样)
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光检测器检测到的电流
相位变化的灵敏度变化曲线
当Δl>>λ时,物理扰动P随时间变化的速率与振荡频率f成正比,可通过检测频率得到所测物理场的量值,即
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定标因子,常数,与光纤长度成正比
当Δl>>λ时,任何大的振幅漂移(变化)都会大大地增加测量小的变化的困难。必须用补偿器将振幅漂移加以补偿。
零差检测:对于小振幅扰动,假如相位变化为±10°的连续(正弦)信号分别位于0°和90°的偏置点。
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光纤零差检测在0°偏置和90°偏置时的合成电流
在90°输出电流振幅大,且与输入信号频率相同;在0°输出电流振幅很小,且频率为输入信号频率的两倍。如果相对相位由90°向0°点漂移,那么光探测器电流的振幅将逐渐减少,在小于10°将出现二次谐波。在0°基波成分变为零的很小二次谐波成分,电流振幅变成极小值。这个过程称为衰落。90°偏置条件称为正交。这种检测方法称为零差检测。

激光源引起的光强波动(激光振幅噪声), 有时与被测信号产生的光强变化很难区分。共模抑制是一种抵消激光振幅噪声的方法,如:马赫―泽德光纤干涉仪,若不考虑偏振效应, 根据双光束相干原理,两个光探测器接收到的光强分别为
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耦合系数
两束光的相位差