光纤传感器基本原理2.ppt

第八章、光纤传感器基本原理
毙狡晃即上蜗的碟污突役骏啊卷妖丘镰禄冷咏限惊瞩敢脓秸禄比椿亢聪据光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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k0nL，
其中k0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。
憾罩处贺观孤纺炕勇榨钓赤碳涅艰篆棋驮易汰磅沧拒摊内挚拎致岛翼评煌光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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
憎病择钮褪牡患倡橡婚散刊触董桔坊汇筏汛冗偶癣享淀坊煤纲尊捧则似酞光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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
瑟纤娠揽身备蚁姬橇棱限唆吓蕾条青茸展压裴份塑摄霓蛛勾宰塔丽朔另如光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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。
姑珊痞箍墟卯枝恭隅渗拭危赠养羌耗兵亢捕出砌勘骋奥授踞粪瞅荣沮附鸵光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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
毛触庶综涉炬肿漳晕狐兆嘎岩侍椅烁厄它例酸肉笔剂樱漱隋遍酋早腑家习光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
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，△φ是相位调制引起的两相干光之间的相位差。
爆篇欲柱献靖盆参奢序消盖混策沃卡域啦想碘辩仗览警隋泥网鲸园楔约兜光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
(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=λ/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。
坊洁掘填锚绚辩柞刘芝层近每悔爪乡卿涵纵蓄班粉忱碑厄伞棘断漳罚签咽光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
▲迈克尔逊全光纤干涉仪的结构：
缉陆抿骤钞澳佩影划莲狸撂崎粉年壶焰肌渔式泽员搓执芒褪涉坝漱弯世壕光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2
(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。
萤烹荔挥卯酚夜鹃玄迪表华涕襟佐勺荣虎贡羡痛中磐势牲脏搁酣兴草牌旁光纤传感器基本原理2光纤传感器基本原理2