学习情境四相位调制型光纤传感器及其应用.pptx

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1、光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业光纤传感器及应用光纤传感器及应用一、学习目标学习情境四：相位调制型光纤传感器及应用了解相位调制型光纤传感器的发展。了解光纤干涉仪的传感应用实例。掌握相位调制型光传感器的信号解调技术。掌握干涉式光纤传感器的类型及其相关工作原理。学习相位调制型光纤传感器的原理。第1页/共120页二、学习内容4.14.1相位调制型光纤传感器的原理 相位调制光纤传感器（通常也叫干涉型光纤传感器）的基本原理是：被测量的物理量使得光纤内传输光的相位=k0nL=k0nL发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换成光强度变化，光电探测器把光强变化转换成电

2、压或电流变化，进而实现检测被测物理量的目的。相位调制光纤传感器主要是干涉式光纤传感器，其特点为：光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第2页/共120页灵敏度高 在相位调制光纤传感器中，使用了数米甚至上公里的光纤，使其比普通的干涉仪更加灵敏。灵活多样 由于相位调制光纤传感器的敏感元件本身就是光纤，根据光纤体积小、柔软性好，其光纤探头的几何形状可以按照要求设计成不同的形式。测量对象广泛 不论何种物理量，只要对=k0nL=k0nL中的k0k0、n n、L L任何一项发生变化，就可以用于传感。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技

3、术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第3页/共120页所以，相位调制光纤传感器可以测量压力、应力、应变、温度、加速度、电流、磁场、折射率等等；并且，同一相位调制光纤传感器可以对多个物理量进行传感。特殊需要的光纤 在相位调制光纤传感器（干涉式光纤传感器）中，为了获得最佳干涉效应，两相干光的振动方向必须一致；因此，在相位调制光纤传感器（干涉式光纤传感器）中，最好采用高双折射的单模光纤。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第4页/共120页4.1.1 4.1.1 应力应变效应（1 1）原理当光纤受到纵

4、向(轴向或沿光轴方向)的机械应力作用时,光纤的长度、折射率都将发生变化,这些变化都导致光纤中传输光的相位变化。光通过长L L、纤芯折射率为n n光纤,出射光波的相位延迟为:(4-1)在外界因素作用下,(4-1)式相位的变化为(4-2)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第5页/共120页其中:a-:a-纤芯半径分析：第1 1项（klkll l/l l）：光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应）第2 2项 （l lk kn n/n n）：光纤折射率变化引起的相位延迟（光隙效应）第3 3项（l lk kazaz/n n）：光纤半径

5、变化产生的相位延迟（泊松效应）（2）纵向应变引起的相位变化用 表示应变，只有纵向应变 时横向应变，且有光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第6页/共120页其中：为光纤的光弹系数且为常数（4 4）光弹（弹光）效应引起的相位变化（4-3）（3）径向变化引起的相位变化只有径向应变时 且 且有：(4-4)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第7页/共120页其中：E E为杨氏模量 为泊松系数（0.170.17）沿着光纤截面两互相垂直半径方向的应力差 另外：P P

6、1111=0.17=0.17，P P1212=0.27=0.27光弹效应：外界机械应力作用下，使得光纤折射率n变化进而产生双折射的现象。光弹效应下产生的相位变化为(4-5)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第8页/共120页 （5 5）实现纵向、径向应变的方法 PZTPZT（压电陶瓷，Piezoelectric Piezoelectric CeramicCeramic）压电效应:当PZTPZT尺寸大小变化，其内、外壁间能产生电压 PZTPZT逆压电效应：在PZTPZT内外壁间加电压，则PZTPZT尺寸大小会变化 方法在PZ

7、TPZT二端加电压，根据PZTPZT逆电效应，PZTPZT直径变化使得光纤圈膨胀或收缩，进而使得光纤轴向（纵向），径向产生应变，进而使变化。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第9页/共120页图4.1 4.1 利用PZTPZT产生纵（径）向应变4.2 干涉式光纤传感器的类型4.2.1 Michelson和Mach-Zehnder干涉式光纤声发射传感器（一）Michelson干涉式光纤声发射传感器光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第10页/共120页迈克

8、尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量。1）Michelson干涉仪在了解Michelson干涉式光纤声发射传感器之前我们先来了解一下Michelson干涉仪光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第11页/共120页2）Michelson干涉仪的原理单色光源反射镜 反射镜与 成 角补偿板 分光板 移动导轨光纤传感器及应用光纤传感器及应用

9、光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第12页/共120页3）光纤Michelson 干涉仪的原理图干涉光图4.2光纤Michelson 干涉仪的原理图光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第13页/共120页3）光纤迈克尔干涉仪的应用测量折射率代替传统的迈克尔干涉仪应用于教学测量微位移测量压力测量磁场的强弱测量微应变、应力光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第14页/共120页4)Michelson干涉式光纤声发射传感器

10、光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业图4.3分别是Michelson干涉式光纤声发射传感器的工作原理图及实物图第15页/共120页激光器发出的光被22的耦合器分成两束光，一束光经过参考臂到达固定的光纤反射端面，另一束经过传感臂到达光纤反射端面。从两臂反射回来的光经过3dB的耦合器耦合进入同一根光纤，从光纤出来的干涉光被光电探测器所接收。这种干涉式光纤声发射传感器特点是两臂的光程彼此独立，外界声信号作用在传感臂（又称信号臂）上。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范

11、性专业第16页/共120页则光电探测器接收到的干涉光强度为(4-6)式中：I0-激光器发出的光注入到耦合器的光强 -外界因素引起传感臂与参考臂之间的 相位差，其中包括外界声信号S(t)引起的相位差 -光传播过程中综合光衰减因子，其中包括 耦合器的耦合率、光纤反射端面的反射率及两 臂的光衰减系数光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第17页/共120页 在MichelsonMichelson干涉式光纤AEAE传感器中，通常在被测物体表面镀反射膜或者在被测物体表面贴一个反射镜；从传感臂射出的光打在被测物体上，声信号S S(t t)

12、的振动导致被测物体的振动而产生一个微位移，导致两臂产生相位差。或者，把传感臂直接贴在被测物体表面，由于被测物体的移动使传感臂中的光程变化，导致两臂产生相位差。而相位差的变化可以引起干涉光的干涉条纹移动或者使光电探测器的输出电压变化。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第18页/共120页光纤Michelson 干涉式传感器的特点1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、使用安全。2)灵敏度高3)重量轻、体积小、可挠曲4)测量对象广泛5)传输损耗小6)传输容量大7)成本低第19页/共120页（二）Mach-ZehnderMach-Zeh

13、nder干涉式光纤声发射传感器Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式光纤声发射传感器的工作原理如图4-44-4所示。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第20页/共120页 在图4-44-4中，激光光源发出的光被一个2 2 2 2的3dB3dB耦合器分成两束光，一束光在参考臂光纤中传播，另一束光在传感臂光纤中传输，外界信号S S(t t)作用在传感臂光纤上，从第2 2个3dB3dB的耦合器出去的光经过光纤分别送到光电探测器1 1和光电探测器2 2。根据两束光的干涉原理，两个光电探测器接收到的干涉光的光强分别为

14、(4-7)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第21页/共120页式中：I I0 0-激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强 -外界因素引起传感臂与参考臂之间的相位差，其中包括外界声信号S S(t t)引起的相位差 -光传播过程中综合光衰减因子，其中包括耦合器的耦合率、及两臂的光衰减系数，一般此类干涉仪中采用两个相同的耦合器光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第22页/共120页 在Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式光纤AEAE传感器中

15、，通常把传感臂紧贴在被测物体表面，而声信号S S(t t)作用在传感臂光纤上而使传感臂光纤的长度和折射率都变化，导致传感臂和信号臂的传输光产生相位差，相位差的变化引起光电探测器的输出电压变化，然后经过适当的信号处理系统能将信号S S(t t)从光强或者光电探测器的输出电压中解调出来。据此原理，可以制成测量压力或声压的光纤AEAE传感器。光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第23页/共120页图4-5是Sagnac干涉式光纤声发射传感器结构和工作原理图。4.2.2 Sagnac干涉式光纤声发射传感器光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专

16、业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第24页/共120页激光器发出的光由一个3dB的耦合器分成两束光，一束光先经过光纤延迟线再经过传感器，然后进入耦合器，形成顺时针方向光束；另外一束光先经过传感器再经过光纤延迟线，然后进入耦合器，形成逆时针方向光束。两束光在Sagnac光纤环内传输一圈再经过耦合器进入光电探测器。光电探测器探测到的这两束光干涉后的光强为(4-8)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第25页/共120页式中：I I0 0-激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强 1 1-顺时针方向光束和

17、逆时针方向光束在SagnacSagnac光纤环内传输一圈产生的静态相位差 2 2-声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆时针方向光束产生的相位差通过相位调制和偏振控制可以使静态相位差 1 1/2/2，这样传感器的灵敏度最大，则(4-8)(4-8)变为(4-9)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第26页/共120页由式(4-9)(4-9)看出，光电探测器探测到的光强I I的变化仅仅由 2 2引起，知道光强I I的变化就能得知 2 2的变化，进而实现对检测声信号S S(t t)的检测。4.2.3 光纤 Fabry-Perot干

18、涉式光纤声发射传感器 现在的光纤Fabry-Perot干涉式光纤声发射传感器中，用单模光纤制成Fabry-Perot腔，即在光纤抛光端面镀以高反射率的反射膜，如果镀一层反射膜就构成双光束的Fabry-Perot腔。为了提高精度一般镀以多层介质反射膜，构成多光束干涉腔，形成多光束干涉，如图4-6所示。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第27页/共120页图4-64-6中，I Iinin(I(Ioutout):):输入（输出）光强；L L：介质膜的厚度；i i11N N,介质膜的层数；S S(t t)：外界信号。若外界信号是A

19、EAE信号，当其作用在光纤端面时，会在光纤的径向和轴向引起一个很小的微位移，从而导致光纤端面镀上的电解质膜发生弹性形变，这样Fabry-PerotFabry-Perot腔体长度d d会变化，光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第28页/共120页导致干涉光的相位差发生变化，这样干涉条纹就会移动，通过干涉条纹的移动来实现对外界的AEAE信号的检测，这样就构成一个Fabry-PerotFabry-Perot干涉式光纤声发射传感器。由于镀了多层反射膜，故此类光纤Fabry-PerotFabry-Perot干涉仪是利用多光束干涉，因

20、此其测量精度很高；4.2.4 Fizeau干涉式光纤声发射传感器图4-7是光纤Fizeau干涉式光纤声发射传感器的结构和原理图光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第29页/共120页在图4-74-7中，I I0 0为光纤FizeauFizeau干涉仪的探测长度，这一段长度的光纤作为光纤FizeauFizeau干涉仪的传感头，S S(t t)为作用在探测长度为l l0 0光纤上的外界信号。从2 2 2 2耦合器出来的光到达第一个光纤反射端面时，一部分光反射回来；另一部分光穿透过去后沿着长为l l0 0探测光纤传播到达第二个光纤

21、反射端面，然后再反射回来。这样，从第一个光纤反射端面反射回来的光与从第二个光纤反射端面反射回来的光通过耦合器耦合以后发生干涉，干涉光的强度变化导致光电探测器输出电压跟着变化。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第30页/共120页设从激光器进入光纤的光强为I I0 0，与传感头相连的光纤连接长度为l l，耦合器的耦合系数（率）为，设抛光光纤端面反射率为RfRf，则进入传感光路的光强为I I0 0。从第一个光纤反射端面反射回来的光的强度为穿过第一个光纤反射端面到达第二个反射端面后再反射回来的光强为(4-10)(4-11)光纤传

22、感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第31页/共120页于是得到从光纤反射端面反射回来到光电探测器两束光的传播函数为这样，这两束反射光经过耦合器后到达光电探测器的光强分别为(4-12)(4-14)(4-13)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第32页/共120页式中:E E0 0-光源发出的光进入耦合器（4.54.5图中）左边光纤中的光波的振幅 k k0 0-光波在真空中传播的波数且有k0k02/02/0 0 0-光波在真空中传播的波长 n-n-光纤纤芯的折射

23、率(4-15)对于没有包层的裸光纤端面，当光垂直入射时，根据菲涅尔公式有光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第33页/共120页但是能引起光电探测器输出电压变化的是式(4-(4-16)16)中的交流项即最后一项，设式(4-11)(4-11)中的交流项产生的光强为，则有当两束反射光产生干涉时，光电探测器探测到的干涉光的光强为(4-16)(4-17)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第34页/共120页由此可见，两束反射光的相位差 ，因为光强与光电探测器的输

24、出电压呈线性关系，故测出光电探测器的输出电压大小就可以知道相位差的大小。在FizeauFizeau干涉式光纤AEAE传感器中，常常把传感器埋在混凝土中，用来检测混凝土的内部结构及寿命。因为当混凝土受压产生形变或有裂缝产生时，在其内部产生一个AEAE信号作用在传感器的探测部分（图4-74-7中长度为l l0 0的光纤），由于光弹效应使光纤的长度及折射率均变化，由(4-17)(4-17)式可知两束反射光的相位差 会变化，光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第35页/共120页进而导致光电探测器的输出电压也变化，由此来测量出AEA

25、E信号的相关参数。FizeauFizeau干涉式光纤AEAE传感器比较适合于埋入混凝土内部用来检测检测大型建筑物如桥梁、大坝等的形变及裂缝，为了消除温度引起的干扰，引入一根长度和传感臂光纤一样长的光纤作为参考臂，且采用差动检测的方法来消除温度及其它外界噪音的干扰。当然，在实际应用中，结合波分复用（WDMWDM）及时分复用（TDMTDM）技术，把光纤AEAE传感器布置在被监测对象的不同检测点来对大型建筑物监测。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第36页/共120页现在比较复杂些的干涉式光纤声发射传感器，是两种干涉式光纤声发射

26、传感器相结合的结果，常用的是Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉式光纤声发射传感器与SagnacSagnac干涉式光纤声发射传感器相结合，即组成所谓的SagnacSagnacMZMZ干涉式光纤声发射传感器。其结构如图4.84.8所示4.2.5 Sagnac-MZ干涉式光纤声发射传感器光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第37页/共120页在这种干涉式声光纤发射传感器内传播的光束有4 4束：第一束光的传播路径：光源耦合器L1L1L2L2耦合器L3L3 L3 L3L4L4耦合器探测器；第二束光的传播路径：光源耦合

27、器L1L1L2L2耦合器L3L3 L3 L3L2L2 L1 L1耦合器探测器；第三束光的传播路径：光源耦合器L4L4耦合器L3L3 L3 L3L2L2 L1 L1耦合器探测器；第四束光的光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第38页/共120页 传播路径：光源耦合器L L4 4耦合器L L3 3 L L3 3L L4 4耦合器探测器。恰当的选择两臂光纤长度差 L=L1+L2-L4L=L1+L2-L4，仅使第一束光（顺时针方向传播的光束）和第三束光（逆时针方向传播的光束）产生干涉，则光电探测器探测到的干涉光的光强为(4-18)光

28、纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第39页/共120页式中：I I0 0-激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强 1 1-顺时针方向光束和逆时针方向光束在整个光路内传输一圈产生的静态相位差 2 2-声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆时针方向光束产生的相位差这种干涉式光纤声发射传感器检测原理如下：让光纤探头在待测物体表面扫描，通过光电探测器输出的幅值电压大小来判断物体表面有无裂纹。此干涉仪有较高的空间分辨率，非常适合于工业上无损检测。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重

29、点建设示范性专业第40页/共120页4.2.6 相位压缩原理及微分干涉仪 上面提到的Machzehnder、Michelson、Sagnac、Fabry-Perot干涉仪是四种普通的干涉仪，它们都有几个共同的缺点：温度敏感，需要长相干长度的光源，信号处理电路复杂。另外，由于它们的干涉项是两束或多束干涉光相位差的余弦函数，这就限制了它们的线性输出范围。一般的双光束干涉仪为了得到最大的灵敏度，常工作在正交状态。这就意味着把干涉项的余弦函数转变成了正弦函数。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第41页/共120页如果在干涉仪的输出

30、端用线性函数近似地替代正弦函数，且在正交工作状态下输入的相位差约为0.25rad，则会产生1的线性度误差。如果把输出相位信号限定在干涉仪的线性范围内，那么传感器的系统将大大地简化，它可以不采用复杂的电路进行信号处理及相位补偿技术。下面要提到的相位压缩原理恰好能实现这种功能。基于相位压缩原理建立的微分干涉仪具有线性范围广，信号处理电路简单，对缓变的温度等环境因素不敏感，并能使用短相干长度的光源等优点。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第42页/共120页一、相位压缩原理 相位压缩原理是指干涉仪测量的相位为干涉光束相位差的变化

31、量，不说普通干涉仪的相位差。这可以通过在固定的时间间隔内测量相位差获得，而时间间隔可以从延时光纤得到。所以，尽管输入调制信号超出了几个到几百个干涉条纹，但它的相位差变化量都很少，仍能包干涉仪工作仪工作在线性范围内。下面以马赫-曾德尔(Maeh-zehnder)(Maeh-zehnder)干涉仪为例来说明相位压缩原理。设干涉仪工作在正交状态，它的原理如图4.94.9所示光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第43页/共120页光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专

32、业第44页/共120页 由光源S S发出的光经光纤耦合器C1C1进入马赫-泽德干涉仪中，一束光经光纤延迟线延时=nl/c=nl/c（n n为光纤芯折射率，L L为延迟光纤长度，c c为真空中的光速）和调制器ss（t t）调相后得x1x1（t t）。若调制信号s s（t t）为一正弦函数，则调制器数学表达式为式中，fs为调制信号频率；sm为调制相位增幅，它可以由式（4-19）得到（4-19）（4-20）光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第45页/共120页式中，L L被信号产生的光纤长度变化量。在正交状态下，另一束光经/2/

33、2，（t t）调制后得x2x2（t t），再经延迟时间后为x2x2（t-t-）。两束光在光纤耦合器C2C2中干涉，得（4-21）X（t）通过探测器D、放大器A的交流干涉项为（4-22）光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第46页/共120页经反正弦变换后得y（t）其中，A A、B B为比例系数。利用傅里叶变换可证明，只要被测信号s s（t t）在功率谱中的最高频率满足下列条件：(4-23)（4-24）就有调制信号变化量正比于s（t）的微分，它的误差不大于1%.证明：设s（t）的傅里叶变换像函数为（jws），由傅里叶变换时间延

34、迟知：光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第47页/共120页所以s（t）-s（t-）的傅里叶函数为而 的像函数为jwss（jws）。若 ，则应该0，在1%.的误差范围内有 即，应用泰勒公式可得ws0.25，光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第48页/共120页即 ，证毕，则式（4-50）成为（4-25）解式（4-19）-(4-20),并令s（t）-s（t-）=sm(t),可得相位差变化量幅值（4-26）及信号频率与光纤长度变化量不等式或（4-27）光纤

35、传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第49页/共120页若L=3km,fs=50Hz,0=1.3um,n=1.46,L=3km,fs=50Hz,0=1.3um,n=1.46,L=2um,L=2um,则sm=11.01radsm=11.01rad，snm=0.05radsnm=0.05rad，于是PCF=220.2.PCF=220.2.由上述分析可知，在两频被测信号调制下，尽管信号光束和参考光束之间的相位差幅值（11.01rad11.01rad）都很小，相当于相位压缩了220220倍，故干涉仪仍工作在线性区内。定义相位压缩系数为相

36、位差幅值与相位差变化量幅值之比，即(4-28)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第50页/共120页由式（4-264-26）可以看出，相位压缩原理的相位变化量与信号频率，延迟线长度与光纤的长度变化量成正比。当频率小或延迟线短时，它的相位检测信号就小。所以，利用此原理建立的干涉仪对缓慢变化的温度不敏感。另外，小的延迟也不会产生明显的干涉效果。但fsfs、和 L L也要有一定的限制，基于式（4-244-24）和式（4-264-26）可知（4-29）光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性

37、专业国家重点建设示范性专业第51页/共120页根据上面提供的数据，可画出L和fs的关系曲线，如图4-10所示，1/8阈值以左，曲线下面的区域，即为满足相位压缩原理的区域。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第52页/共120页二、微分干涉仪 基于相位压缩原理建立的干涉仪称为微分干涉仪。但是以图4-11形式建立的干涉仪并不一定是实用的微分干涉仪。例如图4-11中有两个延迟线圈和两个调制器，这不仅使结构复杂，而且也增加了干涉仪的成本。图4-11设计了一种实用的微分干涉仪，它仅用一个延迟线圈和一个调制器就能达到相位压缩的目的。图中

38、光路系统由非平衡马赫-泽德干涉仪组成。一个激光二极管S用来作为光源，为防止光的反射，光隔离器IS被放在光源与光纤之间。光纤耦合器C1和C2之间为非平衡Maeh-zehnder干涉仪，两臂不平衡光路长约为光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第53页/共120页16cm16cm，远大于光源的相干长度，故在耦合器C2C2中没有干涉现象，只有顺时针经光路111122222223233 3和逆时针经光路333322222221211 1的两路光束返回到耦合器C1C1中才产生干涉，图中为延迟光纤环，延迟光纤长为1.5km1.5km，=0

39、.0146ms=0.0146ms，R R为光纤反射端面，PZTPZT为信号调制器。在参考臂的PCPC为偏振控制器，用它调整干涉仪使其工作在正交状态。由分析可知，该装置与图4-94-9的原理图等效，但图4-114-11仅用了一个调制器，一个延迟线，就实现了相位压缩的功能，因此，它具有实用、简单的特点。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第54页/共120页光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第55页/共120页4.3 4.3 相位调制型光纤传感器的信号解调技

40、术 与强度调制型、波长调制型等其他类型光纤传感技术相比，相位调制型光纤传感器以光纤中光的相位变化来表示被测物理量，而传感场中物理量的微小扰动就会引起光纤中光相位的明显变化，在采用理想相干光源和不考虑偏振问题的前提下，理论上这种相位检测可达的l0-6l0-6的高灵敏度。因此这种基于相位调制的光纤传感器在各类光纤传感器中具有最高的灵敏度，同时也极易受到外界环境噪声的影响。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第56页/共120页 相位调制型光传感器基本采用干涉仪的结构。常见的干涉仪结构从原理上可分为双光束干涉和多光束干涉，包括马赫

41、-曾德尔(Maeh-zehnder)(Maeh-zehnder)型、迈克尔逊(Miehelson)(Miehelson)型、赛格纳克(Sagnac)(Sagnac)型以及法布里珀罗(FabryPerot)(FabryPerot)型 。本节以Maeh-zehnderMaeh-zehnder型干涉仪为例说明干涉信号的解调技术。4.3.1 干涉仪的信号解调 我们需要采用信号处理的方法，从干涉仪输出的变化光强中解调出相位变化信号，从而进一步得出传感信号。根据参考臂中光频率是否改变，可将这些解调技术分成两大类：光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建

42、设示范性专业第57页/共120页一类是零差方式(Homodyne)(Homodyne)，另一类是外差方式(hterodyne)(hterodyne)。在零差方式下，解调电路直接将干涉仪中的相位变化转变为电信号。零差方式又包括主动零差法(Actlve Homodyne Method)(Actlve Homodyne Method)和被动零差法(Passive(Passive：Homod)rne Method)Homod)rne Method)。在外差方式下，首先通过在干涉仪的一臂中对光进行频移，产生一个拍频信号，干涉仪中的相位变化再对这个拍频信号进行调制，最后采用电子技术解调出这个调制的拍频信号

43、。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第58页/共120页外差方式包括普通外差法(True Heterod)rne)(True Heterod)rne)、合成外差法(synthetic(synthetic：Heterodyne)Heterodyne)和伪外差法(PseudoheterodynMethod)(PseudoheterodynMethod)。一般情况下，和零差法相比，外差法的相位解调范围要大很多，但是解调电路也要复杂得多。下面对各种解调方法作一个简单的介绍。1 1主动零差法 普通的光纤干涉仪如果不附加额外的相位控制

44、部分，其初始相位工作点会由于外界环境的微扰处于不断的随机变化中，这种相位工作点的漂移给检测相位信号造成了极大困难。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第59页/共120页 在主动零差法中，需要“主动”地控制干涉仪参考臂的长度，使得干涉仪工作在正交工作点处，即。=2 2。常见的主动零差法包括两种，即主动相位跟踪零差法(Active Phase Tracking(Active Phase Tracking HomodyneHomodyne，APTH)APTH)和主动波长调谐零差法(Active Wavelength Tuning

45、 Homodyne(Active Wavelength Tuning Homodyne，AWTH)AWTH)。对于主动相位跟踪零差法，通常在于涉仪的参考臂中引入一个相位调制器，干涉仪的输出信号经过一个电路伺服系统的处理后，反馈控制相位调制器，动态改变参考臂的相位，从而保持干涉仪两臂的相位差。=2 2。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第60页/共120页常用的相位调制器如压电陶瓷(PZT)(PZT)，可利用压电效应，用电信号改变缠绕在PZTPZT上的光纤长度。主动波长调谐零差法略有不同，干涉仪的输出信号经过处理后，反馈控制

46、光源的驱动电路，使得光源的波长发生改变。这种零差解调方案要求干涉仪两臂存在一定的非平衡性。假设光源的波长为，干涉仪两臂长度差为l l，光纤折射率为n n，则当光源波长改变时，干涉仪两臂的相位差将改变：(4-30)光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第61页/共120页 对于常用的半导体激光器，可以通过改变工作电流的方法来改变光源波长。和主动相位跟踪零差法相比，主动波长调谐零差法更容易受到光源相位噪声的影响。主动零差法的优点是结构简单，易于实现，受外界噪声影响小，但传感器的动态范围受光纤传感器及其应用技术到了反馈电路的限制，而

47、传感器的相位解调范围仍然受到限制，采用的相位调制器对传感系统的频率响应等有一定影响,PZT,PZT等电子有源补偿器件也是一般光纤探头设计所不希望的。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第62页/共120页 2 2被动零差法 在被动零差法中，不控制干涉仪的工作点。此时干涉仪两臂的相位差。将不断改变，从而引起干涉仪两个输出的不断改变。当干涉仪一个臂的输出完全减弱时，干涉仪另一臂的输出将最强。若使用这两个信号进行信号的解调，可使系统始终保持最佳灵敏度。被动零差法也有很多种实现形式，现介绍其中最常用的“微分交叉相乘法”。仍然令和。分

48、别代表干涉仪的相位变化和初始相位。通过某种方法，可以得到如下的两个正交分量：光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第63页/共120页将式（4-314-31）至式（4-324-32）交叉相乘，有（4-31）其中：A是一个代表幅度的常数。再分别对W1和W2进行微分，有（4-32）（4-33）光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第64页/共120页 可以看出，此时得到的是一个相对相位，这在通常的应用中都是可以接受的。有多种方法可以得到如式431)431)的项。常

49、见的方法包括相位载波生成法(PhaseGenerated Carrier(PhaseGenerated Carrier，PGCPGC：)和3333耦合器法。相位载波生成法利用对光源进行调频，或者对干涉仪的一臂进行相位调制，在干涉信号中引入相位载波信号，最终完成信号的解调。将式（4-33）的两边分别积分，最终得到（4-34）式中：K为积分常数。光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第65页/共120页 33 33耦合器法的思路比较简单，如图4.124.12所示。在图4.124.12中，干涉仪中的第二个耦合器使用了一个3333耦合

50、器，此时在3 3个探测器处的信号为：光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建设示范性专业国家重点建设示范性专业第66页/共120页式中：a a，b b，c c是和耦合器性能相关的常数。容易看出，通过将式(4-35)(4-35)中的V1V1和V3V3分别进行加、减运算，就可以得到式(4-31)(4-31)。被动零差法的动态范围仍然受到解调电路的限制，但传感器的相位解调范围大大增加，理论上没有限制，而且被动零差法对光源的相位噪声不敏感。不过被动零差法的解调电路要比主动零差法复杂得多。（4-35）光纤传感器及应用光纤传感器及应用光电子技术专业光电子技术专业-国家重点建