1、第五章第五章 相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制 利用外界因素改變光纖中光波的相位、通過檢測光波相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。 光纖中的光波相位由光纖波導的物理長度、折射率及其分布、波導橫向幾何尺寸所決定。一般來說，壓力、張力、溫度等外界物理量可以直接改變上述三個波導參數(shù)，產(chǎn)生相應變化，實現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。 但是，目前光敏器件尚不能直接感知光波相位變化，因此必須采用光的干涉技術將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娮兓?，才能實現(xiàn)對外界物理量的測量。光纖傳感器中的相位調(diào)制技術應包括兩部分：一是產(chǎn)生光波相位變化的物理機理；二是光的相干技術。應力應變的相位調(diào)制當光纖受到軸向的機械應力作用時，將

2、產(chǎn)生三個主要的物理效應，導致光纖中的光相位發(fā)生變化：、光纖的長度變化-應變效應；、光纖纖芯的感應折射率變化-光彈效應；、光纖纖芯的直徑變化-泊松效應。根據(jù)有關文獻介紹，光波通過長度為L的光纖后，出射光的相位延遲為=L為光波在光纖中的傳播常數(shù)。 當光纖長度或傳播速度變化時、引起光波相位變化為aaLnnLLLLLL 式中為L和引起的相位變化，a為光纖芯的半徑。上式中第一項為光纖長度(應變效應)變化引起的相位延遲；第二項表示感應折射率變化(光彈效應)所引起的相位延遲；第三項為光纖纖芯的直徑變化(泊松效應)引起的相位延遲。一般泊松效應小得多，可忽略。nnLLLL 根據(jù)彈性力學，對于各向同性材料，折射率

3、變化與應變存在一定關系。31220211PnLnk設為光纖橫向應變，為縱向應變，為光纖光彈系數(shù)，（）、縱向應變調(diào)制、縱向應變調(diào)制LLkdndnk3, 00/,、徑向應變調(diào)制、徑向應變調(diào)制考慮泊松效應，1121120021PPndadnkaLnkaa21不考慮泊松效應，1121130)(21PPLnk、縱橫向效應同時存在3122112112302121PnPPnLnk一般形式的相位變化（為光纖中模數(shù)）321221112202141141211aamamPPnLnk溫度應變相位調(diào)制 溫度應變是將光纖放置在變化的溫場中，設溫場變化等效于一個作用力F時，則作用力F同時影響光纖折射率n和長度L的變化。由

4、下式引起光纖中光波相位延遲為dFdLndFdnLKdFdLnKdFdnLKdFd000第一項為折射率變化引起的相位變化；第二項為光纖幾何長度變化引起的相位變化。由溫度等效于某一作用力F后，則可用溫度變化T和相位進行描述：此式只考慮長度應變末考慮徑向應變。dTdLndTdnLKT0 由于光纖中光的傳播是沿橫向偏振，僅考慮縱向折射率變化光纖的溫度靈敏度3121121123211111PPPnTTnndTdLLdTdnnT對于石英光纖，1.456,0=0.6328m,mcradTLcTLcTn/107/105,/101016相位調(diào)制與干涉測量 相位調(diào)制常與干涉測量技術并用，構成相位調(diào)制的干涉型光纖傳

5、感器。 相位調(diào)制的光傳感器，其基本原理是通過被測物理量的作用，使某段單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化再用干涉技術把相位變化變換為振幅變化從而還原所檢測的物理量。 在光波的干涉測量中參與工作的光波是兩束或多束相干光。例如有振幅分別為A1和A2的兩束相干光束,如果其中光束的相位由于某種因素的影響或調(diào)制，在干涉域中就會產(chǎn)生干涉。干涉場中各點的光強可表示為：式中為相位調(diào)制造成的兩相干光之間的相位差。如果檢測到干涉光強的變化就可以確定兩光束間相位的變化，從而得到待測物理量的數(shù)值大小。cos22122212AAAAA 光學干涉儀的共同特點是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的

6、折射振動及聲波干擾。這種影響都會導致空氣光程的變化、從而引起干涉測量工作的不穩(wěn)定，以致準確度降低。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響并可以克服光路加長時對相干長度的嚴格限制，從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀。 在四種干涉儀中，以一個或兩個3dB耦合器取代了分光器。光纖光程取代了空氣光程，并且這些干涉儀中都是以光纖作為相位調(diào)制元件(傳感器)，被測物理量作用于光纖傳感器，導致其光纖中光相位的變化或光的相位調(diào)制。 由于采用了干涉技術，使其具有很高的相位調(diào)制靈敏度。例如對于溫度、壓力、應變(軸向)分別具有106radmC，10-9 radmPa，11.4rad/mm。光纖探頭的形

7、式靈活多樣，能適用于不同的測試環(huán)境。實現(xiàn)干涉測量的儀器很多通常采用的干涉儀主要有四種：邁克爾遜干涉儀、馬赫一澤德干涉儀、塞格納克干涉儀和法布里一珀羅干涉儀。 F-P干涉儀主要應用氣體測量。 馬赫曾德爾干涉儀根據(jù)雙光束干涉原理，兩個探測器接收光強分別為)cos1 (21)cos1 (210201ssIIII經(jīng)過信號處理系統(tǒng)，信號從光強中解調(diào)出來。 馬赫-澤德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀采用相位調(diào)制，被廣泛應用于水聽器、光纖加速計和壓力、溫度的測試。聚偏二氟乙烯(PVF2)薄膜壓電式傳感 Sagnac干涉儀cANLLcNAtNcLcAcRcLcLtcRttRRlRLtRRlRLccwcw

8、ccwcw8244422222222Sagnac干涉儀干涉儀相位調(diào)制檢測從馬赫曾德爾干涉儀兩臂射出的相干光分別用表示tiEetiEeA222111exp)(exp),(expexpexp)(2121121titiEiEteA光電檢測器光敏面上的合成光波可寫為考慮外界干擾引起相位變化N ，因此光電檢測器輸出光電流 )cos(10NAtkiti式中為比例系數(shù)，小于等于，若，則，光電探測器輸出電流的交流分量為 )cos(NAtti要提取A，提取方法與有關。一、零差檢測（零差檢測（ ）信號臂和參考臂光波頻率相同，這時檢測器輸出電壓信號 NAtV cosNAcosNAsin經(jīng)過電路運算功能找到A、被動零

9、差法找一個與正交的信號、主動零差法：在干涉儀回路中加入一個相位調(diào)制器，利用反饋信號控制調(diào)制器，在跟蹤狀態(tài)下，使正交條件始終保持。根據(jù)獲取信號方式，分為交流跟蹤和直流跟蹤兩種。二、二、外差檢測（外差檢測（）要造成外差條件，必須改變參考臂的頻率，常用在參考臂中插入一個聲光調(diào)制器。 被動零差法信號臂：參考臂)cos(1)(02NAVtV)cos(1)(01NAVtV混頻效率，它與偏振態(tài)和耦合器分束比有關，A信號調(diào)制相位變化，N外界干擾引起相位變化，理想狀態(tài)為一常數(shù)，一般以隨機形式漂移。差分放大器輸出 )cos(2cos2)(00213NANAKVkVtVtVktV若能找到一個與V3正交的信號)sin(203NAKVV可運用模擬電路進行下面計算NAdtddtdVVdtdVV3333將上式信號進行積分,如果A 與N頻譜不重合，然后運用濾波器可將A濾出.正交信號實現(xiàn):采用定向耦合器，再利用差分放大器可得到一對正交信號)sin(cos00NABNAAVVVV 主動零差法（交流跟蹤檢測）差分放大器輸出電壓2)(sin2)(cos2003tAKVtAKVVNANA在正交近似條件2)(mtANA2)(22)(2003NANAtAKVtAKVV由產(chǎn)生一個合適的反饋電壓使（）精確地抵消，控制電壓可由積分得到 t dtVGV034為積分電路的放大