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1、相位调制型 光纤传感器,Fiber Optic Sensors,光纤传感器的分类,功能型 按照被调制的光波参数 强度调制型 相位调制型 频率调制型 波长调制型 偏振调制型 核心技术光调制技术,特点,特点： 干涉测量灵敏度高 直接测量物理量：应力（压力10-7Pa）、应变（10-7）、 温度（10-8） 、电磁场 多参量同时测量、灵活 需要特殊光纤单模、保偏、增敏、去敏,入射光波,出射光波,相位调制区,信号,参考信道,*干涉效果的定量表征条纹的清晰度,清晰度 条纹的反衬度K（对比度）来定量表征清晰度 K=1: 清晰度最大完全相干 K=0: 清晰度最低非相干 0K1: 部分相干 三个因素：光源大小
2、、非单色性；两相干光波的振幅比 当A1=A2时，K=1； 而A1与A2相差越多，K值越小,原子前后发出的两列光波相互独立 没有固定的位相关系 两个发光原子同时发出的波列形成的干涉图样只能在极短的时间内存在 接收器只能记录到强度的平均值,*相干条件（产生干涉的条件）,在观察时间内，许多波列都通过P点 如果各时刻到达的波列的位相差无规则变化，则 P点是任意的 不发生干涉现象。 如果两光波的位相固定不变，则有,干涉的三个必要条件 两叠加光波的位相差固定不变 振动方向相同 频率相同 定义：相干光波、相干光源 补充条件 利用原子发出的同一波列 光程差要小于波列长度,相干条件,光纤中的相位调制,应力/应变
3、调制 温度调制 可以转化的调制,1 相位调制机理,应力应变效应 通过长L的光纤，出射光波的相位延迟： 光波在外界因素影响下的相位变化： 材料折射率变化与应变的关系参考书（76-77）,传感机理,例31：水和空气对应的分别为610-6K/Pa和910-2K/Pa 说明： 水声传感时 温度变化项完全可以忽略 裸光纤放在空气中时 温度变化项反而是压力变化项的2103倍 灵敏度比水声高一个数量级,1 相位调制机理 contd,温度应变效应类似于应力应变效应 仅考虑径向折射率变化时： 对于四层光纤，考虑边界条件：,1 相位调制机理 contd,多层结构的考虑： 纤芯、包层、衬底、一次涂敷、二次涂敷 结论
4、： 二次涂敷对单模光纤的灵敏度影响最大。 MZ干涉仪中，声压力产生的温度效应 实现应变的方法：,2 光纤干涉仪的类型,Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 Sagnac干涉仪（环形腔） 相位压缩原理与微分干涉仪 白光干涉,干涉测量原理,双光束干涉： 多光束干涉 结论,R：反射率；：相邻光束的相位差,2 光纤干涉仪1-2,Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪 干涉光强: 外界因素引起 L 和 n 的变化：,2 光纤干涉仪1-2 condt,MZ干涉仪的应用例线性调频外差型干涉仪 固定光程差（10cm由光源线宽决定） 检测：锁相
5、、比较和计数 解决： 条纹高细分困难，导致精度不高 测量灵敏度和精度随光程差改变； 易受外界环境影响等 用声光调制器的外差式干涉结构复杂、体积大、调制频率范围小的矛盾,2 光纤干涉仪3,Sagnac干涉仪 结构 优势： 无活动部件 无非线性效应 无闭锁区,2 光纤干涉仪3 contd,4个问题 互易性与偏振态 同光路：一个耦合器附加光程差 同模式：使用单模光纤 同偏振态：对保偏光纤的需求 偏置与相位调制 余玄函数近零点（低转速）灵敏度很低 光子噪声 基本限制影响信噪比 寄生效应的影响与消除 直接动态效应：温度，应力 反射和Rayleigh散射 Faraday效应 光Kerr效应,2 光纤干涉仪
6、3 contd,2 光纤干涉仪3 contd,光纤陀螺仪的应用状况,1.战略导弹系统和潜艇导航应用； 2.卫星定向和跟踪； 3.战术武器制导与控制系统； 4.各种运载火箭应用； 5.姿态航向基准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航； 7.陆地导航系统(+GPS)； 8.天体观测望远镜的稳定和调向； 9.汽车导航仪、天线摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制置等工业和民用领域。,2 光纤干涉仪4多光束干涉,Fabry-Perot干涉仪 原理 FFPI的结构 2个重要参数 自由谱区宽度FSR 条纹细度,2 光纤干涉仪4 多光束干涉 contd,FFPI的应用 FBG 信
7、号解调系统 FFPI传感器,2 光纤干涉仪5多光束干涉 contd,光纤环形腔干涉仪 自由谱区宽度（FSR） 干涉细度F：,I4-L,相位压缩与微分干涉仪,相位压缩原理 普通的干涉仪的共同缺点 温度敏感 长相干长度的光源 信号处理电路复杂 干涉项相位差的余弦函数 限制了它们的线性输出范围 线性函数近似正弦函数 在正交工作状态下：0.25rad输入相位差线性度误差,相位压缩 干涉仪的相位信号限定在线性范围之内 测量的相位为干涉光束相位差的变化量 实现方法： 固定的时间间隔内测量相位差 时间间隔t可以从延时光纤得到,例：以MZ干涉仪为例 调制信号的相位变化为 相位变化量幅值为 定义相位压缩系数为相
8、位差幅值与相位差变化量幅值之比 设L3km，fs50Hz，01.3m，n1.46, L=2m， 则sm11.01rad，snm0.05rad，于是PCF220.2。,相位压缩与微分干涉仪,微分干涉仪 一个延迟线圈和一个调制器 非平衡马赫泽德干涉仪：LD光源、l16cm,2 光纤干涉仪6白光干涉,解决的问题：实现绝对测量 原理：2个干涉仪构成,Michelson干涉仪,2 光纤干涉仪6白光干涉,白光干涉的优点与问题 优点： 绝对测量 抗干扰能力强系统分辨率与光源稳定性、光纤扰动等无关 问题：低相干度光源的获得、零级干涉条纹的检测 应用,* 相位信号解调技术,干涉仪的信号解调 光纤锁相环方案 PG
9、C（phase generator carrier)方案,干涉仪的解调方案,主动零差法 被动零差法 普通外差法 合成外差法 伪外差法,零差法,外差法,零差法,零差方式：直接将相位变化 电信号 主动零差法（Active homodyne method ） 目的：解决相位工作点的漂移 方案：控制 l 正交工作点工作；/2 类型 主动相位跟踪零差法（APTH, Active phase tracking homodyne） 主动波长调谐零差法（AWTH, Active wavelength tuning homodyne）,被动零差法（Passive homodyne method ） 目的：不控制
10、干涉仪的工作点 方案：两臂的相位差将不断改变 使用两个强度差最大的信号解调 保持最佳灵敏度 类型举例 微分交叉相乘法 相位载波生成法（PGC，Phase generated carrier）28和33耦合器法29,33耦合器法,缺点： 动态范围仍然受到解调电路的限制 复杂 优点：传感器的相位解调范围大大增加,外差法,普通外差法 关键：移频器 合成外差法 避免移频器件的使用相位调制器 高频大幅度的正弦信号控制相位调制器 伪外差法 锯齿波 调制激光器的工作电流,外差法的比较,普通外差法 相位解调范围最大，在理论上没有限制 需要特殊的移频器件 合成外差法 相位解调范围大 解调电路复杂性最高。 伪外差
11、法 各方面的性能比较平衡，最常用解调方法,光纤锁相环方法,又称：直流相位跟踪法 Michealson干涉仪 S(t)很小时 设正交工作点， 此时灵敏度最大。,系统稳定性,温度漂移和有限电源电压 温度每升高一度同轴型光纤干涉仪相位漂移104rad左右(待测信号10rad) 复位系统 光源功率波动 光纤布线引起,PGC方法,锁相环方法 简单、精度高 PZT不利于成网 PGC方法 光源直接调制无反馈器件 开环系统无稳定型问题 大动态范围、利用频分复用组网 实现：硬件、软件,干涉式位移传感器,反射干涉型位移传感器 特点： 完全同光路 结构紧凑，灵活 LFM可提高灵敏度,相位干涉型位移传感器,两臂光程l固定，当光源频率f或波长变化时干涉条纹的级次随之变化 例：1km光纤、腔长5cm， 腔长位移：,动态压力传感器,水声传感 静压力变化p,光纤长度l，产生相位差：,温度传感器,MZ型,温度传感器 contd,FP型,磁场传感器,MZ传感器,电流传感器,金属被覆式 磁致伸缩式,设计举例磁场传感器,设计：一个可探测10-6T的磁场传感器 步骤： 1、确定方案 1）调研综述：已有可测量10-6T的方案 2）可行性论证： 精度估算： 测量范围 测量条件：温、湿度、动态范围、材料的获取、成本等 2、实验验证 3、样机,
