《干涉式光纤传感器》PPT课件.ppt

组员：组员： 骆鑫盛，黄超宇，陆侃，王俊。骆鑫盛，黄超宇，陆侃，王俊。# 光纤传感器的形成与发展光纤传感器的形成与发展 伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而出现的光纤传感器光纤传感器, ,由于光纤传感器是以光波为载体。以由于光纤传感器是以光波为载体。以光纤为介质的新型传感器，所以具有一系列独特光纤为介质的新型传感器，所以具有一系列独特的优点。的优点。 首先，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍。首先，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍。 其次，它可以在高电压、大噪声、高其次，它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作。作。 最后，其可以与光纤遥感、遥测技术最后，其可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。统。#光纤传感器的分类光纤传感器的分类根据测量对象来分：根据测量对象来分： 温度传感器、压力、位移传感器等。温度传感器、压力、位移传感器等。根据光纤是否对被测量敏感来分：根据光纤是否对被测量敏感来分： 元件型和传输型传感器。元件型和传输型传感器。根据被测量调制光波参数来分：根据被测量调制光波参数来分： 光强调制型、相位调制型、波长调制型、频光强调制型、相位调制型、波长调制型、频率率调制型及偏振调制型。调制型及偏振调制型。 光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。在航天航空（飞机及航天器各部位压力测量、温度测域。在航天航空（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（量、陀螺等）、航海（光纤水听器光纤水听器、声纳等）、工程项目、声纳等）、工程项目（桥梁建设及修复的监测、铁路等）石油开采（液面高度、（桥梁建设及修复的监测、铁路等）石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量流量测量、二相流中空隙度的测量 ）、电力传输（高压）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测）医疗（血液流速测量、血压原子能发电站泄漏剂量监测）医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转，敏感蒙皮）等众多及心音测量）、科学研究（地球自转，敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的应用。各种光纤传感器如领域都得到了广泛的应用。各种光纤传感器如: :白光法布白光法布里珀罗（里珀罗（FabryFabry-Perot-Perot）干涉仪型光纤传感器产品，布）干涉仪型光纤传感器产品，布拉格（拉格（BraggBragg）光栅型分布式和荧光式光纤传感器等相关）光栅型分布式和荧光式光纤传感器等相关产品，能满足相应行业的应用。产品，能满足相应行业的应用。# 各个类别的传感器其实都是尤其缺陷的。各个类别的传感器其实都是尤其缺陷的。 今天我们所要介绍的是干涉型光纤传感器自然也有今天我们所要介绍的是干涉型光纤传感器自然也有它的不足地方。它的不足地方。 2.由于光纤是在单模光纤构成的干涉型光纤传感器中由于光纤是在单模光纤构成的干涉型光纤传感器中,故存在偏振衰落问题故存在偏振衰落问题,将导致干涉效率降低。而为了将导致干涉效率降低。而为了消偏振衰落采用全保偏器件的光纤传感器成本过于高消偏振衰落采用全保偏器件的光纤传感器成本过于高昂昂,影响其实用性。以马赫影响其实用性。以马赫-泽德干涉仪为基础泽德干涉仪为基础,用反馈用反馈信号控制偏振控制器加起偏器的结构消除了偏振衰落信号控制偏振控制器加起偏器的结构消除了偏振衰落,构造了基于部分保偏器件的干涉型光纤传感器。实验构造了基于部分保偏器件的干涉型光纤传感器。实验得到系统输出信噪比稳定在得到系统输出信噪比稳定在60 dB左右。左右。1.1.它只是元件型的光纤传感器，测量方法单一。它只是元件型的光纤传感器，测量方法单一。# 由于属于元件型传感方式，所以涉及到由于属于元件型传感方式，所以涉及到的相位调制基本是通过光纤本身的参数来实的相位调制基本是通过光纤本身的参数来实现。现。简单的说，就是将包含在光波相位中的简单的说，就是将包含在光波相位中的被测信息，利用光波的干涉来实现相位解调，被测信息，利用光波的干涉来实现相位解调，从而获得所需要的参数与信息。从而获得所需要的参数与信息。#aalnnlll)(干涉式光纤传感器原理干涉式光纤传感器原理对上式微分得：式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。为了测到各效应对其所产生的影响，自然要对调制在相位中的信号需要进行解调，用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。l光波通过长度为 的光纤，其相位延迟为l其中为光波在光纤中的传播常数，nk0。N为纤芯折射率 ，k0 为光波在真空中的波数，也就是说其与真空中波长倒数成正比。#光源光源探测器探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB(a) 迈克尔逊干涉仪 双光束光纤干涉仪有迈克尔逊双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫干涉仪、马赫-陈德尔陈德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪。干涉仪。 在迈克尔逊干涉仪中，光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。 1）迈克尔逊干涉仪）迈克尔逊干涉仪 #光源光源信号臂信号臂参考臂参考臂3dB探测器探测器3dB(b) 马赫-陈德尔干涉仪2）马赫）马赫-陈德尔干涉仪陈德尔干涉仪3）斐索干涉仪）斐索干涉仪 马赫马赫-陈德尔干涉仪使用了两个陈德尔干涉仪使用了两个3dB耦合器，光源发出的相干光耦合器，光源发出的相干光由第一个由第一个3dB耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤，在经第二个3dB耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。马赫-陈德尔干涉仪陈德尔干涉仪的优点是的优点是克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响，得到广泛的应用。泛的应用。 #光源光源探测器探测器传输光纤传输光纤3dBM1M2自聚焦透镜自聚焦透镜(c) 斐索干涉仪 在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经在斐索干涉仪中，光源发出的相干光束经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分从光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常射镜反馈回光纤中，这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。通常在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点在光纤出射端加一自聚焦透镜来提高外部反馈光的耦合效率。这种干涉仪的特点是是结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光结构非常简单，通过改变光纤端面与外部反射镜的间距就可以实现对光纤中光波相位的调制。波相位的调制。3）斐索干涉仪）斐索干涉仪#ststiEE)(exp101rtiEEexp202有个例子可以看看：有个例子可以看看：现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为： 式中E10 ：信号光场振幅 S(t)：信号光相位调制量 O/s：信号光初始相位 E20：参考光场振幅 O/r：参考光初始相位 W：光波圆频率#两光束相干产生的干涉场分布为两光束相干产生的干涉场分布为)exp()exp()(exp2010tiiEtsiEErs相应的光强分布为相应的光强分布为)(cos10rstskII 这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。相位调制型光纤传感器在温度，压力测量等方面具有广泛应用，其特点是系统灵敏度非常高。如后面还将介绍的一种运用在军事上的光纤水听器就是一种相位调制型光纤传感器，其主要就是通过水压的扰动，发现地方目标。因为干涉式光纤传感器是一因为干涉式光纤传感器是一种相位调制型光纤传感器，而影种相位调制型光纤传感器，而影响传播在光纤中的光波相位的主响传播在光纤中的光波相位的主要因素是温度和外界应力，所以，要因素是温度和外界应力，所以，干涉式光纤传感器在温度以及压干涉式光纤传感器在温度以及压力测量等方面具有广泛的应用。力测量等方面具有广泛的应用。干涉式光纤传感器优点：干涉式光纤传感器优点：灵敏度高、耐腐蚀灵敏度高、耐腐蚀 、安全可靠、结、安全可靠、结构简单、抗电磁干扰、体积小、质量轻、构简单、抗电磁干扰、体积小、质量轻、保密性强等。保密性强等。 基于以上优点，目前有两大应用方基于以上优点，目前有两大应用方向最具代表性：向最具代表性： 1.干涉式光纤水听器干涉式光纤水听器 2.光纤陀螺。光纤陀螺。#1.光纤水听器光纤水听器 光纤水听器的种类多种多样，主要应用光纤水听器的种类多种多样，主要应用于军事领域。将光纤水听器放入水中，于军事领域。将光纤水听器放入水中，可以检测远处船只可以检测远处船只、潜艇发动机引起的、潜艇发动机引起的水压扰动，从而发现敌方目标。水压扰动，从而发现敌方目标。#例：ST70测量水听器小型水声通用测量水听器特点：主要用于海、河、湖、池溏上和水池中水声测量之用。可以用于水下噪声探测。无方向性。水听器用不锈钢结构，耐海水，安装结构牢固可靠。#ST70测量水听器有供选购的带前置放大器（ST70A）电缆:15米软性电缆（可以加长）重量:270克（含电缆）#ST70测量水听器性能参数型号ST70使用频率范围50Hz70KHz元件材料/直径（mm）PZT/15元件高度(mm)18元件结构式#ST70测量水听器接收声压灵敏度（dBre.1v/Pa）204自由电容C0(nf)4.215%带前置的放大器增益（dB）20（ST70A型）外壳材料不锈钢声窗材料聚氨酯#干涉式光纤水听器与传统压电干涉式光纤水听器与传统压电水听器的比较水听器的比较 与传统的压电水听器相比较，干涉式光与传统的压电水听器相比较，干涉式光纤传感器拥有诸多优势。纤传感器拥有诸多优势。 除了用光代替电所带来的诸多好处外，除了用光代替电所带来的诸多好处外，最为关键的是该系统不再需要额外的传最为关键的是该系统不再需要额外的传感头，因为它是通过光纤本身绕成的光感头，因为它是通过光纤本身绕成的光纤圈来感应外部变化的，从而大大降低纤圈来感应外部变化的，从而大大降低了成本。了成本。#干涉式光纤水听器与传统压电干涉式光纤水听器与传统压电水听器的比较水听器的比较 光纤还可以降低光纤还可以降低系统的重量，同系统的重量，同时也大大提高了时也大大提高了声纳阵列的使用声纳阵列的使用寿命。寿命。 其声压灵其声压灵敏度比传统的压敏度比传统的压电型水听器高出电型水听器高出三个数量级三个数量级。#2.光纤陀螺仪光纤陀螺仪 光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。键部件。#光纤陀螺仪光纤陀螺仪#光纤陀螺仪光纤陀螺仪#光纤陀螺仪光纤陀螺仪# 除了以上两种应用方向外，干涉除了以上两种应用方向外，干涉式光纤传感器还有以下一些应用：式光纤传感器还有以下一些应用：高精度光纤法布里珀罗干涉仪在液高精度光纤法布里珀罗干涉仪在液体折射率传感中的测量。体折射率传感中的测量。基于马赫曾德尔干涉仪的干涉型光基于马赫曾德尔干涉仪的干涉型光纤奇偶交错滤波器。纤奇偶交错滤波器。光纤法布里光纤法布里-珀罗干涉式声发射器。珀罗干涉式声发射器。用于机械工程中轧制力的测量。用于机械工程中轧制力的测量。等等等等#