《干涉式光纖傳感器》PPT課件

1、干涉式光纖傳感器 組員： 駱鑫盛，黃超宇，陸侃，王俊。干涉式光纖傳感器光纖傳感器的形成與發(fā)展光纖傳感器的分類光纖傳感器的缺陷干涉式光纖傳感器的目的干涉式光纖傳感器原理干涉式光纖傳感器的應(yīng)用 光纖傳感器的形成與發(fā)展 伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的光纖傳感器,由于光纖傳感器是以光波為載體。以光纖為介質(zhì)的新型傳感器，所以具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 首先，其傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍。 其次，它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下正常工作。 最后，其可以與光纖遙感、遙測技術(shù)配合，形成光纖遙感系統(tǒng)和光纖遙測系統(tǒng)。光纖傳感器的分類根據(jù)測量對象來分： 溫度傳感器、壓力、位移傳感器

2、等。根據(jù)光纖是否對被測量敏感來分： 元件型和傳輸型傳感器。根據(jù)被測量調(diào)制光波參數(shù)來分： 光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、波長調(diào)制型、頻率調(diào)制型及偏振調(diào)制型。 光纖傳感技術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國爭相研究的高新技術(shù)，它可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域。在航天航空（飛機(jī)及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（光纖水聽器、聲納等）、工程項(xiàng)目（橋梁建設(shè)及修復(fù)的監(jiān)測、鐵路等）石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄漏劑量監(jiān)測）醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)，敏感蒙皮）等眾多領(lǐng)

3、域都得到了廣泛的應(yīng)用。各種光纖傳感器如:白光法布里珀羅（Fabry-Perot）干涉儀型光纖傳感器產(chǎn)品，布拉格（Bragg）光柵型分布式和熒光式光纖傳感器等相關(guān)產(chǎn)品，能滿足相應(yīng)行業(yè)的應(yīng)用。 缺陷 各個(gè)類別的傳感器其實(shí)都是尤其缺陷的。 今天我們所要介紹的是干涉型光纖傳感器自然也有它的不足地方。 2.由于光纖是在單模光纖構(gòu)成的干涉型光纖傳感器中,故存在偏振衰落問題,將導(dǎo)致干涉效率降低。而為了消偏振衰落采用全保偏器件的光纖傳感器成本過于高昂,影響其實(shí)用性。以馬赫-澤德干涉儀為基礎(chǔ),用反饋信號控制偏振控制器加起偏器的結(jié)構(gòu)消除了偏振衰落,構(gòu)造了基于部分保偏器件的干涉型光纖傳感器。實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)輸出信噪比穩(wěn)

4、定在60 dB左右。1.它只是元件型的光纖傳感器，測量方法單一。干涉型光纖傳感器的目的 由于屬于元件型傳感方式，所以涉及到的相位調(diào)制基本是通過光纖本身的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 簡單的說，就是將包含在光波相位中的被測信息，利用光波的干涉來實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)，從而獲得所需要的參數(shù)與信息。 干涉式光纖傳感器原理對上式微分得：式中第一項(xiàng)表示光纖長度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項(xiàng)為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項(xiàng)為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。為了測到各效應(yīng)對其所產(chǎn)生的影響，自然要對調(diào)制在相位中的信號需要進(jìn)行解調(diào)，用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉

5、法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。光波通過長度為 的光纖，其相位延遲為其中為光波在光纖中的傳播常數(shù)，nk0。N為纖芯折射率 ，k0 為光波在真空中的波數(shù)，也就是說其與真空中波長倒數(shù)成正比。光源探測器信號臂參考臂3dB(a) 邁克爾遜干涉儀 雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉儀。 在邁克爾遜干涉儀中，光源發(fā)射光經(jīng)3dB光纖耦合器被分成功率相等的兩部分，分別進(jìn)入信號臂光纖與參考臂光纖，然后分別被端面的反射鏡反射回各自的光纖中，在信號臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{(diào)制，在參考臂光纖中傳輸?shù)墓?/p>

6、波相位與外界無關(guān)。被反射回來的光波在3dB耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，信號由與此端相連的探測器接收。 1）邁克爾遜干涉儀 光源信號臂參考臂3dB探測器3dB(b) 馬赫-陳德爾干涉儀2）馬赫-陳德爾干涉儀3）斐索干涉儀 馬赫-陳德爾干涉儀使用了兩個(gè)3dB耦合器，光源發(fā)出的相干光由第一個(gè)3dB耦合器進(jìn)入信號臂光纖與參考臂光纖，在經(jīng)第二個(gè)3dB耦合器后在探測器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。馬赫-陳德爾干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是克服了邁克爾遜干涉儀中反饋光波對光源的影響，得到廣泛的應(yīng)用。 光源探測器傳輸光纖3dBM1M2自聚焦透鏡(c) 斐索干涉儀 在斐索干涉儀中，光源發(fā)出的相干光束經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入傳輸光纖，在光

7、纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分從光纖輸出后又被一個(gè)外部的反射鏡反饋回光纖中，這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。通常在光纖出射端加一自聚焦透鏡來提高外部反饋光的耦合效率。這種干涉儀的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡單，通過改變光纖端面與外部反射鏡的間距就可以實(shí)現(xiàn)對光纖中光波相位的調(diào)制。3）斐索干涉儀有個(gè)例子可以看看：現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光的場強(qiáng)分別為： 式中E10 ：信號光場振幅 S(t)：信號光相位調(diào)制量 O/s：信號光初始相位 E20：參考光場振幅 O/r：參考光初始相位 W：光波圓頻率兩光束相干產(chǎn)生的干涉場分布為相應(yīng)的光強(qiáng)分布為 這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)

8、換為強(qiáng)度變化，可以獲得被測信號的大小。相位調(diào)制型光纖傳感器在溫度，壓力測量等方面具有廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是系統(tǒng)靈敏度非常高。如后面還將介紹的一種運(yùn)用在軍事上的光纖水聽器就是一種相位調(diào)制型光纖傳感器，其主要就是通過水壓的擾動，發(fā)現(xiàn)地方目標(biāo)。干涉式光纖傳感器的應(yīng)用 因?yàn)楦缮媸焦饫w傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器，而影響傳播在光纖中的光波相位的主要因素是溫度和外界應(yīng)力，所以，干涉式光纖傳感器在溫度以及壓力測量等方面具有廣泛的應(yīng)用。干涉式光纖傳感器的應(yīng)用干涉式光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耐腐蝕 、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、保密性強(qiáng)等。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，目前有兩大應(yīng)用方向最具代表性： 1.

9、干涉式光纖水聽器 2.光纖陀螺。1.光纖水聽器光纖水聽器的種類多種多樣，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。將光纖水聽器放入水中，可以檢測遠(yuǎn)處船只、潛艇發(fā)動機(jī)引起的水壓擾動，從而發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)。例：ST70測量水聽器 小型水聲通用測量水聽器 特點(diǎn)：主要用于海、河、湖、池溏上和 水池中水聲測量之用?？梢杂糜谒略肼曁綔y。無方向性。水聽器用不銹鋼結(jié)構(gòu)，耐海水，安裝結(jié)構(gòu)牢固可靠。ST70測量水聽器有供選購的帶前置放大器（ST70A）電纜: 15米軟性電纜（可以加長）重量: 270克（含電纜）ST70測量水聽器 性能參數(shù)型號 ST70 使用頻率范圍50Hz70KHz 元件材料/直徑（mm）PZT/15 元件高度 (mm

10、)18元件結(jié)構(gòu)式 ST70測量水聽器接收聲壓靈敏度 （dB re.1v/Pa） 204 自由電容 C0(nf) 4.2 15% 帶前置的放大器增益 （d B） 20 （ST70A型）外殼材料 不銹鋼聲窗材料聚氨酯干涉式光纖水聽器與傳統(tǒng)壓電水聽器的比較 與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比較，干涉式光纖傳感器擁有諸多優(yōu)勢。除了用光代替電所帶來的諸多好處外，最為關(guān)鍵的是該系統(tǒng)不再需要額外的傳感頭，因?yàn)樗峭ㄟ^光纖本身繞成的光纖圈來感應(yīng)外部變化的，從而大大降低了成本。干涉式光纖水聽器與傳統(tǒng)壓電水聽器的比較光纖還可以降低系統(tǒng)的重量，同時(shí)也大大提高了聲納陣列的使用壽命。 其聲壓靈敏度比傳統(tǒng)的壓電型水聽器高出三個(gè)數(shù)量級。 2.光纖陀螺儀 光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺