• 10. 3. 1光相位调制原理
• 光纤传感技术中使用的光相位调制大体有三种类型。第一 类为功能型调制，被测量通过光纤的力应变效应、热应变 效应、弹光效应及热光效应使传感光纤的几何尺寸和折射 率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实 现对光相位的调制。第二类为萨格奈克(Sagnac)效应调制， 被测量(旋转)不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性 场中的环形光纤，使其中相向传播的两光束产生相应的光 程差，以实现对光相位的调制。第三类为非功能型调制， 即在传感光纤之外通过改变进人光纤的光程差实现对光纤 中光相位的调制。
光纤传感技术
• 本章在简要介绍光纤传感器原理、组成及分类的基础上， 重点讨论光纤传感的光调制方式及相应的光纤传感器，最 后对分布式光纤传感器作简要介绍。
10. 3光相位调制型光纤传感器
• 光相位调制是指被测量按照一定的规律使光纤中传播的光 波相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映被测量变 化。其基本原理是利用被测量对敏感元件的作用，使敏感 元件的折射率或传播常数等发生变化，而导致光的相位变 化，然后通过相干检测来确定光的相位变化量，从而得到 被测对象的信息。与其他调制方式相比，相位调制技术由 于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度，且探头形式灵 活多样，适合不同测试环境。但要获得好的干涉效果，须 用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本光纤波导的物理长度、折射率及其分布、波 导横向几何尺寸等决定。当波长为λ0的相干光波通过长度为L的光纤 传输时，相位延迟为
n1k0LL2n01L
(10.2)
式中，β =n1k0为光波在光纤中的传播常数，k0为光在真空中的 波数，n1为纤芯折射率，L为传播路径的长度，k0=2π/λ0。
图10. 24 光纤迈克尔逊干涉仪
(2)光纤迈克尔逊干涉仪
图10.24是光纤迈克尔逊干涉仪的调制原理。激光器发出的光被3 dB耦合器，分成两路人射到参考臂光纤R和信号臂光纤S，分别到 达固定的光纤反射端面和可动光纤端面，反射回来的光再经3dB耦 合器耦合到光探测器，外界信号S0(t)作用于可移动的信号臂。与马 赫一泽德干涉仪类似，探测器接收到的光强为
图10.22 Sagnac效应
顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向相向传播。设光波在静止环路 中传播一周所需时间为t,则t=2πR/ν，ν为环路中的光速，ν= c/n1。根据惯性运动原理，与环路旋转同向的CW波列在t时间内迟 后到达A'点，经历的光程为
LCW 2RR t
(10.5)
与环路旋转反向的CCW波列在t时间内超前到达A’点，经历的光程 为
I1 I0(1cos)/2 I2 I0(1cos)/2
(10.10)
式中，I0为激光器发出的光强;α为祸合系数;△φ为两臂之间的相 位差，包括S0(t)引起的相位差。
图10.23 光纤马赫一泽德干涉仪
（10.10）式表明，马赫一泽德干涉仪将外界信号S0(t)引起的相 位变化变换成光强度变化，经过适当的信号处理系统即可将信号 S0(t)从光强中解调出来。
LCC W2RR t
(10.6)
CW、CCW两波列在环路中传播一周产生的光程差为
L2Rt4R2
v
(10.7)
令S = πR2，为环形光路的面积。则(10.7)式简化为
L 4S v
(10.8)
(10.8)式说明，在环形光路中相向传播的CW 、CCW两光束之间的 光程差与环路的角速度成正比，比例系数仅与环路面积及光速有 关，而与环路中介质特性无关。
当传感光纤受外界被测量如机械力或温场作用时，将导致一系 列物理效应，使光纤的参数变化，其中的纵向应变效应使光纤的长 度L变化(ΔL)；横向泊松效应使光纤的芯径2a变化(Δa)，进而导致 传播常数β变化(Δβ)；弹光效应和热光效应使光纤的纤芯折射率n1 变化(Δn1)。传感光纤的上述参数的变化都将引起光纤中的光相位 的变化。
由(10.8)式，可求出与光程差ΔL相应的相位差
8n1S 0c
(10.9)
由(10.9)式可知，利用Sagnac效应被测量可通过旋转光纤环对光 纤中的光束进行相位调制，产生相应的CW、CCW两列光波的相位差。
10.3.2 光纤干涉仪
由于目前各类光探测器都不能敏感光的相位变化，所以必须采用 干涉技术使相位变化转化为强度的变化，实现对外界被测量的检测。 光纤传感器中的光干涉技术在光纤干涉仪中实现。与传统分离式元 件干涉仪相比，光纤干涉仪的优点在于:①容易准直;②可以通过增 加光纤的长度来增加光程来提高干涉仪的灵敏度;③封闭式光路， 不受外界干扰;④测量的动态范围大等。传统的马赫一泽德(Mach一 Gehnder)干涉仪、法布里一拍罗<F一P)干涉仪、迈克尔(Michlson) 干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪都能制成相应的光纤干涉仪。
式中，L 、n1 和 a 分别为光纤长度、纤芯折射率和纤芯直
径变化所引起的相位移。
一般情况下光纤的长度与纤芯折射率变化所引起的光相位变化 要比纤芯的直径变化所引起的变化大得多，因此可以忽略纤芯的直 径引起的相位变化。则光波的相位角变化为
L n 1 2n 1 L 2L n 1 2L (n 1L n 1 )
（1）光纤马赫-泽德干涉仪
马赫一泽德干涉仪的结构如图10.23所示，激光器发出的相干光 通过一个3dB耦合器分成两个相等的光束，分别在信号臂光纤S和参 考臂光纤R中传输。外界信号S0(t)作用于信号臂，第二个3dB耦合 器把两束光再祸合，并又分成两束光经光纤传送到两个探测器中。 根据双光束相干原理，两个光探测器收到的光强分别为
0
0
0
(10.4)
(10.4式中， L
为光纤的轴向应变， L
L L
。)
2. Sagnac效应光相位调制
Sagnac效应的基本内容是:当一环形 光路在惯性空间绕垂直于光路平面 的轴转动时，光路内相向传播的两 列光波之间将因光波的惯性运动产 生光程差，从而导致光的干涉。如 图10.22所示，一半径为R的环形光 路，以角速度Ω绕垂直环路所在平 面并通过环心的轴旋转，环路中有 两列光波同时从位置A处开始分别沿