光源 探测器
信号臂
3dB
耦合器
参考臂
PZT
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
2.马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪原理
固定反射镜
分束器2
光探测器
光源
很少有光 返回到激
光器
调制信号
L
传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微 弯数目、微弯周期。其中微弯周期的影响最大，且有 一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期 接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即 光纤传感灵敏度显著增加。
微弯损耗光强度调制的应用
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分 逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则 可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振 动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构 简单、响应速度快。
分束器1
反射镜的 位移引起 相位差
可移动反射镜
光纤马赫—泽德干涉仪
S
信号臂
光源 I0 3dB
3dB
耦合器
参考臂
耦合器
耦合再分 成两束光
信号处 理器 测量参数
优点：体积小、机械性能稳定 3信号臂与参考臂相位差
3. 塞格纳克干涉仪（光纤陀螺）
光纤陀螺（fiber optic gyroscope ―FOG）是利用光 学传输特性而非转动部件来敏感角速率和角偏差的 惯性传感技术。FOG可用于洲际导弹、远程轰炸机 和核潜艇的制导,也可广泛应用于飞机、船舶和汽车 的导航,火炮和雷达系统的稳定控制,石油钻井和机器 人控制等国民经济和国防建设的许多重要领域。光 纤陀螺仪是根据塞格纳克（Sagnac）的理论发展起 来的。
概念：待测物理量引起光纤中的传输光的相位 发生变化，用干涉测量技术把相位变化转换为 光强变化，从而检测出待测的物理。
S
被
光探
Ii
测
测器
信
号
干
iD
相位调 制区
涉 Io
1、光波的相位
y 1 z
x
1
0
P
L
P点相位比0点延迟
2p nL L 0
L
光波通过长度为L的光纤后，出射光波的相 位延迟为:
2p nL L 0
•
迈克尔逊干涉仪示意图
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2 2
•
每当M1移动/2 ,光线1、2的 光程差就改变一个，视场中 就会看见一条条纹移过，如 果看见N条条纹移过，则反 射镜M1移动的距离是：
dN 2
迈克尔逊干涉仪示意图
激光器
M2
M1
1
2p 2
0
G1
G2
M1
待检测信
号
2
光探 测器
可移动反射镜每移动
调 制
位移、压力、 温度等
信
号
x
动光纤式光强调制模型
3、遮光型光强调制
将光强调制信号加在移
动的遮光板上。该办法 可以测量位移、压力、
发射光纤
温度等物理量，这些物
理量的变化使光强变化。
由于闸式要使两光纤距
离大一些，因此光损耗
较大，但它可固定两光 纤，因而使用可靠。
光闸
接收光纤
调 制 信 号
4、光模式光强度调制机理
2d
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
反射型光强外调制示意图
输入光纤 2r
a
输入光纤的镜像
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
令：T tg(sin 1 N.A.)
输入光纤
N.A＝sin
a
R
输出光纤
2r 2d
R r 2Td
返回
输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分
L n
a
② 温度应变相位调制
温度应变效应与应力应变效应相似。若光纤放置在变
化的温度场中，那么温度场将影响光纤折射率n和长度
L。
2p L L
设＝nk0 ,则 nk0L
温度变化引起光纤中光波相位延迟为：(k0Ln T来自k0nL )T T
L( 1
n
n T
)T
式中第一项表示折射率变化引起的相位变化,第二项表示光 纤几何长度变化引起的相位变化,L/(LT)热膨胀系数。
光源
信号臂
3dB
探测器
耦合器
参考臂
I＝I0(1+cos)
0
两束光位相差： ＝ 2p nL 0
这样，通过检测光强变化，可知，进而测量产生 变化的物理量。
I＝I0(1+cos)
I＝I0(1-sin) p /2
0
存在问题： 小信号灵敏度低
0
解决方法： 在两束光之间引入p/2 相位偏置
PZT相位偏置
1.迈克耳逊干涉仪
M1和M2是两块平面反射镜,其中M2是固定的,M1可作微小移动。 G1有一半透明的薄银层,起分光作用。G2起补偿作用。M1′是 M1对G1形成的虚像。M2和M1′间形成一空气薄膜。
M2
M1
1
s
M1
G1
G2
2
当 M1 、 M2 严 格 垂 直 时,M1′和M2之间形成 等厚空气膜,可观察到 等倾条纹的圆形条纹; 当 M1 、 M2 不 严 格 垂 直时,M1′和M2之间形 成空气劈尖,这时可观 察到等厚干涉的直线 条纹。
当光纤发生弯曲时， 会引起光纤中的模式耦合， 其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗， 这就是微弯损耗。 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹 在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把 微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理 量联系起来制成各种光纤微弯传感器。
微弯损耗调制示意图
调制信号
(k0L
n T
k0n
L T
)T
L( 1
n
n T
)T
例如：纯硅材料，折射率n=1.46
热胀温度系数 5.5107 / k
折射率温度系数 n 0.68105 / k
T
4、几种常用干涉检测技术
1）迈克尔逊干涉仪 2）马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪 3）赛格纳克（Sagnac）干涉仪 4）法布里－珀罗干涉仪
2dT
d(mm)
简化处理
上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分 ，还假定了①光纤为阶跃型光纤；②模谱是均匀一 致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；③反射 面平行于光纤端面；④反射率为100％等。
2、透射式强度调制
发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板 上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发 出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收 光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。
因此最大检测范围：
d r T
光耦合系数近似计算
如果作线性近似，即将维体边缘与输 出光纤芯交界的弧线作为直线处理， 则可得到线性解，在线性近似下，可 求得交叠面积与光纤芯面积之比为：
r
r
模型
（
r
）
1
p
c
os11
r
1
r
s
in
c
os1
1
r
式中 为交叠面积的高，由 d 决定：
2dT a
传感型 传光型
3、光纤传感器分类
1）强度调制型 2）相位调制型 3）频率调制型 4）波长调制型 5）偏振调制型
7.2 强度调制光纤传感器的基本原理
概念：待测物理量引起光纤中传输的光波强度 发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理 量的测量。
S
被
Ii
测 信
光探 测器
号
调制区
iD
Io
1、强度调制传感器类型
第7章 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
7.1 光纤传感器基本原理
1、光调制的概念 光调制就是将信息加到载到波光波上，使光载波 的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包 括光波的强度、位相、频率、偏振、波长等。承 载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器 检测，然后解调出所需要的信息。
2、光纤传感系统的基本构成
光源
被
测 信号检测
参
数 与处理
外界物理量与 进入调试区的
光相互作用
传输光纤
光电 探测 器
传调感制区区
光强、波长、频率、 相位、偏振态等发 生变化
光纤本身起敏感元件的 作用。光纤与被测物理 量相互作用时，光纤自 身的结构参量或者光纤 的传光特性发生变化。
光纤不做为敏感器件， 只起传到光的作用
2T
检测范围
当距离 d
a
时，两光纤的耦
2T
合为零，无反射光进入输出光
纤；
当
d
a 2r 2T
时，两光纤耦合最
强，输出光强达最大值，此时
输入光纤的像发出的光维底面
积将输出光纤端面积全部遮盖，
pr2 是 一 个 常 数 ， 光 维 底 面 积
为p(dT)2
检测位移的范围：
在 d a 和 a 2r 之间 2T 2T
当 T ' T 时，n'2 n2
T T’ 液体
n2
n1
0
光纤含油量传感器原理
光纤孔径角 : 0