相位调制型光纤传感新学分析
第五章 相位调制型光纤传感器
相位调制
• 利用外界因素改变光纤中光波的相位、通过检测光波相
位变化来测量物理量的原理称为相位调制。
• 光纤中的光波相位由光纤波导的物理长度、折射率及其 分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，压力、张 力、温度等外界物理量可以直接改变上述三个波导参数， 产生相应变化，实现光纤的相位调制。
1
2
a a
nk0
L
a nk0
d
da
1 2
n2
P11
P12
1
不考虑泊松效应，
1 2
k0Ln3 (P11
P12 )1
３、纵横向效应同时存在
nk0 L 3
1 2
nn
2
P12
3
一般形式的相位变化（ｍ为光纤中模数）
nk0 L1
1 2
n 2 1
P12
P11
m
4a
Lcw 2R l 2R Rt
Lccw 2R l 2R Rt
t 2R
c
t
Lcw c
Lccw c
4R2
c2
4 A c2
L ctN 4 AN c
L 2 L 8AN c
相位调制检测
从马赫－曾德尔干涉仪两臂射出的相干光分别用ｅ１ｅ２表示
e1 E1 expi(1t A) e2 E2 expi2t
• 在光波的干涉测量中．参与工作的光波是两束或多束相 干光。例如有振幅分别为A1和A2的两束相干光束,如果 其中光束的相位由于某种因素的影响或调制，在干涉域 中就会产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为： A2 A12 A22 2 A1A2 cos
式中Δφ为相位调制造成的两相干光之间的相位差。
根据有关文献介绍，光波通过长度为L的光纤后，出 射光的相位延迟Φ为
Φ=βL β为光波在光纤中的传播常数。
• 当光纤长度或传播速度变化时、引起光波相位变化为
L
L
L
L
L
n
L
a
L n
a
式中ΔΦ为ΔL和Δβ引起的相位变化，a为光纤芯的半径。
上式中第一项为光纤长度(应变效应)变化引起的相位延迟；第二项表示感 应折射率变化(光弹效应)所引起的相位延迟；第三项为光纤纤芯的直径变 化(泊松效应)引起的相位延迟。一般泊松效应小得多，可忽略。
Δ 位变化。由温度等效于某一作用力F后，则可用温度变化 T和相位进行描述：
T
K
0
L
dn dT
n dL dT
此式只考虑长度应变末考虑径向应变。
• 由于光纤中光的传播是沿横向偏振，仅考虑纵向折射率 变化光纤的温度灵敏度
1 dn 1 dL T n dT L dT
1 n
n T
1 T
3
1 2
n 2 P11
2
1
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m
1
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3
4a
温度应变相位调制
• 温度应变是将光纤放置在变化的温场中，设温场变化等效于一个作用
力F时，则作用力F同时影响光纤折射率n和长度L的变化。由下式引起
光纤中光波相位延迟为
d
dF
K0L
dn dF
K0n
dL dF
K
0
L
dn dF
n
dL dF
第一项为折射率变化引起的相位变化；第二项为光纤几何长度变化引起的相
如果检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化， 从而得到待测物理量的数值大小。
• 光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由 于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声 波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化、从而引起干 涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作 干涉仪的光路，就可以排除上述影响．并可以克服光路加 长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光 路长度的光纤干涉仪。
• 但是，目前光敏器件尚不能直接感知光波相位变化，因 此必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化， 才能实现对外界物理量的测量。光纤传感器中的相位调 制技术应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机 理；二是光的相干技术。
应力应变的相位调制
当光纤受到轴向的机械应力作用时，将产生三个主要 的物理效应，导致光纤中的光相位发生变化： １、光纤的长度变化--应变效应； ２、光纤纤芯的感应折射率变化--光弹效应； ３、光纤纤芯的直径变化--泊松效应。
I1
1 2
I0 (1
c oss
)
I2
1 2
I0 (1
c oss
)
经过信号处理系统，信号从光强中解调出来。
• 马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪采用相位调制，被 广泛应用于水听器、光纤加速计和压力、温度的测试。
聚偏二氟乙烯(PVF2)薄膜压电式传感
Sagnac干涉仪
• Sagnac干涉仪
• 由于采用了干涉技术，使其具有很高的相位调制灵敏度。 例如对于温度、压力、应变(轴向)分别具有106rad／m·C， 10-9 rad／m·Pa，11.4rad/µm·m。光纤探头的形式灵活多 样，能适用于不同的测试环境。
• F-P干涉仪 主要应用气体测量。
• 马赫－曾德尔干涉仪
根据双光束干涉原理，两个探测器接收光强分别为
P12 1
P12 3
对于石英光纤，ｎ＝1.456,λ0=0.6328µm,
n 10106 / c, L 5101 / c
T
T
107rad / c m
TL
相位调制与干涉测量
• 相位调制常与干涉测量技术并用，构成 相位调制的干涉型光纤传感器。
• 相位调制的光传感器，其基本原理是通 过被测物理量的作用，使某段单模光纤内 传播的光波发生相位变化．再用干涉技术 把相位变化变换为振幅变化．从而还原所 检测的物理量。
L
L L
L
n
n
• 根据弹性力学，对于各向同性材料，折射率变化与应变存 在一定关系。
设ε１ε２为光纤横向应变，ε３为纵向应变，Ｐ１１，Ｐ１２为 光纤光弹系数，Ｐ４４＝（Ｐ１１－Ｐ１２）／２
１、纵向应变调制
nk0
L1
1 2
n2 P12
3
nk0, d
/
dn
k0, 3
L L
２、径向应变调制
考虑泊松效应，ε３＝０
光电检测器光敏面上的合成光波可写为
e(t) E1 expiA E2 expitexpi1t
实现干涉测量的仪器很多．通常采用的干涉仪主要有四 种：迈克尔逊干涉仪、马赫一泽德干涉仪、塞格纳克干 涉仪和法布里一珀罗干涉仪。
• 在四种干涉仪中，以一个或两个3dB耦合器取代了分光器。 光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤 作为相位调制元件(传感器)，被测物理量作用于光纤传感 器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。
相位调制
• 利用外界因素改变光纤中光波的相位、通过检测光波相
位变化来测量物理量的原理称为相位调制。
• 光纤中的光波相位由光纤波导的物理长度、折射率及其 分布、波导横向几何尺寸所决定。一般来说，压力、张 力、温度等外界物理量可以直接改变上述三个波导参数， 产生相应变化，实现光纤的相位调制。
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不考虑泊松效应，
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３、纵横向效应同时存在
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一般形式的相位变化（ｍ为光纤中模数）
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相位调制检测
从马赫－曾德尔干涉仪两臂射出的相干光分别用ｅ１ｅ２表示
e1 E1 expi(1t A) e2 E2 expi2t
• 在光波的干涉测量中．参与工作的光波是两束或多束相 干光。例如有振幅分别为A1和A2的两束相干光束,如果 其中光束的相位由于某种因素的影响或调制，在干涉域 中就会产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为： A2 A12 A22 2 A1A2 cos
式中Δφ为相位调制造成的两相干光之间的相位差。
根据有关文献介绍，光波通过长度为L的光纤后，出 射光的相位延迟Φ为
Φ=βL β为光波在光纤中的传播常数。
• 当光纤长度或传播速度变化时、引起光波相位变化为
L
L
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L
n
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L n
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式中ΔΦ为ΔL和Δβ引起的相位变化，a为光纤芯的半径。
上式中第一项为光纤长度(应变效应)变化引起的相位延迟；第二项表示感 应折射率变化(光弹效应)所引起的相位延迟；第三项为光纤纤芯的直径变 化(泊松效应)引起的相位延迟。一般泊松效应小得多，可忽略。
Δ 位变化。由温度等效于某一作用力F后，则可用温度变化 T和相位进行描述：
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K
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此式只考虑长度应变末考虑径向应变。
• 由于光纤中光的传播是沿横向偏振，仅考虑纵向折射率 变化光纤的温度灵敏度
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温度应变相位调制
• 温度应变是将光纤放置在变化的温场中，设温场变化等效于一个作用
力F时，则作用力F同时影响光纤折射率n和长度L的变化。由下式引起
光纤中光波相位延迟为
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第一项为折射率变化引起的相位变化；第二项为光纤几何长度变化引起的相
如果检测到干涉光强的变化就可以确定两光束间相位的变化， 从而得到待测物理量的数值大小。
• 光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由 于空气受环境温度变化的影响，引起空气的折射振动及声 波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化、从而引起干 涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作 干涉仪的光路，就可以排除上述影响．并可以克服光路加 长时对相干长度的严格限制，从而可以制造出千米量级光 路长度的光纤干涉仪。
• 但是，目前光敏器件尚不能直接感知光波相位变化，因 此必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化， 才能实现对外界物理量的测量。光纤传感器中的相位调 制技术应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机 理；二是光的相干技术。
应力应变的相位调制
当光纤受到轴向的机械应力作用时，将产生三个主要 的物理效应，导致光纤中的光相位发生变化： １、光纤的长度变化--应变效应； ２、光纤纤芯的感应折射率变化--光弹效应； ３、光纤纤芯的直径变化--泊松效应。
I1
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)
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经过信号处理系统，信号从光强中解调出来。
• 马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪采用相位调制，被 广泛应用于水听器、光纤加速计和压力、温度的测试。
聚偏二氟乙烯(PVF2)薄膜压电式传感
Sagnac干涉仪
• Sagnac干涉仪
• 由于采用了干涉技术，使其具有很高的相位调制灵敏度。 例如对于温度、压力、应变(轴向)分别具有106rad／m·C， 10-9 rad／m·Pa，11.4rad/µm·m。光纤探头的形式灵活多 样，能适用于不同的测试环境。
• F-P干涉仪 主要应用气体测量。
• 马赫－曾德尔干涉仪
根据双光束干涉原理，两个探测器接收光强分别为
P12 1
P12 3
对于石英光纤，ｎ＝1.456,λ0=0.6328µm,
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相位调制与干涉测量
• 相位调制常与干涉测量技术并用，构成 相位调制的干涉型光纤传感器。
• 相位调制的光传感器，其基本原理是通 过被测物理量的作用，使某段单模光纤内 传播的光波发生相位变化．再用干涉技术 把相位变化变换为振幅变化．从而还原所 检测的物理量。
L
L L
L
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• 根据弹性力学，对于各向同性材料，折射率变化与应变存 在一定关系。
设ε１ε２为光纤横向应变，ε３为纵向应变，Ｐ１１，Ｐ１２为 光纤光弹系数，Ｐ４４＝（Ｐ１１－Ｐ１２）／２
１、纵向应变调制
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２、径向应变调制
考虑泊松效应，ε３＝０
光电检测器光敏面上的合成光波可写为
e(t) E1 expiA E2 expitexpi1t
实现干涉测量的仪器很多．通常采用的干涉仪主要有四 种：迈克尔逊干涉仪、马赫一泽德干涉仪、塞格纳克干 涉仪和法布里一珀罗干涉仪。
• 在四种干涉仪中，以一个或两个3dB耦合器取代了分光器。 光纤光程取代了空气光程，并且这些干涉仪中都是以光纤 作为相位调制元件(传感器)，被测物理量作用于光纤传感 器，导致其光纤中光相位的变化或光的相位调制。
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光纤传感原理及应用技术课件
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
8 A 0c
1
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光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
θ 为本振信号的初始相位，调整载波信号幅度 φ H ， 使 J 1 (φ H ) = J 2 (φ H ) 。将上两式相加得
SA = S1A(t) + S2A(t) = 2 ABJ1 (φ H ) cos (3ω H t + θ + φ A sin ω At + φ )
(15)
− KGJ 1 (c) cos Φ (t ) KHJ 2 (c) sin Φ (t )
φ (t ) = π 2 时， 奇 （偶） 数倍角频率 ω 出现在奇 （偶） 数倍载波频率 ω 0 两侧。这些出现在 ω 0 两侧的边带
信号携带着被测信号的相位信息。如果不加调制信
第3期
裴雅鹏 等：光纤干涉型传感器原理及其相位解调技术
19
号，输出光强 I1 = A + B cos Φ (t ) ，若 Φ (t ) = 0 ， 则 cos Φ (t ) = 1 ，由于 Φ (t)的存在，信号将发生消 陷或畸变。 光纤 Mach-Zehnder 干涉仪调制与解调系统如 图 4 所示，将两路干涉的信号做差分运算，消去直 流偏移量，与 G cos
2 I 2 = I12 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ( ∆ϕ )
I1 = ALeabharlann + B cos ϕ (t ) I 2 = A − B cos ϕ (t )
臂上外界物理量的变化。
RA RA Lens Lens DC1 DC1 DC2 DC2 PD1
（2） （3）
通过对干涉信号相位的提取来获知作用在信号
中图分类号 TN253
1 引 言
自从 1881 年美国物理学家 Michelson 发明 Michelson 干涉仪以来， 使用激光干涉传感器测量位 移、速度的技术得到了很大的发展。随后又出现了 Sagnac 干涉仪、Mach-Zehnder 干涉仪、Fabry-Peort 干涉仪等一些干涉仪。激光干涉传感器能提供一种 精确、快速、非接触的测量，而信号处理将直接影 响到测量的分辨率、精度和动态范围等因素。在过 去的 20 年， 基于这些干涉仪原理的传感器相位解调 方法已经成为研究的主要课题，出现了许多不同的 调制与解调方法，从而使干涉型传感器的应用更加 广泛。本文首先介绍了几个不同结构干涉型传感器 的原理，然后着重介绍了其调制与解调技术的原理 及实现方法。
学习情境四：相位调制型光纤传感器及其应用.doc.ppt
传感器再经过光纤延迟线，然后进入耦合器，形成
逆时针方向光束。两束光在Sagnac光纤环内传输一
圈再经过耦合器进入
光电探测器。光电探测器探测到的这两束光干涉后
的光强为
I
1 2
I0 1
cos(1
2 )
(4-8)
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
式中：
I0----激光器发出的光注入到第一个耦合器的光强
器中，用单模光纤制成Fabry-Perot腔，即在光纤抛 光端面镀以高反射率的反射膜，如果镀一层反射膜 就构成双光束的Fabry-Perot腔。为了提高精度一般 镀以多层介质反射膜，构成多光束干涉腔，形成多 光束干涉，如图4-6所示。
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
i: 0 2 Iin Iout 纤芯
∆Φ 1----顺时针方向光束和逆时针方向光束在Sagnac 光纤环内传输一圈产生的静态相位差
∆Φ 2----声信号作用的区域内，顺时针方向光束和逆 时针方向光束产生的相位差
通过相位调制和偏振控制可以使静态相位差∆Φ 1＝ /2，这样传感器的灵敏度最大，则(4-8)变为
I
1 2
I 0 1 sin(2 )
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
二、学习内容 4.1相位调制型光纤传感器的原理
相位调制光纤传感器（通常也叫干涉型光纤传感 器）的基本原理是：被测量的物理量使得光纤内传 输光的相位φ =k0nL发生变化，再用干涉测量技术把 相位变化转换成光强度变化，光电探测器把光强变 化转换成电压或电流变化，进而实现检测被测物理 量的目的。相位调制光纤传感器主要是干涉式光纤 传感器，其特点为：
第五章-相位调制型光纤传感器PPT课件
➢ 影响相位变化的基础物理效应：
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
应力应变、温度
萨格纳克(Sagnac)效应
5.3 光纤相位调制机理
光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为
2
L kL
光波在外界因素的作用下，相位的变化为
L
k
k
(
k
Lk
)
L
n
L
a
L
n
a
应变效应或
热胀效应
光弹效应或 泊松效应（灵敏度
➢ 使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了
干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉
仪小型化。
➢ 灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探
头的形状可按使用要求设计成不同形状。
➢ 对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的
光程产生影响，就可用于传感。
缺点
➢ 需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统
萨格纳克(Sagnac)干涉仪
法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉仪
常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤
实现的干涉型光纤传感器。
迈克耳逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人
迈克耳逊在工作
因创造精密光学
仪器，用以进行
光谱学和度量学
的研究，并精确
测出光速，获
1907年诺贝尔物
理奖。
➢由激光器输出的单
2
I min
透射的干涉光强的最大值与最小值之比
I max 1 R
I min 1 R
2
反射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。
相位调制型光纤传感器
λ0
β = 2π / λ
光纤中光的传播波长。 光在真空的传播波长 光在光纤中的传播常数
当光纤受到机械力的作用，光纤长度、芯 径、折射率会发生变化，引起相位变化 可表示为：
∆L ∂β ∂β ∆r ∆φ = β∆L + L∆β = βL +L ∆n + L L ∂n ∂r
r 光纤半径， n 纤芯折射率 第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用
马赫—曾德（ 马赫 曾德（Mach-Zehnder）干涉仪 曾德 ） 与迈克尔逊干涉仪 结构相似，但它 的优点在于没有 或很少有光返回 到激光器，返回 到激光器的光是 干扰光，导致光 源强度不稳定。
图示为马赫—曾德全光纤干涉仪模型，经 3dB分束，其中一束受外界影响，再有 3dB合并干涉，由两个探测器检测。
第七讲 相位调制型光纤传感器
利用外界因素引起光纤中光波相位变化的 传感器称为相位调制型光纤传感器。 特点： 1. 灵敏度高 2. 灵活多样 3. 应用对象广泛 4. 对光纤有特殊要求，单模传输。
一、 应力应变效应 光波通过长度为L的光纤，产生相位延迟为：
φ=
2π
λ
L = βL
其中：λ = λ0 / n
萨格纳克（ 萨格纳克（Sagnac）干涉仪 ）
二 干涉测量 光的相干条件 （1）频率相同的两束光在相遇点有相同的振 动方向和固定相位差。 （2）两束光在相遇点的振动幅值不能太悬殊。 （3）两束光的光程差不能太大。 由于光是有限长度波列组成，两束光的光程 差小，几乎可以同时到达，产生清晰的 干涉条纹；两束光的光程差大时，不 I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ∆φ
迈克尔逊（Michelson）干涉仪 迈克尔逊干涉仪：两束 光的光程差为：
β = 2π / λ
光纤中光的传播波长。 光在真空的传播波长 光在光纤中的传播常数
当光纤受到机械力的作用，光纤长度、芯 径、折射率会发生变化，引起相位变化 可表示为：
∆L ∂β ∂β ∆r ∆φ = β∆L + L∆β = βL +L ∆n + L L ∂n ∂r
r 光纤半径， n 纤芯折射率 第一项：应变效应，纵向（轴向）作用 第二项：弹光效应，折射率的变化 第三项：泊松效应，横向作用
马赫—曾德（ 马赫 曾德（Mach-Zehnder）干涉仪 曾德 ） 与迈克尔逊干涉仪 结构相似，但它 的优点在于没有 或很少有光返回 到激光器，返回 到激光器的光是 干扰光，导致光 源强度不稳定。
图示为马赫—曾德全光纤干涉仪模型，经 3dB分束，其中一束受外界影响，再有 3dB合并干涉，由两个探测器检测。
第七讲 相位调制型光纤传感器
利用外界因素引起光纤中光波相位变化的 传感器称为相位调制型光纤传感器。 特点： 1. 灵敏度高 2. 灵活多样 3. 应用对象广泛 4. 对光纤有特殊要求，单模传输。
一、 应力应变效应 光波通过长度为L的光纤，产生相位延迟为：
φ=
2π
λ
L = βL
其中：λ = λ0 / n
萨格纳克（ 萨格纳克（Sagnac）干涉仪 ）
二 干涉测量 光的相干条件 （1）频率相同的两束光在相遇点有相同的振 动方向和固定相位差。 （2）两束光在相遇点的振动幅值不能太悬殊。 （3）两束光的光程差不能太大。 由于光是有限长度波列组成，两束光的光程 差小，几乎可以同时到达，产生清晰的 干涉条纹；两束光的光程差大时，不 I1 + I 2 + 2 I1 I 2 cos ∆φ
迈克尔逊（Michelson）干涉仪 迈克尔逊干涉仪：两束 光的光程差为：
相位调制型光纤传感器课件
04
相位调制型光纤传感器的优点 与局限性
优点
抗电磁干扰
高灵敏度
相位调制型光纤传感器利用光的干涉原理 ，不受电磁干扰的影响，适合在强磁场、 高电压等恶劣环境下工作。
由于相位调制型光纤传感器利用光的干涉 效应，其灵敏度较高，能够检测微小的变 化。
结构简单
传输距离远
相位调制型光纤传感器结构简单，易于集 成和实现小型化。
相位调制型光纤传感器课件
目录
• 相位调制型光纤传感器概述 • 相位调制型光纤传感器的基本原理 • 相位调制型光纤传感器的调制方式 • 相位调制型光纤传感器的优点与局限性 • 相位调制型光纤传感器的应用实例 • 相位调制型光纤传感器的发展趋势与展望
01
相位调制型光纤传感器概述
定义与工作原理
定义
相位调制型光纤传感器是一种利用光纤干涉原理，通过相位 变化检测外界物理量（如温度、压力、振动等）的传感器。
优点
高灵敏度、抗干扰能力强、可在恶劣环境下工作。
03
挑战
对温度、振动等其他环境因素较为敏感，需要进行误差补偿和校准。
温度传感
温度传感
相位调制型光纤传感器能够通过 测量光纤中光的相位变化，实现 对温度的精确测量。这种传感器 在电力、能源、环保等领域有广
泛应用。
优点
高精度、响应速度快、稳定性好 。
挑战
容易受到其他环境因素的影响， 如压力、湿度等，需要进行误差
校正。
折射率传感
折射率传感
相位调制型光纤传感器能够通过测量折射率变化对光纤相 位的影响，实现对折射率的精确测量。这种传感器在生物 医学、化学分析等领域有广泛应用。
优点
高灵敏度、分辨率高、响应速度快。
第3章-相位调制型光纤传感器
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L 宽L决定L） n L D
检测：锁相、比较和计数
L n
D
隔离器 耦合器
耦合器
解决：
条纹高细DBF分困难，导致精度不高折射率变化区 测量灵驱敏动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
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
相位调制型
干涉仪的信号解调 光纤锁相环方案 PGC（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
相位调制型
❖ 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
相位调制型
光纤中的相位调制
应力/应变调制 温度调制 可以转化的调制
相位调制型
5.3.1 相位调制机理
相位调制型
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：
L 2 L
L L L L L n L a
干涉测量原理
相位调制型
双光束干涉：
多光束干涉
A2 A12 A22 2A1A2cos()
I I0
1
(1
4R R)2
sin2
2
结论
R：反射率；φ：相邻光束的相位差
discriminability(sensitivity) R
5.3.2 光纤干涉仪1-2
相位调制型
光纤传感3-相位调制型光纤传感器剖析
第3章 相位调制型光纤传感器
2019/1/11
1
3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
2019/1/11
5
3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
2019/1/11 20
③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
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3.1 相位调制型光纤传感器原理
利用外界因素引起的光纤中光波相位变化来探测各种物理量的传感器，称为 相位调制传感型光纤传感器。干涉型光纤传感器利用光纤作为相位调制元 件，构成干涉仪。主要通过被测场（参量）与光纤的相互作用，引起光纤 中传输光的相位变化（主要是光纤的应变所引起的光程变化）。 这类光纤传感器的主要特点如下： 1. 灵敏度高 光学干涉法是已知最灵敏的探测技术之一。在光纤干涉仪中，由于使用了数 米甚至数百米以上的光纤，使它比普通的光学干涉仪更加灵敏。 2. 灵活多样 由于这种传感器的敏感部分由光纤本身构成，因此其探头的几何形状可按使 用要求而设计成不同形式。
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3.1.2 温度应变效应
（详见第1章） 用Mach-Zehnder干涉仪等光纤干涉仪进行温度传感的原理与压力传感完全相 似。只不过这时引起干涉仪相位变化的原因是温度。对于一根长度为 L、折 射率为n的裸光纤，其相位随温度的变化关系为
式中：P11是纤芯的弹光系数；εz 是轴向应变；εr 则是径向应变。 如上所述，光纤一般是多层结构，故 εz扎和 εr 则之值与外层材料之特性有 关。设因温度的变化 ΔT 而引起的应变的变化为：
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③ Farady 效应 在磁场中的光纤圈由于 Faraday 效应会在光纤陀螺中引起噪声：引入非互易 圆双折射（光振动的旋转方向与光传播方向有关），叠加在原有的互易双折 射上。影响的大小取决于磁场的大小及方向。例如，在地磁场中，其效应大 小为10º /h。较有效地消除办法是把光纤系统放在磁屏蔽盒中。 ④ 光 Kerr 效应 光 Kerr 效应是由光场引起的材料折射率的变化。在单模光纤中这意味着导 波的传播常数是光波功率的函数。在光纤陀螺的情况下，对于熔石英这种线 性材料，当正、反两列光波的功率相差较大时，就足以引起（对惯性导航） 不可忽略的误差。因此，对于总功率为100μW 的一般情况，就要求功率稳 定性优于 10-4。
第7讲+强度调制型光纤传感器
15
透过率（0~50%）
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
16
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
4
在光纤端面上增加吸收光栅可以进一步提高透射传感器的灵敏度。如图
带吸收光栅径向位移传感器 光纤旋转传感器
透射传感器还可以在光路上和其他光学材料连接使光强成为环境因素的 函数。如果在光路上的材料透过率随环境改变突然发生改变，就可以实 开 功能，液晶就 作为 度和压强 开 现开关功能，液晶就可作为温度和压强的开关。
光纤位移式：被测位移、压力、温度和振动等物理量作用于动光纤，使 输入、输出光纤的轴线发生相对位移，改变耦合效率。
输出与探头距离的关系曲线
动纤调制模型 13
光强随光纤轴间偏离的变化曲线
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
14
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
遮光屏式：
不同类型的遮光屏
1.遮光屏截断光路来实现透射式光 强调制 ：采用了一个双透镜系统 使入射光纤在出射光纤上聚焦成像， 遮光屏在垂直于两透镜之间的光传 播方向上下移动。分辨率/r的1% 2.改进：遮光屏由两块完全相同的 光栅组成，其中一支为固定光栅， 另一支为可移动光栅。 可以提高该类型传感器的灵敏度。 分辨率在光栅条纹间距(10-6)数量级。
r
2
2dT a r
输出光纤接收的入射光功率百分数为： P0 F r Pi r 2dT
2r=200m,NA=0.5,a=100m 固有分辨率<1nm
检测到的光强取决于反射体和探头的距离
最大斜率处——灵敏度
9
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
透过率（0~50%）
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
16
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
4
在光纤端面上增加吸收光栅可以进一步提高透射传感器的灵敏度。如图
带吸收光栅径向位移传感器 光纤旋转传感器
透射传感器还可以在光路上和其他光学材料连接使光强成为环境因素的 函数。如果在光路上的材料透过率随环境改变突然发生改变，就可以实 开 功能，液晶就 作为 度和压强 开 现开关功能，液晶就可作为温度和压强的开关。
光纤位移式：被测位移、压力、温度和振动等物理量作用于动光纤，使 输入、输出光纤的轴线发生相对位移，改变耦合效率。
输出与探头距离的关系曲线
动纤调制模型 13
光强随光纤轴间偏离的变化曲线
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
14
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
遮光屏式：
不同类型的遮光屏
1.遮光屏截断光路来实现透射式光 强调制 ：采用了一个双透镜系统 使入射光纤在出射光纤上聚焦成像， 遮光屏在垂直于两透镜之间的光传 播方向上下移动。分辨率/r的1% 2.改进：遮光屏由两块完全相同的 光栅组成，其中一支为固定光栅， 另一支为可移动光栅。 可以提高该类型传感器的灵敏度。 分辨率在光栅条纹间距(10-6)数量级。
r
2
2dT a r
输出光纤接收的入射光功率百分数为： P0 F r Pi r 2dT
2r=200m,NA=0.5,a=100m 固有分辨率<1nm
检测到的光强取决于反射体和探头的距离
最大斜率处——灵敏度
9
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相位调制型光纤传感器
03
改变光纤长度
通过拉伸或压缩光纤来改 变光程，从而引起相位变 化
改变光纤折射率
利用外界因素（如温度、 压力等）改变光纤折射率 ，进而影响相位
利用干涉效应
采用干涉结构，将相位变 化转换为光强变化进行测 量
相位解调技术
零差解调
将信号光与本振光进行干 涉，通过检测干涉信号的 相位变化来解调信号
外差解调
电二极管、雪崩光电二极管等。
封装工艺及优化
光纤封装
采用合适的光纤封装工艺，保证光纤与调制器、探测器之间的耦 合效率和稳定性。
调制器封装
根据调制器的结构和特点，采用合适的封装工艺，保证调制器的 稳定性和可靠性。
优化设计
针对传感器性能进行优化设计，如提高灵敏度、降低噪声、增强 抗干扰能力等。
04
CATALOGUE
压力分布测量
利用光纤传感器的分布式特性，可以实现对压力场的二维或三维测 量，用于流体力学、结构健康监测等领域。
微小压力变化测量
相位调制型光纤传感器对微小压力变化非常敏感，可用于声学、生物 医学等领域。
位移测量应用
高精度位移测量
相位调制型光纤传感器可用于高精度位移测量，如机床、 精密仪器等设备的位移监测，通过测量位移引起的光纤中 光的相位变化来推断位移。
探测器
接收经过调制的光信号，并将其转 换为电信号进行处理。
关键器件选型与设计
光纤选择
01
根据传输距离、传输损耗、色散等参数选择合适的光纤类型。
调制器设计
02
根据待测物理量的特性和要求，设计合适的调制器结构，如
Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪等。
探测器选择
03
根据接收光信号的特性和要求，选择合适的探测器类型，如光