干涉式光纤传感器

性能参数 型号 ST70 使用频率范围 50Hz∽70KHz 元件材料/直径（mm） PZT/15 元件高度 (mm) 18 元件结构式 〇
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ST70测量水听器
接收声压灵敏度 （dB re.1v/µPa） 204 自由电容 C0(nf) 4.2 ±15% 15% 带前置的放大器增益 （d B） 20 （ST70A型） 外壳材料 不锈钢 声窗材料 聚氨酯
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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 、 率 调制型及偏振调制型。 调制型及偏振调制型。
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。
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双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔 干涉仪、马赫 陈德尔 陈德尔(Mach双光束光纤干涉仪有迈克尔逊 干涉仪 Zehnder)干涉仪及斐索 干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪。 干涉仪。 干涉仪及斐索 干涉仪
1）迈克尔逊干涉仪 ） 信号臂 3dB 参考臂
(a) 迈克尔逊干涉仪
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2）马赫-陈德尔干涉仪 ）马赫 陈德尔干涉仪 信号臂 3dB 参考臂 3）斐索干涉仪 ）
(b) 马赫-陈德尔干涉仪
光源
3dB 探测器
马赫-陈德尔干涉仪使用了两个 耦合器， 马赫 陈德尔干涉仪使用了两个3dB耦合器，光源发出的相干光 陈德尔干涉仪使用了两个 耦合器 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， 由第一个 耦合器进入信号臂光纤与参考臂光纤 3dB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 耦合器后在探测器端汇合， 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 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 克服了迈克尔逊干涉仪中反馈光波对光源的影响， 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 泛的应用。 泛的应用。
缺陷
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 它的不足地方。 它的不足地方。 1.它只是元件型的光纤传感器，测量方法单一。 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 由于光纤是在单模光纤构成的干涉型光纤传感器中, 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,将导致干涉效率降低 将导致干涉效率降低。 故存在偏振衰落问题 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 影响其实用性。 泽德干涉仪为基础,用反馈 昂,影响其实用性。以马赫 泽德干涉仪为基础 用反馈 影响其实用性 以马赫-泽德干涉仪为基础 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。 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60 左右 左右。 得到系统输出信噪比稳定在 dB左右。
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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：
E 1 = E 10 exp {i [ω t + s ( t ) + φ s ]} E 2 = E 20 exp {i [ω t + φ r ]}
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
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两光束相干产生的干涉场分布为
E = {E10 exp[i(s(t ) + φ s )] + E20 exp(iφr )}exp(iωt )
相应的光强分布为
I = I 0 { + k cos[ s (t ) + φ s − φ r ]} 1
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， 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 水压扰动，从而发现敌方目标。 水压扰动，从而发现敌方目标。
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例：ST70测量水听器
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。
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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、 技术， 技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领 在航天航空（飞机及航天器各部位压力测量、 域。在航天航空（飞机及航天器各部位压力测量、温度测 陀螺等）、航海（光纤水听器、声纳等）、 ）、航海 ）、工程项目 量、陀螺等）、航海（光纤水听器、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 ）、电力传输（高压 流量测量、 ）、电力传输（ 电力传输 输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、 ）、核工业 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、 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） ）、科学研究 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 里－珀罗（Fabry-Perot）干涉仪型光纤传感器产品，布 珀罗（Fabry-Perot）干涉仪型光纤传感器产品， 拉格（Bragg） 拉格（Bragg）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。
光源 探测器
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。
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。
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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）
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ST70测量水听器
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干涉式光纤传感器的应用
因为干涉式光纤传感器是一 种相位调制型光纤传感器， 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 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 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。
干涉式光纤传感器的应用
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干涉式光纤传感器原理
光波通过长度为 l 的光纤，其相位延迟为 φ
= βl
其中β为光波在光纤中的传播常数，β＝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。 对上式微分得：
∂β ∂β ∆φ = ∆ ( βl ) = β∆l + l ∆n + l ∆a ∂n ∂a
#Hale Waihona Puke 干涉式光纤水听器与传统压电 水听器的比较
• 光纤还可以降低 系统的重量， 系统的重量，同 时也大大提高了 声纳阵列的使用 寿命。 寿命。 其声压灵 敏度比传统的压 电型水听器高出 三个数量级。 三个数量级。
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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， 度高，工作可靠等等优点， 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 经完全取代了机械式的传统的陀 螺仪， 螺仪，成为现代导航仪器中的关 键部件。 键部件。
干涉式光纤传感器
组员： 组员： 骆鑫盛，黄超宇，陆侃，王俊。 骆鑫盛，黄超宇，陆侃，王俊。
干涉式光纤传感器
† 光纤传感器的形成与发展 † 光纤传感器的分类 † 光纤传感器的缺陷 † 干涉式光纤传感器的目的 干涉式 † 干涉式光纤传感器原理 † 干涉式光纤传感器的应用
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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 光纤传感器,由于光纤传感器是以光波为载体。 光纤传感器,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， 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、 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 作。 最后，其可以与光纤遥感、 最后，其可以与光纤遥感、遥测技术 配合， 配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系 统。