第五章 相位调制型光纤传感新学

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1、第五章第五章 相位调制型光纤传感器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。 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

2、产生三个主要的物理效应，导致光纤中的光相位发生变化：、光纤的长度变化-应变效应；、光纤纤芯的感应折射率变化-光弹效应；、光纤纤芯的直径变化-泊松效应。根据有关文献介绍，光波通过长度为L的光纤后，出射光的相位延迟为=L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aaLnnLLLLLL 式中为L和引起的相位变化，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。nnLLLL 根据弹性力学，对于各向同性材料，折射率

3、变化与应变存在一定关系。31220211PnLnk设为光纤横向应变，为纵向应变，为光纤光弹系数，（）、纵向应变调制、纵向应变调制LLkdndnk3, 00/,、径向应变调制、径向应变调制考虑泊松效应，1121120021PPndadnkaLnkaa21不考虑泊松效应，1121130)(21PPLnk、纵横向效应同时存在3122112112302121PnPPnLnk一般形式的相位变化（为光纤中模数）321221112202141141211aamamPPnLnk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

4、下式引起光纤中光波相位延迟为dFdLndFdnLKdFdLnKdFdnLKdFd000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：此式只考虑长度应变末考虑径向应变。dTdLndTdnLKT0 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3121121123211111PPPnTTnndTdLLdTdnnT对于石英光纤，1.456,0=0.6328m,mcradTLcTLcTn/107/105,/101016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

5、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。 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：式中为相位调制造成的两相干光之间的相位差。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。cos22122212AAAAA 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