光相位调制检测系统第六章.ppt

第六章 光相位调制检测系统 6.1 光相位调制的检测 6.2 干涉测量技术 6.3 相位调制型光纤传感器 6.1 光相位调制的检测 测量原理： 振幅、相位、频率、偏振的变化 —光的强度的变化—被测量 一、迈克尔逊干涉仪 位移量 引起光强度变化的次数为N: n—干涉仪所在介质的折射率 —干涉仪光源在真空中的波长 ⒉马赫-泽德干涉仪 优点：避免干涉光路中的光再返回光源，降低光源的不稳定噪声。 BS1、BS2为分束镜 PD1、PD2为光电探测器 6.2 干涉测量技术 激光干涉测长仪 激光干涉测长仪 干涉信号的方向判别与计数 ⒈干涉信号的方向判别与计数 ①正反位移的区分，正向移动加脉冲，反向移动减脉冲 ②干扰造成的反向位移影响的消除 移相原理 干涉信号的移相技术 机械移相法 翼形板移相 以两板交棱为轴，旋转（调整），使通过两板的光线彼此有?/4的光程差 镀膜移相法 1.移相膜作用分光：每反射一次产生π/4的位相跳变 2.移相：光电探测器1的两束相干光各反射一次，两者无相对附加移相； 光电探测器2的两束相干光，一束没有反射，另一反射两次，产 生π/2的相移。 偏振光移相法 6.3 相位调制型光纤传感器 优点：减少了干涉仪长光路安装和调整，使仪器小型化、简单化 可以通过增加光纤长度来增加灵敏度 应用：应变、温度、声音、旋转、加速度、磁场、电流等 光纤相位调制原理 光纤波导的三个特征 光纤物理长度的变化 光纤折射率及其分布的变化 光纤波导横向尺寸的变化 光纤中传导光的相位变化表示为： 温度变化引起光纤相位变化??T = ?L (?+?n/?T ) ?T 压力变化引起光纤相位变化 压力?应变?几何尺寸改变 应变?光弹效应?折射率变化 静态条件下的应力—应变基本关系 光纤干涉仪基本类型 光纤迈克尔逊干涉仪的应用 1→x耦合器分光 两路 x→4→x x→3→x 在x 处叠加干涉 性能：最小探测位移0.4?m 速度2cm/s 相位调制型光纤气体传感器 氢敏 金属钯Pd 氢与金属钯Pd会生成PdHx x由氢的分压决定 X的大小改变PdHx的晶格常数 传感臂因此产生应力，与参考臂间出现相位差 光纤声纳 结构： 马赫-泽德尔干涉仪 参考臂 信号臂：感受声信号 耦合器 分光 合成形成干涉 光纤声纳的原理 对声音的感受与转换 ? = ?L = k0nL ? ——光在光纤中的传播系数； k0 ——光在真空中的传播系数； n ——光纤芯的折射率 L ——被测场与测量光纤的作用长度 PZT调制器 对参考臂光路中引入一定的相位偏置 * * PD1 ?? = (2? /?0 )?L n ?L——光程差 2πn/λ0——空间角频率 1.激光光源 2.干涉系统：迈克尔逊干涉仪 3.光电显微镜 用于：给出被测长度量的起始位置 4.干涉信号处理 光电探测；信号放大；判向；细分；可逆计数和显示记录 光电计数器 显示记录装置 待测物体 可移动平台 光电显微镜 激光光源 BS 应用：长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学系统内部缺陷等的测量。 光程变化——光相位变化——光强度变化——位移 缺点：1.有小部分光束沿原路返回，影响激光器工作 2.由于干涉信号的变化，正负位移都是一样的，所以必须进行判向 原理 1.移相 得到两路相互差π/2的干涉条纹光强信号sin、cos. 2.接收 得到两路相互差π/2的电信号， 处理 ：放大、整形、倒相，得到四路方波信号 微分电路，得到四路相位依次相差π/2的脉冲信 号 编号 3.可逆计数 正顺序2 加 逆顺序4 减 4.四倍频计数 1.反射镜倾斜 　 反射镜倾斜 　 两探测器的间隔为条纹间距的1/4 。 　 当反射镜倾斜时，引起干涉条纹移动时，得到两路相差?/2位相干涉信号 2.窄缝移相法 1 2 a b a、b为两束相差 的干涉光束 光纤波导尺寸变化产生的相位变化??L=??L 光纤折射率变化产生的相位变化??n=?L?n 光纤长度变化产生的相位变化??d=L??/?d?d ?—光在光纤中的纵向传播常数 E——杨氏模量 ?——泊松比