科普百篇系列(147) 相位调制型光纤传感器及其应用
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发布时间：2024-10-02 00:49
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时间：2024-10-30 15:41
相位调制型光纤传感器通过测量物理量引起的光纤长度变化，进而引发光程、相位的改变。当光纤受到外部物理量影响时，光纤长度会发生变化，导致光程变化，最终造成光波相位的改变。这种相位差可以被放大，通过两束光的干涉现象进行测量。通过这样的原理，相位调制型光纤传感器能够敏感地检测物理量，适用于测量压力、温度、加速度、电流、磁场、液体成分等。
通过分析光波的相位，可以明确相位的变化与物理量之间的关系。具体而言，当物理量发生变化时，光纤的长度随之变化，进而导致光程和相位的变化。通过两束光的干涉，可以观察到干涉条纹的偏移，这与物理量的变化成比例。人们利用这一关系，制作出相位调制型光纤传感器，通过传感器的响应，可以间接测量外部物理量。
相位调制型光纤传感器的敏感性和可靠性使其在多种领域得到广泛应用。例如，通过改变机械应力或温度，可以测量敏感光纤元件长度的变化，进而改变光程和相位。同样，温度或弯曲作用下，光纤敏感元件折射率分布的变化，也会引起光程的变化。此外，温度或压力作用下，光纤敏感元件的横截面方向发生应变，同样导致光程的变化。
对于特定的物理量测量，需要设计相应的敏感元件以实现所需的变化。例如，要测量压力，可以通过设计使压力影响光纤在纵向/横向的长度变化；要测量电流，可以通过设计让电流影响光纤的长度变化；要测量磁场，可以通过设计让磁场影响光纤的长度变化。
以光纤陀螺仪为例，它利用旋转角速度的测量来提供动态参数，如方位、水平、位置、速度和加速度等。传统的惯性陀螺仪存在制造工艺要求高、结构复杂、精度受限、体积大等问题。而光纤陀螺仪具有结构紧凑、灵敏度高、响应速度快、工作可靠、抗电磁干扰、功耗低、体积小、重量轻、成本低等优点。
光纤陀螺仪的工作原理基于Sagnac现象，将光纤绕成圆圈，一束光从一端输入，从另一端射出。当环形光路存在转动时，相当于增加了或减少了光程，从而产生干涉现象。通过探测器检测干涉信号的强度变化，可以获取环形光路的角速度变化。对于微弱电流的测量，设计传感光纤的伸缩可以通过在光纤外套着镍管，利用电流通过时产生的磁性效应，使光纤长度发生变化，进而按照相位调制方法检测微弱电流。
