强调制型光纤传感器

1、 第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式强度调制 调制原理：调制原理：遮光遮光 调制方法调制方法 光强调制特性曲线光强调制特性曲线 第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式强度调制 通常发送光纤不动，通常发送光纤不动， 而而接收光纤接收光纤可以作可以作横向横向 位移、纵向位移或转动位移、纵向位移或转动, , 实现实现对发射光纤与接受对发射光纤与接受 光纤之间光纤之间偶和效率的调偶和效率的调 制制，改变光电探测器所，改变光电探测器所 接受的光强度，从而实接受的光强度，从而实 现对位移现对位移( (或角位移或角位移) )、 压力、振动、温度等物压力、振动、温度等物 理量的测量。理量的测量。

2、第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式强度调制 优点：优点：结构简单结构简单 不足：不足：灵敏度低、动态范围小灵敏度低、动态范围小 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 在发送光纤和接收光纤之间加入一定形式的受待在发送光纤和接收光纤之间加入一定形式的受待 测量控制的可动光闸，对进入接收光纤的光束产测量控制的可动光闸，对进入接收光纤的光束产 生一定程度的遮挡，产生光强度调制，进而实现生一定程度的遮挡，产生光强度调制，进而实现 测量。测量。 n组成组成 n光闸形式光闸形式 n调制原理调制原理 发射光纤、受待测量控制的可动光闸和接收光纤发射光纤、受待测量

3、控制的可动光闸和接收光纤 固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测 物体本身等。物体本身等。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 a. 带透镜结构带透镜结构 b. 不带透镜结构不带透镜结构 不用透镜的两光不用透镜的两光 纤直接耦合系统，结纤直接耦合系统，结 构虽然简单。只是接构虽然简单。只是接 收光纤端面只占发射收光纤端面只占发射 光纤发出的光锥底面光纤发出的光锥底面 的一部分，使光耦合的一部分，使光耦合 系数减小，灵敏度也系数减小

4、，灵敏度也 降低一个数量级降低一个数量级。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 遮光屏是由等宽度、交替排列的透明区和非透明区遮光屏是由等宽度、交替排列的透明区和非透明区 的光栅组成，其中一支为固定光栅，另一支为可移的光栅组成，其中一支为固定光栅，另一支为可移 动光栅。在此遮光屏的空间周期内，光的透过率，动光栅。在此遮光屏的空间周期内，光的透过率， 从从50(两屏完全重叠两屏完全重叠)变到零变到零(两屏完全交叠两屏完全交叠)。 光栅遮光屏透射式强度调制原理光栅遮光屏透射式强度调制原理 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型

5、光纤传感器 在此周期性结构范围内，光的输出强度在此周期性结构范围内，光的输出强度 是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间 距的距的10-6数量级以内，是构成高灵敏度、简单、数量级以内，是构成高灵敏度、简单、 可靠的位移传感器的基础。可靠的位移传感器的基础。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 22 0 2 ( , )exp/( ) ( ) P I r zrz z 入射光入射光 ( )1() E E z zrtan(arcsinNA) r 2 222 0 2 ( , ,)exp()/() () R ood d Pr

6、 P x y dxydz z 接收光接收光 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面存在偏移量存在偏移量 时时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特 性性曲线曲线在在形状形状上上并没有改变并没有改变，只是，只是产生产生一定的一定的相移相移。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 接收光纤接收光纤1 2 222 0 1 2 ( , ,)exp()/() () R ood d Pr PP

7、x ydxydz z 接收光纤接收光纤2 2 222 0 2 2 ( , ,)exp()/() () R ood d Pr PP x ydxydz z 差动输出差动输出 12D PPP 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 灵敏度提高灵敏度提高108% 108% 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 采用差动方式处理接收光强信号，可达到提高系统灵敏度、采用差动方式处理接收光强信号，可达到提高系统灵敏度、 抑制光源等光强波动以及探测器

8、和后续电路产生的电子噪抑制光源等光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪 声影响的目的声影响的目的 利用响应误差信号的双极性特点可准确判断角位移方向，并利用响应误差信号的双极性特点可准确判断角位移方向，并 通过响应误差信号的线性关系实现角位移的直接测量；通过响应误差信号的线性关系实现角位移的直接测量； 利用响应误差信号的过零点作为绝对零点触发，可实现测微利用响应误差信号的过零点作为绝对零点触发，可实现测微 和绝对跟踪能力，进而实现待测物的自动调整。和绝对跟踪能力，进而实现待测物的自动调整。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传

9、感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 Integrating 油库、机库、动力室等大量使用的汽油等石油产品极油库、机库、动力室等大量使用的汽油等石油产品极 易挥发甲烷等气体。易挥发甲烷等气体。 瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我 国煤矿爆炸事故近国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起的。是由瓦斯气体爆炸引起的。瓦瓦 斯的主要成分是甲烷斯的主要成分是甲烷，约占

10、瓦斯气体的，约占瓦斯气体的83%89%。 当空气中的甲烷浓度约为5.3%5.3%到15%15%时，遇火源就会爆炸；在无火源 情况下，当空气中的甲烷浓度达到50%50%，能使人因缺氧而窒息死亡。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 Integrating 甲烷与燃烧和推进联系非常紧密，其浓度测量直接与甲烷与燃烧和推进联系非常紧密，其浓度测量直接与 对燃烧效率以及推进过程的分析有关。对燃烧效率以及推进过程的分析有关。 甲烷被认为是温室效应最主要的气体之一，其吸收红甲烷被认为是温室效应最主要的气体之一，其吸收红 外线能力是二氧化碳的外线能力是二氧化碳的15

11、-3015-30倍，占据整个温室气体倍，占据整个温室气体 贡献量的贡献量的15%15%，直接关系到人类健康生活直接关系到人类健康生活。 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，提高监控能为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，提高监控能 力，研究实时在线高灵敏甲烷浓度的监测仪是十分必要的。力，研究实时在线高灵敏甲烷浓度的监测仪是十分必要的。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 理论基础：理论基础：Lambert-Beer（郎伯（郎伯-比尔比尔 ）定律）定律 式中，式中，I为光强，为光强， 为摩尔分子吸收系数，为摩尔分子吸收系数，C

12、为气体浓度，为气体浓度， L光和气体的作用长度。光和气体的作用长度。 0 expIILC 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 显示与报警显示与报警 可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 1 恶劣环境适应能恶劣环境适应能 力强，可克服背力强，可克服背 景气体、粉尘等景气体、粉尘等 吸收干扰，测量吸收干扰，测量 分辨力与精度高；分辨力与精度高； 2 不需采样预处理不需采样预处理 系统，节省了样系统，节省了样 气预处理的时间气预处理的时间

13、 和样气在管道内和样气在管道内 的传输时间，响的传输时间，响 应速度快，可实应速度快，可实 现工业过程实时现工业过程实时 在线管理；在线管理； 3 利用光纤实现远利用光纤实现远 程在线高灵敏监程在线高灵敏监 测，本质安全，测，本质安全， 能耗低，抗电磁能耗低，抗电磁 干扰，便于复用干扰，便于复用 成网，并可与已成网，并可与已 有监测网络联网。有监测网络联网。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 工业过程气体分析仪器应用领域及工业过程气体分析仪器应用领域及2010 年需求量年需求量 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光

14、纤传感器 接收接收光源光源 遮遮 光光 板板 双金双金 属片属片 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 移动球镜光学开关传感器移动球镜光学开关传感器 光强为光强为I0的光束的光束,通过发送光纤通过发送光纤 照射到球镜上。球透镜把光束照射到球镜上。球透镜把光束 聚集列两个接收光纤的端面上。聚集列两个接收光纤的端面上。 当球透镜在平衡位置时，从两当球透镜在平衡位置时，从两 个接收光纤得到的光强个接收光纤得到的光强I1和和I2 是相同的；是相同的； 如果球透镜在垂直于光路的方如果球透镜在垂直于光路的方 向上产生微小位移时，在两个向上产生微小位移时，在两个 接

15、收光纤上得到的光强接收光纤上得到的光强I1和和I2 将发生变化。光强比值将发生变化。光强比值I1/I2 的的 对数值与球透镜位移对数值与球透镜位移x呈线性呈线性 关系，但与初始光强无关。关系，但与初始光强无关。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 遮断型遮断型 被记数工件随传送带被记数工件随传送带 移动，一个工件从光移动，一个工件从光 纤断开处通过时，挡纤断开处通过时，挡 光一次，在光纤输出光一次，在光纤输出 端得到一个光脉冲，端得到一个光脉冲， 用记数电路和显示装用记数电路和显示装 肖将通过光纤的工件肖将通过光纤的工件 数显示出来。数显示出来。 第

16、四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 采 用 遮采 用 遮 断型光纤光断型光纤光 电开关对电开关对IC 芯片引脚进芯片引脚进 行检测行检测 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 转动的金属盘转动的金属盘 上穿有透光孔。上穿有透光孔。 当孔与光纤对当孔与光纤对 齐时，在光纤齐时，

17、在光纤 输出端就有光输出端就有光 脉冲输出，这脉冲输出，这 是通过孔位的是通过孔位的 变化对光强进变化对光强进 行调制。行调制。 编码盘装置编码盘装置 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于 对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。 浸液浸液 自聚自聚 透镜透镜 光纤光纤 水银水银 水银式光纤温度开关水银式光纤温度开关 反射式强度调制反射式强度调制 透射式强度调制透射式强度调制 光模式强度调制光模式强度调制 折射率强度调制折射率强度调制

18、光吸收系数强度光吸收系数强度 调制等调制等 内调型内调型 外调型外调型 （传光型或非功能型）（传光型或非功能型） （传感型或功能型）（传感型或功能型） 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 传感头传感头：多模光纤：多模光纤 u透射式透射式 振动振动 、位移等、位移等 u反射式反射式 机机 理：理：芯模芯模 类类 型：型： 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 传感头传感头：多模光纤：多模光纤 机理：机理：芯模芯模 包层模包层模 类型类型：光模式强度调制：光模式强度调制 u最小可测位移：最小可测位移：0.01nm

19、0.01nm；动态范围：；动态范围：110dB110dB u可测压力、水声等可测压力、水声等 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 机械一光学转换效应使得所需部件少，设备简单，造机械一光学转换效应使得所需部件少，设备简单，造 价低，便于分

20、布式沿线测量；价低，便于分布式沿线测量； 容易机械装配，不需要将光纤连接到其它部件中，从容易机械装配，不需要将光纤连接到其它部件中，从 而避免了差热膨胀问题；而避免了差热膨胀问题； 具有较高的可靠性和安全性；具有较高的可靠性和安全性； 由于光纤的光路是完全封闭的，更适合在高温高压、由于光纤的光路是完全封闭的，更适合在高温高压、 易燃易爆、腐蚀性介质等恶劣环境下进行测量。易燃易爆、腐蚀性介质等恶劣环境下进行测量。 光模式强度调制的独特优点：光模式强度调制的独特优点： 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 结构：结构：多模光纤被绕制于开有纵向槽且带有螺纹的

21、多模光纤被绕制于开有纵向槽且带有螺纹的 铝管螺纹内铝管螺纹内 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 在工程结构或部件的制造过程中，在其内部关在工程结构或部件的制造过程中，在其内部关 键部位埋人光纤阵列，对材料及结构内的应力、应键部位埋人光纤阵列，对材料及结构内的应力、应 变等物理状态及由于外力、疲劳等产生的变形、裂变等物理状态及由于外力、疲劳等产生的变形、裂 纹、蠕变、层解等进行实行监测。纹、蠕变、层解等进行实行监测。 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四

22、章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 当腐蚀传感器处于腐蚀介质中时，腐蚀当腐蚀传感器处于腐蚀介质中时，腐蚀“保险保险 丝丝”会生锈变细而断裂，此时弯曲光纤的曲率将变会生锈变细而断裂，此时弯曲光纤的曲率将变 小甚至为零，通过光纤的光能量会迅速增加。小甚至为零，通过光纤的光能量会迅速增加。 基本原理基本原理: : 第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强

23、度调制型光纤传感器 反射式强度调制反射式强度调制 透射式强度调制透射式强度调制 光模式强度调制光模式强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 光吸收系数强度光吸收系数强度 调制等调制等 内调型内调型 外调型外调型 （传光型或非功能型）（传光型或非功能型） （传感型或功能型）（传感型或功能型） 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 物理量引起光纤折射率的变化实现光强调制的方式物理量引起光纤折射率的变化实现光强调制的方式 分类：分类： p利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的强利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的强 度调制；度调制； p利用光纤折射率

24、的变化引起渐逝波耦合度变化的利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的 强度调制；强度调制； p利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射系数改利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射系数改 变的透射光强调制；变的透射光强调制； 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 p利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；化的强度调制； p利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制；变化的强度调制； p利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改

25、变的透射光强调制；系数改变的透射光强调制； 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 传输波损耗变化型传输波损耗变化型 一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数 不同。在温度恒定时，包层折射率不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折与纤芯折 射率射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损之间的差发生变化，从而改变传输损 耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基 准准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。根据传输功率的变化可确定温度

26、的变化。 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 传输波损耗变化型传输波损耗变化型 当当Tn2，光在光纤中传输；，光在光纤中传输； 当当TT1时，时，n1n2，光传输条件被破坏，不能发生，光传输条件被破坏，不能发生 全反射，损耗增大，产生报警信号；全反射，损耗增大，产生报警信号； 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 传输波损耗变化型传输波损耗变化型 特点：特点： 电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等。电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等。 应用：应用： 大型电机、液化天然气及火警等报警系统。大型电机、液化天然气及火警等报警系统。 第四章 强度调制型光纤传感器4.

27、5 折射率强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 p利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；化的强度调制； p利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制；变化的强度调制； p利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改变的透射光强调制；系数改变的透射光强调制； 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 渐逝波耦合度变化型渐逝波耦合度变化型 若使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并若使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并 伸展到附近的折射率高的光密媒质材

28、料中，能量就伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就 能穿过间隙，使反射光减弱，这一过程称为能穿过间隙，使反射光减弱，这一过程称为受抑全受抑全 反射反射。 当光在纤芯和包层分界面处发生全反射时，在当光在纤芯和包层分界面处发生全反射时，在 光疏介质中仍存在光疏介质中仍存在电磁场电磁场，其，其强度按指数规律迅速强度按指数规律迅速 衰减衰减，透射深度透射深度一般约为一般约为几个波长几个波长，这种现象称为，这种现象称为 渐逝场渐逝场。 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 渐逝波耦合度变化型渐逝波耦合度变化型 原理：原理：利用受抑全反射原理，当包层完全或部分去掉利用受抑全反射原理

29、，当包层完全或部分去掉 的两根单模或多模光纤相互靠近一定距离时，光将能的两根单模或多模光纤相互靠近一定距离时，光将能 从一根光纤耦合进另一根光纤中去，构成渐逝波耦合从一根光纤耦合进另一根光纤中去，构成渐逝波耦合 度光纤传感器。度光纤传感器。 应用：应用：水听器、光扫描隧道显微镜水听器、光扫描隧道显微镜 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 p利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；化的强度调制； p利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制；变化的强度调制；

30、 p利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改变的透射光强调制；系数改变的透射光强调制； 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 p 光纤光强反射系数改变型光纤光强反射系数改变型 原理：利用光纤（或其他光学元件如棱镜）原理：利用光纤（或其他光学元件如棱镜） 的反射端面的反射系数随被测参数变化而的反射端面的反射系数随被测参数变化而 达到调制光强的目的。达到调制光强的目的。 光源光源 探测器探测器信号处理信号处理 调制器调制器 临界角强度调制临界角强度调制 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 全反射面全反射面 1 n 2 n 3 n

31、 临界角强度调制型光纤传感器临界角强度调制型光纤传感器 调制机理：调制机理： 由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束 器偏转到到光电探测器器偏转到到光电探测器; 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制 光纤右端有两个相互搭接的反射面，其中底面为全光纤右端有两个相互搭接的反射面，其中底面为全 反射面（镀膜而成），斜面反射面与折射率为反射面（镀膜而成），斜面反射面与折射率为n3的的 介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射 后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反后能垂直入射到全反射面

32、上，则纤芯光入射到斜反 射面时能够部分地透射到的介质中去射面时能够部分地透射到的介质中去; 光波在入射平面上的光强分配由光波在入射平面上的光强分配由 菲涅尔公式描述菲涅尔公式描述 2 1 222 1 22 2 cossin cos(sin) n R n 2 1 2222 1 222 2 cossin cos(sin) nn R nn 式中，式中，R 为平行偏振方向的强度反射系数， 为平行偏振方向的强度反射系数，R 为垂 为垂 直偏振方向的强度反射系数；直偏振方向的强度反射系数；n=n3n1 ，为入射光为入射光 波在界面上的入射角。波在界面上的入射角。 第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率

33、强度调制 当光波以大于临界角当光波以大于临界角 的角入射到的角入射到n1、n3介质的界面上时，光全部介质的界面上时，光全部 被反射回探测器；被反射回探测器； 若若n3介质由于压力或温度的变化引起介质由于压力或温度的变化引起n3微小微小 变化，则会导致反射系数的变化，从而导致变化，则会导致反射系数的变化，从而导致 反射光强的改变。反射光强的改变。 31 arcsinarcsin c nnn 应用应用：温度或压力传感器。：温度或压力传感器。 反射式强度调制反射式强度调制 透射式强度调制透射式强度调制 光模式强度调制光模式强度调制 折射率强度调制折射率强度调制 光吸收系数强度光吸收系数强度 调制调制

34、等等 内调型内调型 外调型外调型 （传光型或非功能型）（传光型或非功能型） （传感型或功能型）（传感型或功能型） 第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制 n 利用光纤的吸收特性进行强度调制利用光纤的吸收特性进行强度调制 原理：原理：辐射引起光纤吸收损耗增加，输出功率下降辐射引起光纤吸收损耗增加，输出功率下降 敏感源：敏感源：x 射线射线 、 射线射线 、 中子射线中子射线 特点：特点：灵敏度高灵敏度高 、 线性范围大、有线性范围大、有 记忆记忆 性性 第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制 n 利用光纤的吸收特性进行强度调制利用光纤的吸收特性进行强度调制 应用：

35、应用： 改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 例如铅玻璃光纤对例如铅玻璃光纤对X、射线和中子射线特别灵敏，射线和中子射线特别灵敏， 并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有 较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。 既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用 于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监 测。测。 第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制 n 利用半导体的吸收特性进行强度调

36、制利用半导体的吸收特性进行强度调制 发生本征吸收的条件：发生本征吸收的条件： gg g hc hE E 产生本征吸收的条件 半导体的本征吸收：半导体的本征吸收：当一束光经过半导体时，低当一束光经过半导体时，低 于某波长于某波长 的光被半导体吸收而高于该波长将透过的光被半导体吸收而高于该波长将透过 半导体。半导体。 g 称为称为半导体的本征吸收波长半导体的本征吸收波长 g 光子能量必须大于半导体的禁带宽度光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即：，即： 第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制 g t 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 由于采用光强

37、信号变化作为信息的载体，反射由于采用光强信号变化作为信息的载体，反射 式强度调制光纤传感器不可避免地要受光源功率波式强度调制光纤传感器不可避免地要受光源功率波 动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移以动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移以 及环境杂散光等因素的影响。所以，要想获得高精及环境杂散光等因素的影响。所以，要想获得高精 度和高稳定性的测量，必须采取有效措施克服这些度和高稳定性的测量，必须采取有效措施克服这些 因素对测量的影响。因素对测量的影响。 基本思想：通过参考光路引进参考信号，基本思想：通过参考光路引进参考信号， 以补偿非传感因素引起的光强变化。以补偿非传感因素引起的光强

38、变化。 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法 基本思想基本思想：在传感器中采用不同波长的两：在传感器中采用不同波长的两 个光源，这两个波长不同的光信号在传感个光源，这两个波长不同的光信号在传感 头中受到不同的调制，对它进行一定的信头中受到不同的调制，对它进行一定的信 号处理，就可达到系统补偿的目的。号处理，就可达到系统补偿的目的。 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法 由光源由光源S1和和S2分别发出波长为分别发出波长为1和和2的单色光，并的单色光，并 在传感

39、头在传感头SH处受到不同调制，再由探测器处受到不同调制，再由探测器D1和探和探 测器测器D2接收。接收。 双波长补偿法光路图双波长补偿法光路图 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法 设设D1接受光强信号为接受光强信号为I1， D2接受光强信号为接受光强信号为I2，则，则 111121 IS L M L D 221222 IS L M L D S为光源输出功率，为光源输出功率，L为光纤透过率，为光纤透过率，M为传感头对为传感头对 光信号的强度调制函数光信号的强度调制函数 ，D为探测器的灵敏度。为探测器的灵敏度。 第四章 强度调制

40、型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法 设设D1接受光强信号为接受光强信号为I1， D2接受光强信号为接受光强信号为I2，则，则 111121 IS L M L D 221222 IS L M L D 222 111 S D M R S D M 补偿后的输出为补偿后的输出为 优点：优点：消除了光纤传输损耗对测量结果的影响；消除了光纤传输损耗对测量结果的影响； 不足：不足：无法消除光源波动和探测器特性漂移的影响无法消除光源波动和探测器特性漂移的影响 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长

41、补偿法改进型改进型 目的：目的：为了消除光源波动和探测器特性漂移的影响为了消除光源波动和探测器特性漂移的影响 基本思想基本思想：在光源：在光源S S和传感头和传感头SHSH之间增加了一个之间增加了一个X X形形 光纤耦合器光纤耦合器C C，以便监测光源功率的波动起伏，再用，以便监测光源功率的波动起伏，再用 分时的方法监测分时的方法监测S1S1和和S2S2的信号。的信号。 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法改进型改进型 四个探测信号四个探测信号 11 1121111 22 2222122 , , RRMM RRMM ID C

42、SID L M LC S ID C SID L M LC S C1、C2为为X形光纤耦合器分别对波长形光纤耦合器分别对波长1和和2的透过的透过 率率 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法改进型改进型 四个探测信号四个探测信号 11 1121111 22 2222122 , , RRMM RRMM ID C SID L M LC S ID C SID L M LC S 补偿后的输出为补偿后的输出为 12 2 21 1 RM RM I IM R I IM 优点：优点： 可消除光源功率波动、光纤传输损耗变化、光电探可消除光源功率波动

43、、光纤传输损耗变化、光电探 测器的特性漂移等影响因素引起的误差，输出信号测器的特性漂移等影响因素引起的误差，输出信号 由强度调制函数由强度调制函数M唯一决定；唯一决定； 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 1. 1. 双波长补偿法双波长补偿法改进型改进型 四个探测信号四个探测信号 11 1121111 22 2222122 , , RRMM RRMM ID C SID L M LC S ID C SID L M LC S 补偿后的输出为补偿后的输出为 12 2 21 1 RM RM I IM R I IM 不足：不足： 无法消除由两光源光谱特性的变化、无法消除由

44、两光源光谱特性的变化、X型耦合器分型耦合器分 光比的变化引起的误差，同时由于双波长光在光纤光比的变化引起的误差，同时由于双波长光在光纤 中传输的差异，该方法并不适合远程测量。中传输的差异，该方法并不适合远程测量。 第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术 2. 2. 旁路光纤监测法旁路光纤监测法 基本思想基本思想：参考光纤和信号传输光纤的长度相同，：参考光纤和信号传输光纤的长度相同， 经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影 响，只是在传感头响，只是在传感头SHSH处，参考光纤从旁路通过，不处，参考光纤从旁路通过，不 受被测量调制。受被测量调制。 探测器探测器2 光源光源 SH 探测器探测器1 耦合器耦合器 第四章 强度调制