第四章 强度调制型光纤传感器1

1、第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述0cosEEkzt 式中，式中， 为光波的常矢量振幅，为光波的常矢量振幅， 为波数，为波数， 为波长为，为波长为， 为频率，为频率， 为初始相位。为初始相位。0E 2k kzt光强光强 、偏振态（、偏振态（ 的振动方向）、的振动方向）、相位相位 、波长、波长 、频率、频率 。20E0E kzt第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调

2、制型光纤传感器利用对利用对外界因素引起外界因素引起光纤中光纤中光强的变化光强的变化来探来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。测外界物理量及其变化量的光纤传感器。第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器原理简单、体积原理简单、体积小、价格低廉、小、价格低廉、带宽高、频率响带宽高、频率响应快应快 ;易受光源、光纤、光纤器件（耦合器、连接器易受光源、光纤、光纤器件（耦合器、连接器等）以及光探测器等引起的光强变化的影响等）以及光探测器等引起的光强变化的影响第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器反射式强度调制反射式强度调

3、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第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制发射光纤发射光纤接收光纤接收光纤反射式光纤传感器的基本结构反射式光纤传感器的基本结构光源、传输光纤（发射与接收）、反射面以及光电探测器光源、传输光纤（发射与接收）、反射面以及光电探测器 发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射到接

4、收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被到接收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被测面与光纤间的距离变化而变化。测面与光纤间的距离变化而变化。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4.2 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制反射式光纤传感器强度调制特征参数反射式光纤传感器强度调制特征参数起始距离起始距离d0： 接收光纤开始能接收到由发射光纤接收光纤开始能接收到由发射光纤发出并经反射面反射的光时所对应发出并经反射面反射的光

5、时所对应的反射面到光纤端面之间的距离，的反射面到光纤端面之间的距离，其中区间其中区间 0, d0 称为称为死区死区。峰值距离峰值距离dp ： 当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面反射的光当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面反射的光信号达到最大值时，光纤端面与反射面之间的距离称为峰信号达到最大值时，光纤端面与反射面之间的距离称为峰值距离值距离dp。前坡，后坡前坡，后坡 ：位于位于d0, dp的特性曲线段称为的特性曲线段称为前坡前坡； 位于位于dp, 的特性曲线段称为的特性曲线段称为后坡后坡 。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4.2 反射式强度调制 接收光纤接受

6、的接收光纤接受的强度调制特性强度调制特性不但与光不但与光源、光纤到源、光纤到反射面的距离反射面的距离、反射面的特性、反射面的特性（反射率、斜度等）（反射率、斜度等）有关，而且与有关，而且与光纤的数光纤的数值孔径（值孔径（NANA）、纤芯、）、纤芯、光纤的光纤的数目数目及端面的及端面的排列方式排列方式以及以及光接收器性能及其与光纤的耦光接收器性能及其与光纤的耦合合等密切相关。等密切相关。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4.2 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的优点：反射式强度调制光纤传感器的优点：原理简单、体积小、性能可靠、设计灵活、原理简单、体积小、性能可靠、设计

7、灵活、价格低廉、带宽高、频率响应快等独特优价格低廉、带宽高、频率响应快等独特优点，在要求成本和采样速率的高精度、非点，在要求成本和采样速率的高精度、非接触式测量领域更具吸引力接触式测量领域更具吸引力; ; 应用范围广，已经广泛应用于位移、振动、应用范围广，已经广泛应用于位移、振动、压力、应变、角位移、表面粗糙度、温度压力、应变、角位移、表面粗糙度、温度等物理量的测量。等物理量的测量。在光纤传感领域中占据十分重要的位置在光纤传感领域中占据十分重要的位置第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的缺点：反射式强度调制光纤传感器的缺点：灵敏

8、度和线性测量范围相互制约严重；灵敏度和线性测量范围相互制约严重； 前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，但其线性范围小，前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，但其线性范围小，只适用于测量微小位移变化；只适用于测量微小位移变化； 后坡曲线的斜率为负，虽然线性范围大，但灵敏度低，只后坡曲线的斜率为负，虽然线性范围大，但灵敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移测量。能用于低分辨力大量程的位移测量。 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4.2 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的缺点：反射式强度调制光纤传感器的缺点：提高稳定性、增强灵敏度、扩大线性范提高稳定性、增强灵敏度、扩大线性范围等

9、成为反射式强度调制光纤传感器的围等成为反射式强度调制光纤传感器的研究热点研究热点抗干扰能力差。抗干扰能力差。 因为以光强变化来获取被传感参量变化的信息，测量结因为以光强变化来获取被传感参量变化的信息，测量结果极易受光源、光纤等引起的光强波动以及探测器和后果极易受光源、光纤等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差。续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差。 研究表明，环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性研究表明，环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定性的主要因素

10、。性的主要因素。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4.2 反射式强度调制基本思想：基本思想：用两根用两根(或两组或两组)光纤分别接收测量光纤分别接收测量光，利用两组测量信号的相关性与差异性并光，利用两组测量信号的相关性与差异性并进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目的。的。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4.2 反射式强度调制 采用适当形式的三光纤传感器不但可以改善传感器的线性采用适当形式的三光纤传感器不但可以改善传感器的线性范围和线性度，而且可有效的消除光功率波动和反射面反范围和线性度，而且可有效的消除光功率

11、波动和反射面反射率的变化等因素对测量精度的影响；射率的变化等因素对测量精度的影响； 采用三光纤结构时应首选芯径不等式或等芯不等间距采用三光纤结构时应首选芯径不等式或等芯不等间距式。式。反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制 在实际设计中，在实际设计中，为了增大发射亮度和接收光通为了增大发射亮度和接收光通量量，往往不用单根发射光纤和接收光纤，而，往往不用单根发射光纤和接收光纤，而采用多采用多根光纤集合成的发射光纤束和接收光纤束根光纤集合成的发射光纤束和接收光纤束，将发射，将发射光纤

12、束的发射端和接收光纤束的接收端光纤束的发射端和接收光纤束的接收端集合在一起，集合在一起，构成构成Y型光纤探头型光纤探头。这种结构可有效地减少光源波。这种结构可有效地减少光源波动的影响，减少不同反射面反射率差异的影响，以动的影响，减少不同反射面反射率差异的影响，以及分散结构存在的接收元件、放大电路和光纤微弯及分散结构存在的接收元件、放大电路和光纤微弯损耗不匹配的影响，起到很好的补偿作用。损耗不匹配的影响，起到很好的补偿作用。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4.2 反射式强度调制传统反射式强度调制光纤传感器的缺点：传统反射式强度调制光纤传感器的缺点：绝大数含有传感信息的调制

13、光损耗在光纤传感头绝大数含有传感信息的调制光损耗在光纤传感头和反射面之间，仅有很小一部分调制光被接受光和反射面之间，仅有很小一部分调制光被接受光纤接受并传输至探测器；纤接受并传输至探测器；灵敏度较低，存在较大测量死区，而且过小的光灵敏度较低，存在较大测量死区，而且过小的光纤间距也不易调整，限制了光纤传感器的应用。纤间距也不易调整，限制了光纤传感器的应用。 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4.2 反射式强度调制优点：优点： 针对不同的测量要求，可选择不同的参数针对不同的测量要求，可选择不同的参数，对工作距离没有限制。这些特点使该类型传感器在，对工作距离没有限制。这些特点使

14、该类型传感器在在线检测和过程控制方面有着广泛的应用前景。在线检测和过程控制方面有着广泛的应用前景。 、d由于测量时的入射光是平行光束，使得输出信由于测量时的入射光是平行光束，使得输出信 号增强；号增强；在这种结构传感器中，两光纤间距在这种结构传感器中，两光纤间距d和入射角和入射角 都是可调节的。都是可调节的。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4.2 反射式强度调制 反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射面。一般物体的反射面或漫射面。 反射面与接收光纤的反射面与接收光纤的轴线垂直，外界信号通过轴线垂直，外界信号

15、通过控制反射面相对接收光纤控制反射面相对接收光纤入射端口的轴向线位移对入射端口的轴向线位移对进入接收光纤的光强进行进入接收光纤的光强进行调制。调制。为了扩大其动态范为了扩大其动态范围，可在光纤端部增加一围，可在光纤端部增加一个透镜组个透镜组。A. A. 正镜式光强调制正镜式光强调制第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制B. B. 斜镜式光强调制斜镜式光强调制第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.2 反射式强度调制 由于采用光强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