强度调制机理光纤传感器基本原理

opticalfibersensors光纤传感技术Opticalfibersensors第

五章光纤传感器基本原理FundamentalofOpticalFiberSensor

内容一、强度调制机理二、相位调制机理三、频率调制机理四、波长调制机理五、偏振调制机理光调制概念光调制就是将信息加到载波光波上，使载波光波的某一参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的强度、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器检测，然后解调出所需要的信息。光纤传感系统的基本构成外界被测参数与进入调试区的光相互作用光强、波长、频率、相位、偏振态等发生变化被测参数调制区或传感区光纤传感器分类传光型传感型按光纤在传感器中作用只“传”不“感”“传”“感”合一关键部件是光转换敏感元件。光转换元件与待测对象相互作用时，光转换元件自身的性能发生了变化，光纤送来的光波通过它时，光波参量发生了相关变化，空载波变成了调制坡，携带了待测量信息。或者是不采用任何光转元件，仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能，结构十分简单。光纤本身起敏感元件的作用。光纤与被测对象相互作用时，光纤自身的结构参量(尺寸和形状)发生变化，光纤的传光特性发生相关变化，光纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象的信息；或者是光纤与被测对象作用时，光纤自身的结构参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生了某种变化，携带了待测信息。传感型传光型待测物理量引起光纤中传输的光波强度发生变化，通过检测光强的变化实现待测物理量的测量。一、强度调制光纤传感器的基本原理被测信号IiIoSiD强度调制区光探测器强度调制方式反射式强度调制透射式强度调制折射率强度调制吸收系数强度调制光模式强度调制强度调制的特点：简单、可靠、经济一、强度调制机理1、反射式强度调制传感器的调制机理：输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离d而变化。这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。一、强度调制机理定量分析：反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离d

处形成输入光纤的虚象，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为N.A

，两光纤垂直距离为a.一、强度调制机理N.A＝sin

反射型光强外调制示意图ad2r输出光纤输入光纤的镜像输入光纤输出光纤a输入光纤一、强度调制机理调制信号2d反射型光强外调制示意图ad2r输出光纤输入光纤的镜像输入光纤输出光纤a输入光纤一、强度调制机理输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分输出光纤a输入光纤返回一、强度调制机理N.A＝sin

输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分输出光纤a输入光纤一、强度调制机理输入光纤的出射光与输出光纤纤芯的重叠部分输出光纤a输入光纤一、强度调制机理

检测范围当距离时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤；一、强度调制机理当时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面积将输出光纤端面积全部遮盖，pr2是一个常数，光维底面积为p(dT)2即检测位移的范围：因此最大检测范围：在一、强度调制机理

定量计算光耦合系数定量计算光耦合系数，必须先计算输入光纤像的发光维体面积与输出光纤端面的交叠面积，如果精确计算，则必须使用gamma方程，十分复杂。r交叠面积一、强度调制机理如果作线性近似，即将维体边缘与输出光纤芯交界的弧线作为直线处理，则可得到线性解，在线性近似下，可求得交叠面积与光纤芯面积之比为：r模型直边模型近似r式中d

为交叠面积的高，由d

决定：

假定反射镜面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率F

，即为交叠面积与光维底面积之比：r交叠面积例：芯径2r=200mm，N.A.=0.5的阶跃光纤，a=100mm,计算结果表明最大耦合效率Fmax=7.2%,发生于d=320mm处。d(mm)一、强度调制机理Fmax=6.62%(计算结果)上面的分析作了很多简化处理：除了线性假设部分，还假定了①光纤为阶跃型光纤；②模谱是均匀一致的，即功率密度在光维底面上是均匀的；③反射面平行于光纤端面；④反射率为100％等。一、强度调制机理简化处理发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。2、透射式强度调制x调制信号动光纤式光强调制模型位移、压力、温度等一、强度调制机理一、强度调制机理3、光模式（微弯损耗）光强度调制机理当光纤发生弯曲时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，这就是微弯损耗。利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯变形器中，精确地把微弯损耗与引起微弯的器件的位置及压力等物理量联系起来制成各种光纤微弯传感器。微弯损耗调制示意图一、强度调制机理L调制信号光纤微弯损耗调制示意图一、强度调制机理L调制信号光纤纤芯中的光向包层逸出的原因：从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的；从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。微湾损耗的机理一、强度调制机理传感器的灵敏度主要与三个因素有关：微弯幅度、微弯数目、微弯周期。其中微弯周期的影响最大，且有一个与传感光纤有关的临界周期Lc。当光纤微弯周期接近于临界周期时，光纤中光功率损耗急剧增加，即光纤传感灵敏度显著增加。

L实用中的光纤微弯传感器如图所示，由多模光纤与一个空间周期为L的梳状调制器构成，当外界压力、位移或振动等使调制器变形时，将改变光纤弯曲部分的模振幅，从而对光纤中传输光强度产生调制。调制信号一、强度调制机理微弯周期的选择微弯光强调制的基本原理是将纤芯中的传输导模耦合入辐射模，随着微弯机制的变化，无论是光纤中的透射光强，还是逸出光纤的辐射光强都将发生变化。问题是，什么样的微弯机制才能导致有效而且线性的光强调制?这个问题涉及到光纤的模式耦合理论，这里仅作一些简单讨论。一、强度调制机理光纤模式耦合理论指出，在周期性微弯作用下，要实现有效的模式耦合有如下规律可循：如果微弯的空间周期为L，如果选择该周期使其与两个模(例如一个导模b与一个辐射模b’)的传播常数之差Db相匹配，即:则这两个模式就发生耦合。一、强度调制机理传导模辐射模光纤中的传播模式一、强度调制机理z光纤的折射率分布：n1[1-2D]1/2=n2r>an1[1-2D(r/a)g]1/20

r

ag=2称为抛物线分布或平方律分布n(r)=

g=

一、强度调制机理由波导理论，相邻两个模式的传播常数差Db由下式给出：式中m是模序数，M是模总数，D为相对折射率差。对于抛物线折射率分布的光纤g＝2，则上式表明，在抛物线折射率分布光纤中Db与模序数m无关，在b空间中所有的模间隔都相等。一、强度调制机理注意：式（5－9）有误既然所有传输模的传播常数差是等间隔的，那么当一个导模被泄漏到另一导模时，所有的导模都能被泄漏入邻近的模。从而达到模式间的最佳耦合。一、强度调制机理对于抛物线分布光纤，最佳耦合情况下变形器的临界空间周期为：对于阶跃光纤，g＝

该式表明Db与模序数m有关。因为辐射模与高阶模的耦合最易发生。当m=M时，相邻模耦合所需要的空间周期间隔为：一、强度调制机理光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振动、位移、应变等光纤传感器。微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构简单、响应速度快。微弯损耗光强度调制的应用一、强度调制机理传导模辐射模q04、折射率强度调制通过改变n1与n2之间的差，可以改变传输损耗。因此，根据传输光功率的变化可确定物理量的变化。n1n2液体q0设液体折射率随温度升高而减小n1n2TT’光纤温度传感器原理包层n1n2光纤含油量传感器原理含油液体1包层n1n2光纤含油量传感器原理含油液体2x射线、g射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器，其原理如图5－16(a)所示。5、光吸收系数强度调制改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它