第四章 强度调制型光纤传感器2

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1、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）4.3 透射式强度调制第四章 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

2、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。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

3、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

4、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，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

5、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

6、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 甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线能力是一氧

7、化碳的能力是一氧化碳的能力是一氧化碳的能力是一氧化碳的15301530倍，占据整个温室贡献量的倍，占据整个温室贡献量的倍，占据整个温室贡献量的倍，占据整个温室贡献量的15%15%。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。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利利利用用用用双双双双金金金金属属属属热热热热变变变变形形形形的的的的遮遮遮遮光光光光式式式式光光光光纤纤纤纤温温温温度度度

8、度计计计计。当当当当温温温温度度度度升升升升高高高高时时时时，双双双双金金金金属属属属片片片片的的的的变变变变形形形形量量量量增增增增大大大大，带带带带动动动动遮遮遮遮光光光光板板板板在在在在垂垂垂垂直直直直方方方方向向向向产产产产生生生生位位位位移移移移从从从从而而而而使使使使输输输输出出出出光光光光强强强强发发发发生生生生变变变变化化化化。这这这这种种种种形形形形式式式式的的的的光光光光纤纤纤纤温度计能测量温度计能测量温度计能测量温度计能测量1010101050505050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.50.50.50.5。接收接收光源

9、光源遮遮光光板板双金双金属片属片缺点：缺点：缺点：缺点：输出光强受壳输出光强受壳输出光强受壳输出光强受壳体振动的影响，且体振动的影响，且体振动的影响，且体振动的影响，且响应时间较长，一响应时间较长，一响应时间较长，一响应时间较长，一般需几分钟。般需几分钟。般需几分钟。般需几分钟。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光强强为为I0的的光光束束,通通过过发发送送光光纤纤照照射射到到球球镜镜上上。球球透透镜镜把把光光束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。当当球球透透镜镜在在平平衡衡位位置置时

10、时，从从两两个个接接收收光光纤纤得得到到的的光光强强I1和和I2是相同的；是相同的；如如果果球球透透镜镜在在垂垂直直于于光光路路的的方方向向上上产产生生微微小小位位移移时时，在在两两个个接接收收光光纤纤上上得得到到的的光光强强I1和和I2 将将发发生生变变化化。光光强强比比值值I1/I2 的的对对数数值值与与球球透透镜镜位位移移x呈呈线线性关系，但与初始光强无关。性关系，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

11、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 除记数外，还可进行位置检测除记数外，还可进行位置检测除记数外，还可进行位置检测除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到如装配体有没有到如装配体有没有到如装配体有没有到位位位位)、质量检查、质量检查、质量检查、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。检测生产流水线上

12、瓶盖及商标检测生产流水线上瓶盖及商标检测生产流水线上瓶盖及商标检测生产流水线上瓶盖及商标第四章 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门窗防盗控制门窗防盗控制门窗防盗控制门窗防盗控制自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停自动扶梯自动启停汽车通过检测汽车通过检测汽车通过检测汽车通过检测汽车喷涂控制汽车喷涂控制汽车喷涂控制汽车喷涂控制第四章 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围墙监护警戒围墙监护警戒围墙监护警戒围墙监护警戒库房卫士库房卫士库房卫士库房卫士安安安安全全全全警警警警戒戒戒戒第四章 强度调制型光纤传感器4.4

13、光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器 采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC 芯芯片片引引脚脚进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，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

14、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）4.4 光模式强度调制第四章 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*缺点：需要精密机

15、械调整和固定装置缺点：需要精密机械调整和固定装置缺点：需要精密机械调整和固定装置缺点：需要精密机械调整和固定装置u反射式反射式*无需精密调整装置无需精密调整装置无需精密调整装置无需精密调整装置 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：0.01nm0.01nm；动态范围：；动态范围：110dB110dBu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

16、制第四章 强度调制型光纤传感器 传传播播常常数数是是描描述述光光纤纤中中各各模模式式传传输输特特性性的的重重要要参参数，数，决定决定光纤中各模式的光纤中各模式的传输或截止传输或截止。当当 时时，包包层层中中的的电电磁磁场场不不再再衰衰减减，而而成成为为振振荡荡函函数数，这这时时传传导导模模已已不不能能集集中中于于光光纤纤纤纤芯芯中中传传播，即传导模截止，此时的模式称为辐射模。播，即传导模截止，此时的模式称为辐射模。光纤中传输的信息是由传导模传送的。传导模的光纤中传输的信息是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即 当当 时时，传传导导模模

17、处处于于临临界界截截止止状状态态，光光线线在纤芯和包层的界面掠射。在纤芯和包层的界面掠射。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 根据光纤的根据光纤的模式耦合模式耦合理论，当光纤在轴理论，当光纤在轴向上发生向上发生周期性微弯时周期性微弯时，光纤中的部分光会，光纤中的部分光会折射到包层中去，折射到包层中去，全反射被破坏全反射被破坏，即部分，即部分导导波模会转化为辐射模波模会转化为辐射模，能量由纤芯转移到包，能量由纤芯转移到包层中，层中，产生微弯损耗产生微弯损耗。因此，通过测量纤芯。因此，通过测量纤芯（亮场）或包层（暗场）中光的能量变化就（亮场）或包层（暗场

18、）中光的能量变化就可以可以测量如应力、重量、加速度和应变等物测量如应力、重量、加速度和应变等物理量理量。也可以两场同时探测（相比）来补偿。也可以两场同时探测（相比）来补偿光源漂移的影响。光源漂移的影响。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光纤被夹在一对锯光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤齿板中间，当光纤不受力时，光线从不受力时，光线从光纤中穿过，没有光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿能量损失。当锯齿板受外力作用而产板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中生位移时

19、，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤第四章 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原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角C的角度的角度1在纤芯内传输在纤芯内传输为全反射；但在微弯处为全反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输也增大，泄漏到包层的散射光随之增加

20、，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测力、声压，或检测由压力引起的位移由压力引起的位移等物理量。等物理量。1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3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，便于分布式沿线测量；价低，便于分布式沿线测量；

21、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

22、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

23、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

24、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）4.5 折射率强度调制第四章 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

25、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

26、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准耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,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

27、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4.5 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

28、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

29、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，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

30、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；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

31、型原原理理：利利用用光光纤纤（或或其其他他光光学学元元件件如如棱棱镜镜）的的反反射射端端面面的的反反射射系系数数随随被被测测参参数数变变化化而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

32、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的介反射面（镀膜而成），斜面反射面与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后质接触，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射能垂直入射到全反射面上，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

33、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，若介质的界面上时，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微小变化，微小变化，则会导致反射系数的变化，从而导致反射光则会导致反射系数的变化，从而导致反射光强的改变。强的改变。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

34、收系数强度 调制调制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）4.6 光吸收系数强度调制第四章 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

35、进行强度调制应用：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：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。称为称为半导体的本征吸收波长半导体的本征吸收波长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工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方当温度升高时，其透射率曲线将向长波方当温度升高时，其透射率曲线将向长波方当温度升高

37、时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的向移动。若采用发射光谱与半导体的向移动。若采用发射光谱与半导体的向移动。若采用发射光谱与半导体的 相匹配的发光相匹配的发光相匹配的发光相匹配的发光二极管作为光源，二极管作为光源，二极管作为光源，二极管作为光源，则透射光强度将随则透射光强度将随则透射光强度将随则透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。检测温度变化。检

38、测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体材料的半导体材料的半导体材料的半导体材料的E Eg g随温度的上升而减小，亦即其本随温度的上升而减小，亦即其本随温度的上升而减小，亦即其本随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长征吸收波长征吸收波长征吸收波长 g g随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。随温度的

39、上升而增大。随温度的上升而增大。4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术第四章 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

40、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个：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头光源，这两个波长不同的光信号在传感头中受到不同的调制，对它进行一定的信号中受到不同的调制，对它进行一定的信号处理，就可达到系统补偿的目的。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

41、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

42、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

43、：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形光形光纤耦合器纤耦合器C C，以便监测光源功率的波动起伏，再用分，以便监测光源功率的波动起伏，再用分时的方法监测时的方法监测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补偿

44、后的输出为补偿后的输出为 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、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补偿后的输出为补偿后的输出为 不足：不足：无法消除由两光源光谱特性的变化、无法消除由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

45、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，经：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响，过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影响，只是在传感头只是在传感头SHSH处，参考光纤从旁路通过，不受被处，参考光纤从旁路通过，不受被测量调制。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 探测信号探测信号 补偿后的输出为补偿后的输出为 优点：优点：结构简单，消除光源功率波动的影响结构简单，消除光源功率波动的影响；不足：不足：无法消除光纤损耗、探测器灵敏度漂移等因无法消除光纤损耗、探测器灵敏度漂移等因 素的影响。素的影响。The End