第四章 强度调制型光纤传感器,光纤传感器的组成,在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述,式中， 为光波的常矢量振幅， 为波数， 为波长为， 为频率， 为初始相位。,光纤中光波调制原理,强度调制型光纤传感器,利用对外界因素引起光纤中光强的变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。,定义：,原理简单、体积小、价格低廉、带宽高、频率响应快 ;,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,强度调制型光纤传感器,1. 优点,2. 缺点,强度调制型光纤传感器的分类,1. 光强调制方式,反射式强度调制 透射式强度调制 光模式强度调制 折射率强度调制 光吸收系数强度 调制等,2. 光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,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,基本结构：,调制原理：,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。,反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线,反射式光纤传感器强度调制特征参数,起始距离d0： 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的反射面到光纤端面之间的距离，其中区间0, d0称为死区。,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dp。,前坡，后坡 ：,位于d0, dp的特性曲线段称为前坡； 位于dp, 的特性曲线段称为后坡 。,接收光纤接受的强度调制特性不但与光源、光纤到反射面的距离、反射面的特性（反射率、斜度等）有关，而且与光纤的数值孔径（NA）、纤芯、光纤的数目及端面的排列方式以及光接收器性能及其与光纤的耦合等密切相关。,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、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、压力、应变、角位移、表面粗糙度、温度等物理量的测量。,在光纤传感领域中占据十分重要的位置,反射式强度调制光纤传感器的缺点：,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，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，只能用于低分辨力大量程的位移测量。,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、扩大线性范围等成为反射式强度调制光纤传感器的研究热点,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。 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性的主要因素。,基本思想：用两根(或两组)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进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目的。,1. 三光纤补偿法,改善调制特性技术,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式。,反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较,在实际设计中，为了增大发射亮度和接收光通量，往往不用单根发射光纤和接收光纤，而采用多根光纤集合成的发射光纤束和接收光纤束，将发射光纤束的发射端和接收光纤束的接收端集合在一起，构成Y型光纤探头。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。,2. 多光纤法,3. 光纤倾斜式,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，而且过小的光纤间距也不易调整，限制了光纤传感器的应用。,优点：,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在线检测和过程控制方面有着广泛的应用前景。,由于测量时的入射光是平行光束，使得输出信 号增强； 在这种结构传感器中，两光纤间距d和入射角 都是可调节的。,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。,4. 不同反射面设置方式,反射面与接收光纤的轴线垂直，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端口的轴向线位移对进入接收光纤的光强进行调制。为了扩大其动态范围，可在光纤端部增加一个透镜组。,A. 正镜式光强调制,B. 斜镜式光强调制,5. 强度补偿技术,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。,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。,