第四章-強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器2.ppt

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的分類,1.光強(qiáng)調(diào)制方式,反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等,2.光纖在傳感器中的作用,內(nèi)調(diào)型,外調(diào)型,（傳光型或非功能型）,（傳感型或功能型）,4.3透射式強(qiáng)度調(diào)制,調(diào)制原理：遮光,透射式,調(diào)制方法,光強(qiáng)調(diào)制特性曲線,典型透射式強(qiáng)度調(diào)制方式,通常發(fā)送光纖不動，而接收光纖可以作橫向位移、縱向位移或轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)對發(fā)射光纖與接受光纖之間偶和效率的調(diào)制，改變光電探測器所接受的光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對位移(或角位移)、壓力、振動、溫度等物理量的測量。,調(diào)制原理：,直接透射式,直接透射式,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,不足：靈敏度低、動態(tài)范圍小,帶有遮光屏透射式,在發(fā)送光纖和接收光纖之間加入一定形式的受待測量控制的可動光閘，對進(jìn)入接收光纖的光束產(chǎn)生一定程度的遮擋，產(chǎn)生光強(qiáng)度調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量。,組成,光閘形式,調(diào)制原理,發(fā)射光纖、受待測量控制的可動光閘和接收光纖,固體材料、液體、遮光片、光柵、碼盤、待測物體本身等。,帶有遮光屏透射式,帶有遮光屏透射式,a.帶透鏡結(jié)構(gòu)b.不帶透鏡結(jié)構(gòu),不用透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)雖然簡單。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也降低一個(gè)數(shù)量級。,利用兩個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的遮光屏改進(jìn)傳感器,遮光屏是由等寬度、交替排列的透明區(qū)和非透明區(qū)的光柵組成，其中一支為固定光柵，另一支為可移動光柵。在此遮光屏的空間周期內(nèi)，光的透過率，從50(兩屏完全重疊)變到零(兩屏完全交疊)。,光柵遮光屏透射式強(qiáng)度調(diào)制原理,調(diào)制原理：,利用兩個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的遮光屏改進(jìn)傳感器,優(yōu)點(diǎn)：,在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的10-6數(shù)量級以內(nèi)，是構(gòu)成高靈敏度、簡單、可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。,透射式差動光纖位移傳感器,入射光,接收光,透射式差動光纖位移傳感器,接收光纖接收端面相對于照明光纖出射端面存在偏移量時(shí)，傳感器光強(qiáng)調(diào)制特性曲線相對于沒有偏移量時(shí)的特性曲線在形狀上并沒有改變，只是產(chǎn)生一定的相移。,透射式差動光纖位移傳感器,接收光纖1,接收光纖2,差動輸出,透射式差動光纖位移傳感器,透射式差動光纖位移傳感器,靈敏度提高108%,透射式差動光纖位移傳感器,采用差動方式處理接收光強(qiáng)信號，可達(dá)到提高系統(tǒng)靈敏度、抑制光源等光強(qiáng)波動以及探測器和后續(xù)電路產(chǎn)生的電子噪聲影響的目的利用響應(yīng)誤差信號的雙極性特點(diǎn)可準(zhǔn)確判斷角位移方向，并通過響應(yīng)誤差信號的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)角位移的直接測量；利用響應(yīng)誤差信號的過零點(diǎn)作為絕對零點(diǎn)觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)測微和絕對跟蹤能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)待測物的自動調(diào)整。,應(yīng)用實(shí)例,光纖甲烷氣體傳感器,Integrating,瓦斯爆炸是影響煤礦安全重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦爆炸事故近80%是由瓦斯氣體爆炸引起的。瓦斯的主要成分是甲烷，約占瓦斯氣體的83%89%。,光纖甲烷氣體傳感器,Integrating,甲烷被認(rèn)為是溫室效應(yīng)最主要的氣體之一，其吸收紅外線能力是二氧化碳的15-30倍，占據(jù)整個(gè)溫室氣體貢獻(xiàn)量的15%，直接關(guān)系到人類健康生活。,光纖甲烷氣體傳感器,理論基礎(chǔ)：Lambert-Beer（郎伯-比爾）定律,式中，I為光強(qiáng)，為摩爾分子吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L光和氣體的作用長度。,顯示與報(bào)警,可調(diào)諧激光吸收光譜的光纖氣體監(jiān)測儀原理,光纖甲烷氣體傳感器,1,惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可克服背景氣體、粉塵等吸收干擾，測量分辨力與精度高；,光纖甲烷氣體傳感器,工業(yè)過程氣體分析儀器應(yīng)用領(lǐng)域及2010年需求量,遮光式光纖溫度計(jì),利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測量1050的溫度。檢測精度約為0.5。,接收,光源,遮光板,雙金屬片,缺點(diǎn)：輸出光強(qiáng)受殼體振動的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長，一般需幾分鐘。,光纖位移傳感器,移動球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器,光強(qiáng)為I0的光束,通過發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚集列兩個(gè)接收光纖的端面上。,當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接收光纖得到的光強(qiáng)I1和I2是相同的；,如果球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時(shí)，在兩個(gè)接收光纖上得到的光強(qiáng)I1和I2將發(fā)生變化。光強(qiáng)比值I1/I2的對數(shù)值與球透鏡位移x呈線性關(guān)系，但與初始光強(qiáng)無關(guān)。,光纖式光電開關(guān),遮斷型,被記數(shù)工件隨傳送帶移動，一個(gè)工件從光纖斷開處通過時(shí)，擋光一次，在光纖輸出端得到一個(gè)光脈沖，用記數(shù)電路和顯示裝肖將通過光纖的工件數(shù)顯示出來。,光纖式光電開關(guān),除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測(如裝配體有沒有到位)、質(zhì)量檢查(如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等)。,檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo),光纖式光電開關(guān),門窗防盜控制,自動扶梯自動啟停,汽車通過檢測,汽車噴涂控制,光纖式光電開關(guān),圍墻監(jiān)護(hù)警戒,庫房衛(wèi)士,安全警戒,光纖式光電開關(guān),采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC芯片引腳進(jìn)行檢測,光纖式光電開關(guān),轉(zhuǎn)動的金屬盤上穿有透光孔。當(dāng)孔與光纖對齊時(shí)，在光纖輸出端就有光脈沖輸出，這是通過孔位的變化對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。,編碼盤裝置,光纖式光電開關(guān),利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。可用于對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。,強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的分類,1.光強(qiáng)調(diào)制方式,反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等,2.光纖在傳感器中的作用,內(nèi)調(diào)型,外調(diào)型,（傳光型或非功能型）,（傳感型或功能型）,4.4光模式強(qiáng)度調(diào)制,傳感頭：多模光纖,透射式振動、位移等,缺點(diǎn)：需要精密機(jī)械調(diào)整和固定裝置,反射式,無需精密調(diào)整裝置,機(jī)理：芯模,類型：,傳感頭：多模光纖機(jī)理：芯模包層模類型：光模式強(qiáng)度調(diào)制,最小可測位移：0.01nm；動態(tài)范圍：110dB可測壓力、水聲等,光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?,微彎光纖壓力傳感器,原來光束以大于臨界角C的角度1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處2T1時(shí)，n1n2，光傳輸條件被破壞，不能發(fā)生全反射，損耗增大，產(chǎn)生報(bào)警信號；,傳輸波損耗變化型,特點(diǎn)：電絕緣性好、防爆性強(qiáng)、抗電磁干擾等。,應(yīng)用：大型電機(jī)、液化天然氣及火警等報(bào)警系統(tǒng)。,折射率強(qiáng)度調(diào)制,利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；,漸逝波耦合度變化型,若使?jié)u逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過間隙，使反射光減弱，這一過程稱為受抑全反射。,當(dāng)光在纖芯和包層分界面處發(fā)生全反射時(shí)，在光疏介質(zhì)中仍存在電磁場，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，透射深度一般約為幾個(gè)波長，這種現(xiàn)象稱為漸逝場。,漸逝波耦合度變化型,原理：利用受抑全反射原理，當(dāng)包層完全或部分去掉的兩根單?；蚨嗄９饫w相互靠近一定距離時(shí)，光將能從一根光纖耦合進(jìn)另一根光纖中去，構(gòu)成漸逝波耦合度光纖傳感器。,應(yīng)用：水聽器、光掃描隧道顯微鏡,折射率強(qiáng)度調(diào)制,利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；,光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變型,原理：利用光纖（或其他光學(xué)元件如棱鏡）的反射端面的反射系數(shù)隨被測參數(shù)變化而達(dá)到調(diào)制光強(qiáng)的目的。,臨界角強(qiáng)度調(diào)制,臨界角強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器,調(diào)制機(jī)理：,由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束器偏轉(zhuǎn)到到光電探測器;,光纖右端有兩個(gè)相互搭接的反射面，其中底面為全反射面（鍍膜而成），斜面反射面與折射率為n3的介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時(shí)能夠部分地透射到的介質(zhì)中去;,光波在入射平面上的光強(qiáng)分配由菲涅爾公式描述,式中，R為平行偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)，R為垂直偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)；n=n3n1，為入射光波在界面上的入射角。,當(dāng)光波以大于臨界角的角入射到n1、n3介質(zhì)的界面上時(shí)，光全部被反射回探測器；若n3介質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起n3微小變化，則會導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的改變。,應(yīng)用：溫度或壓力傳感器。,強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的分類,1.光強(qiáng)調(diào)制方式,反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等,2.光纖在傳感器中的作用,內(nèi)調(diào)型,外調(diào)型,（傳光型或非功能型）,（傳感型或功能型）,4.6光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制,利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,原理：輻射引起光纖吸收損耗增加，輸出功率下降敏感源：x射線、射線、中子射線,特點(diǎn)：靈敏度高、線性范圍大、有記憶性,利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,應(yīng)用：,改變光纖材料成分可對不同的射線進(jìn)行測量。例如鉛玻璃光纖對X、射線和中子射線特別靈敏，并且這種材料的光纖在小劑量射線照射時(shí)，具有較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。,既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測，也可用于核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān)測。,利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,發(fā)生本征吸收的條件：,半導(dǎo)體的本征吸收：當(dāng)一束光經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)，低于某波長的光被半導(dǎo)體吸收而高于該波長將透過半導(dǎo)體。,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即：,工作原理：當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測溫度變化。,半導(dǎo)體透射測量原理,半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長g隨溫度的上升而增大。,4.7強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的補(bǔ)償技術(shù),由于采用光強(qiáng)信號變化作為信息的載體，反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器不可避免地要受光源功率波動、光纖傳輸損耗變化、光電探測器的特性漂移以及環(huán)境雜散光等因素的影響。所以，要想獲得高精度和高穩(wěn)定性的測量，必須采取有效措施克服這些因素對測量的影響。,基本思想：通過參考光路引進(jìn)參考信號，以補(bǔ)償非傳感因素引起的光強(qiáng)變化。,1.雙波長補(bǔ)償法,基本思想：在傳感器中采用不同波長的兩個(gè)光源，這兩個(gè)波長不同的光信號在傳感頭中受到不同的調(diào)制，對它進(jìn)行一定的信號處理，就可達(dá)到系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?1.雙波長補(bǔ)償法,由光源S1和S2分別發(fā)出波長為1和2的單色光，并在傳感頭SH處受到不同調(diào)制，再由探測器D1和探測器D2接收。,雙波長補(bǔ)償法光路圖,1.雙波長補(bǔ)償法,設(shè)D1接受光強(qiáng)信號為I1，D2接受光強(qiáng)信號為I2，則,S為光源輸出功率，L為光纖透過率，M為傳感頭對光信號的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)，D為探測器的靈敏度。,1.雙波長補(bǔ)償法,設(shè)D1接受光強(qiáng)信號為I1，D2接受光強(qiáng)信號為I2，則,補(bǔ)償后的輸出為,優(yōu)點(diǎn)：消除了光纖傳輸損耗對測量結(jié)果的影響；不足：無法消除光源波動和探測器特性漂移的影響,1.雙波長補(bǔ)償法改進(jìn)型,目的：為了消除光源波動和探測器特性漂移的影響基本思想：在光源S和傳感頭SH之間增加了一個(gè)X形光纖耦合器C，以便監(jiān)測光源功率的波動起伏，再用分時(shí)的方法監(jiān)測S1和S2的信號。,1.雙波長補(bǔ)償法改進(jìn)型,四個(gè)探測信號,C1、C2為X形光纖耦合器分別對波長1和2的透過率,1.雙波長補(bǔ)償法改進(jìn)型,四個(gè)探測信號,補(bǔ)償后的輸出為,優(yōu)點(diǎn)：,可消除光源功率波動、光纖傳輸損耗變化、光電探測器的特性漂移等影響因素引起的誤差，輸出信號由強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)M唯一決定；,1.雙波長補(bǔ)償法改進(jìn)型,四個(gè)