第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器2

1、反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制 透射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制 光模式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 光吸收系數(shù)強度光吸收系數(shù)強度 調(diào)制等調(diào)制等 內(nèi)調(diào)型內(nèi)調(diào)型 外調(diào)型外調(diào)型 （傳光型或非功能型）（傳光型或非功能型） （傳感型或功能型）（傳感型或功能型） 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.3 透射式強度調(diào)制 調(diào)制原理：調(diào)制原理：遮光遮光 調(diào)制方法調(diào)制方法 光強調(diào)制特性曲線光強調(diào)制特性曲線 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.3 透射式強度調(diào)制 通常發(fā)送光纖不動，通常發(fā)送光纖不動， 而而接收光纖接收光纖可以作可以作橫向橫向 位移、縱向位移或轉(zhuǎn)動位移、縱向位移或轉(zhuǎn)動, , 實現(xiàn)實現(xiàn)對發(fā)射

2、光纖與接受對發(fā)射光纖與接受 光纖之間光纖之間偶和效率的調(diào)偶和效率的調(diào) 制制，改變光電探測器所，改變光電探測器所 接受的光強度，從而實接受的光強度，從而實 現(xiàn)對位移現(xiàn)對位移( (或角位移或角位移) )、 壓力、振動、溫度等物壓力、振動、溫度等物 理量的測量。理量的測量。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.3 透射式強度調(diào)制 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 不足：不足：靈敏度低、動態(tài)范圍小靈敏度低、動態(tài)范圍小 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 在發(fā)送光纖和接收光纖之間加入一定形式的受待在發(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，對進入接

3、收光纖的光束產(chǎn)測量控制的可動光閘，對進入接收光纖的光束產(chǎn) 生一定程度的遮擋，產(chǎn)生光強度調(diào)制，進而實現(xiàn)生一定程度的遮擋，產(chǎn)生光強度調(diào)制，進而實現(xiàn) 測量。測量。 n組成組成 n光閘形式光閘形式 n調(diào)制原理調(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、待測固體材料、液體、遮光片、光柵、碼盤、待測 物體本身等。物體本身等。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 a. 帶透鏡結(jié)構(gòu)帶透鏡結(jié)構(gòu) b. 不

4、帶透鏡結(jié)構(gòu)不帶透鏡結(jié)構(gòu) 不用透鏡的兩光不用透鏡的兩光 纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié)纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié) 構(gòu)雖然簡單。只是接構(gòu)雖然簡單。只是接 收光纖端面只占發(fā)射收光纖端面只占發(fā)射 光纖發(fā)出的光錐底面光纖發(fā)出的光錐底面 的一部分，使光耦合的一部分，使光耦合 系數(shù)減小，靈敏度也系數(shù)減小，靈敏度也 降低一個數(shù)量級降低一個數(shù)量級。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 遮光屏是由等寬度、交替排列的透明區(qū)和非透明區(qū)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

5、期內(nèi)，光的透過率，動光柵。在此遮光屏的空間周期內(nèi)，光的透過率， 從從50(兩屏完全重疊兩屏完全重疊)變到零變到零(兩屏完全交疊兩屏完全交疊)。 光柵遮光屏透射式強度調(diào)制原理光柵遮光屏透射式強度調(diào)制原理 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強度在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強度 是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間 距的距的10-6數(shù)量級以內(nèi)，是構(gòu)成高靈敏度、簡單、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)?？煽康奈灰苽鞲衅鞯幕A(chǔ)。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4

6、 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：Lambert-Beer（郎伯（郎伯-比爾比爾 ）定律）定律 式中，式中，I為光強，為光強， 為摩爾分子吸收系數(shù)，為摩爾分子吸收系數(shù)，C為氣體濃度，為氣體濃度， L光和氣體的作用長度。光和氣體的作用長度。 0 expIILC 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型

7、光纖傳感器 接收接收光源光源 遮遮 光光 板板 雙金雙金 屬片屬片 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 移動球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器移動球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器 光強為光強為I0的光束的光束,通過發(fā)送光纖通過發(fā)送光纖 照射到球鏡上照射到球鏡上。球透鏡把光束球透鏡把光束 聚集列兩個接收光纖的端面上。聚集列兩個接收光纖的端面上。 當(dāng)球透鏡在平衡位置時，從兩當(dāng)球透鏡在平衡位置時，從兩 個接收光纖得到的光強個接收光纖得到的光強I1和和I2 是相同的；是相同的； 如果球透鏡在垂直于光路的方如果球透鏡在垂直于光路的方 向上產(chǎn)生微小位移時，在兩個向上產(chǎn)生微小位移時，在兩個 接

8、收光纖上得到的光強接收光纖上得到的光強I1和和I2 將發(fā)生變化。光強比值將發(fā)生變化。光強比值I1/I2 的的 對數(shù)值與球透鏡位移對數(shù)值與球透鏡位移x呈線性呈線性 關(guān)系，但與初始光強無關(guān)。關(guān)系，但與初始光強無關(guān)。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 遮斷型遮斷型 被記數(shù)工件隨傳送帶被記數(shù)工件隨傳送帶 移動，一個工件從光移動，一個工件從光 纖斷開處通過時，擋纖斷開處通過時，擋 光一次，在光纖輸出光一次，在光纖輸出 端得到一個光脈沖，端得到一個光脈沖， 用記數(shù)電路和顯示裝用記數(shù)電路和顯示裝 肖將通過光纖的工件肖將通過光纖的工件 數(shù)顯示出來。數(shù)顯示出來。 第

9、四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 采 用 遮采 用 遮 斷型光纖光斷型光纖光 電開關(guān)對電開關(guān)對IC 芯片引腳進芯片引腳進 行檢測行檢測 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 轉(zhuǎn)動的金屬盤轉(zhuǎn)動的金屬盤 上穿有透光孔。上穿有透光孔。 當(dāng)孔與光纖對當(dāng)孔與光纖對 齊時，在光纖齊時，

10、在光纖 輸出端就有光輸出端就有光 脈沖輸出，這脈沖輸出，這 是通過孔位的是通過孔位的 變化對光強進變化對光強進 行調(diào)制。行調(diào)制。 編碼盤裝置編碼盤裝置 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜诶盟y柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜?對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。 浸液浸液 自聚自聚 透鏡透鏡 光纖光纖 水銀水銀 水銀式光纖溫度開關(guān)水銀式光纖溫度開關(guān) 反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制 透射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制 光模式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制

11、光吸收系數(shù)強度光吸收系數(shù)強度 調(diào)制等調(diào)制等 內(nèi)調(diào)型內(nèi)調(diào)型 外調(diào)型外調(diào)型 （傳光型或非功能型）（傳光型或非功能型） （傳感型或功能型）（傳感型或功能型） 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 傳感頭傳感頭：多模光纖：多模光纖 u透射式透射式 振動振動 、位移等、位移等 u反射式反射式 機機 理：理：芯模芯模 類類 型：型： 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 傳感頭傳感頭：多模光纖：多模光纖 機理：機理：芯模芯模 包層模包層模 類型類型：光模式強度調(diào)制：光模式強度調(diào)制 u最小可測位移：最小可測位移：0.01nm

12、0.01nm；動態(tài)范圍：；動態(tài)范圍：110dB110dB u可測壓力、水聲等可測壓力、水聲等 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 傳播常數(shù)傳播常數(shù)是描述光纖中各模式傳輸特性的重要是描述光纖中各模式傳輸特性的重要 參數(shù)，參數(shù)，決定決定光纖中各模式的光纖中各模式的傳輸或截止傳輸或截止。 1020 nknk 當(dāng)當(dāng) 時，包層中的電磁場不再衰減，而成時，包層中的電磁場不再衰減，而成 為振蕩函數(shù)，這時傳導(dǎo)模已不能集中于光纖纖芯中傳為振蕩函數(shù)，這時傳導(dǎo)模已不能集中于光纖纖芯中傳 播，即傳導(dǎo)模截止，此時的模式稱為輻射模。播，即傳導(dǎo)模截止，此時的模式稱為輻射模。 光纖

13、中傳輸?shù)男畔⑹怯蓚鲗?dǎo)模傳送的。傳導(dǎo)模的光纖中傳輸?shù)男畔⑹怯蓚鲗?dǎo)模傳送的。傳導(dǎo)模的 傳播常數(shù)是限制在纖芯到包層之間的，即傳播常數(shù)是限制在纖芯到包層之間的，即 cos 2 cos 1 0 1 nkn 02 k n 02 k n 當(dāng)當(dāng) 時，傳導(dǎo)模處于臨界截止?fàn)顟B(tài)，光線時，傳導(dǎo)模處于臨界截止?fàn)顟B(tài)，光線 在纖芯和包層的界面掠射。在纖芯和包層的界面掠射。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 根據(jù)光纖的根據(jù)光纖的模式耦合模式耦合理論，當(dāng)光纖在軸理論，當(dāng)光纖在軸 向上發(fā)生向上發(fā)生周期性微彎時周期性微彎時，光纖中的部分光會，光纖中的部分光會 折射到包層中去，折射到包層

14、中去，全反射被破壞全反射被破壞，即部分，即部分導(dǎo)導(dǎo) 波模會轉(zhuǎn)化為輻射模波模會轉(zhuǎn)化為輻射模，能量由纖芯轉(zhuǎn)移到包，能量由纖芯轉(zhuǎn)移到包 層中，層中，產(chǎn)生微彎損耗產(chǎn)生微彎損耗。因此，通過測量纖芯。因此，通過測量纖芯 （亮場）或包層（暗場）中光的能量變化就（亮場）或包層（暗場）中光的能量變化就 可以可以測量如應(yīng)力、重量、加速度和應(yīng)變等物測量如應(yīng)力、重量、加速度和應(yīng)變等物 理量理量。也可以兩場同時探測（相比）來補償。也可以兩場同時探測（相比）來補償 光源漂移的影響。光源漂移的影響。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強

15、度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 機械一光學(xué)轉(zhuǎn)換效應(yīng)使得所需部件少，設(shè)備簡單，造機械一光學(xué)轉(zhuǎn)換效應(yīng)使得所需部件少，設(shè)備簡單，造 價低，便于分布式沿線測量；價低，便于分布式沿線測量； 容易機械裝配，不需要將光纖連接到其它部件中，從容易機械裝配，不需要將光纖連接到其它部件中，從 而避免了差熱膨脹問題；而避免了差熱膨脹問題； 具有較高的可靠性和安全性；具有較高的

16、可靠性和安全性； 由于光纖的光路是完全封閉的，更適合在高溫高壓、由于光纖的光路是完全封閉的，更適合在高溫高壓、 易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)等惡劣環(huán)境下進行測量。易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)等惡劣環(huán)境下進行測量。 光模式強度調(diào)制的獨特優(yōu)點：光模式強度調(diào)制的獨特優(yōu)點： 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：多模光纖被繞制于開有縱向槽且?guī)в新菁y的多模光纖被繞制于開有縱向槽且?guī)в新菁y的 鋁管螺紋內(nèi)鋁管螺紋內(nèi) 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 在工程結(jié)構(gòu)或部件的制造過程中，在其內(nèi)部關(guān)在工程結(jié)構(gòu)或部件的制造過程中，在其內(nèi)

17、部關(guān) 鍵部位埋人光纖陣列，對材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)鍵部位埋人光纖陣列，對材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng) 變等物理狀態(tài)及由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂變等物理狀態(tài)及由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂 紋、蠕變、層解等進行實行監(jiān)測。紋、蠕變、層解等進行實行監(jiān)測。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.

18、4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 當(dāng)腐蝕傳感器處于腐蝕介質(zhì)中時，腐蝕當(dāng)腐蝕傳感器處于腐蝕介質(zhì)中時，腐蝕“保險保險 絲絲”會生銹變細而斷裂，此時彎曲光纖的曲率將變會生銹變細而斷裂，此時彎曲光纖的曲率將變 小甚至為零，通過光纖的光能量會迅速增加。小甚至為零，通過光纖的光能量會迅速增加。 基本原理基本原理: : 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.4 光模式強度調(diào)制第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器 反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制 透射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制 光模式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 光吸收系數(shù)強度光吸收系數(shù)強度 調(diào)制等調(diào)制等 內(nèi)調(diào)型內(nèi)調(diào)型 外調(diào)型外調(diào)型 （傳光

19、型或非功能型）（傳光型或非功能型） （傳感型或功能型）（傳感型或功能型） 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 物理量引起光纖折射率的變化實現(xiàn)光強調(diào)制的方式物理量引起光纖折射率的變化實現(xiàn)光強調(diào)制的方式 分類：分類： p利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強 度調(diào)制；度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的 強度調(diào)制；強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射系數(shù)改利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射系數(shù)改 變的透射光強調(diào)制；變的透射光強調(diào)制；

20、 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 p利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變 化的強度調(diào)制；化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度 變化的強度調(diào)制；變化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射 系數(shù)改變的透射光強調(diào)制；系數(shù)改變的透射光強調(diào)制； 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 傳輸波損耗變化型傳輸波損耗變化型 一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù) 不同。在溫

21、度恒定時，包層折射率不同。在溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折與纖芯折 射率射率n1之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時，之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時， n2 、 n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損 耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基耗。因此，以某一溫度時接收到的光強為基 準準,根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 傳輸波損耗變化型傳輸波損耗變化型 當(dāng)當(dāng)Tn2，光在光纖中傳輸；，光在光纖中傳輸； 當(dāng)當(dāng)TT1時，時，n1n2，光傳輸條件被破壞，不能發(fā)生，光傳輸條件被破

22、壞，不能發(fā)生 全反射，損耗增大，產(chǎn)生報警信號；全反射，損耗增大，產(chǎn)生報警信號； 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 傳輸波損耗變化型傳輸波損耗變化型 特點：特點： 電絕緣性好、防爆性強、抗電磁干擾等。電絕緣性好、防爆性強、抗電磁干擾等。 應(yīng)用：應(yīng)用： 大型電機、液化天然氣及火警等報警系統(tǒng)。大型電機、液化天然氣及火警等報警系統(tǒng)。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 p利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變 化的強度調(diào)制；化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度利用光纖折射率的變化引起

23、漸逝波耦合度 變化的強度調(diào)制；變化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射 系數(shù)改變的透射光強調(diào)制；系數(shù)改變的透射光強調(diào)制； 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 漸逝波耦合度變化型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，這一過程稱為能穿過間隙，使反射光減弱，這一過程稱為受抑全受抑全 反射反射。 當(dāng)光在纖芯和包層分界面處發(fā)生全反射時，在當(dāng)光在纖芯和包層分

24、界面處發(fā)生全反射時，在 光疏介質(zhì)中仍存在光疏介質(zhì)中仍存在電磁場電磁場，其，其強度按指數(shù)規(guī)律迅速強度按指數(shù)規(guī)律迅速 衰減衰減，透射深度透射深度一般約為一般約為幾個波長幾個波長，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為 漸逝場漸逝場。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 漸逝波耦合度變化型漸逝波耦合度變化型 原理：原理：利用受抑全反射原理，當(dāng)包層完全或部分去掉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，光將能的兩根單?；蚨嗄９饫w相互靠近一定距離時，光將能 從一根光纖耦合進另一根光纖中去，構(gòu)成漸逝波耦合從一根光纖耦合進另一根光纖中去，構(gòu)成漸逝波耦合 度光纖

25、傳感器。度光纖傳感器。 應(yīng)用：應(yīng)用：水聽器、光掃描隧道顯微鏡水聽器、光掃描隧道顯微鏡 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 p利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變 化的強度調(diào)制；化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度 變化的強度調(diào)制；變化的強度調(diào)制； p利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射利用光纖折射率的變化引起光纖光強反射 系數(shù)改變的透射光強調(diào)制；系數(shù)改變的透射光強調(diào)制； 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 p 光纖光強反射系數(shù)改變型光纖光強反射

26、系數(shù)改變型 原理：利用光纖（或其他光學(xué)元件如棱鏡）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)變化而的反射端面的反射系數(shù)隨被測參數(shù)變化而 達到調(diào)制光強的目的。達到調(diào)制光強的目的。 光源光源 探測器探測器信號處理信號處理 調(diào)制器調(diào)制器 臨界角強度調(diào)制臨界角強度調(diào)制 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 全反射面全反射面 1 n 2 n 3 n 臨界角強度調(diào)制型光纖傳感器臨界角強度調(diào)制型光纖傳感器 調(diào)制機理：調(diào)制機理： 由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束 器偏轉(zhuǎn)到到光電探測器器偏轉(zhuǎn)到到光電探測器; 第四章

27、 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 光纖右端有兩個相互搭接的反射面，其中底面為全光纖右端有兩個相互搭接的反射面，其中底面為全 反射面（鍍膜而成），斜面反射面與折射率為的介反射面（鍍膜而成），斜面反射面與折射率為的介 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能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射 面時能夠部分地透射到的介質(zhì)中去面時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分配由光波在入射平面上的光強分配由 菲涅爾公式描述菲涅爾公式描述 2 1 222 1 22 2 cossin

28、 cos(sin) n R n 2 1 2222 1 222 2 cossin cos(sin) nn R nn 式中，式中，R 為平行偏振方向的強度反射系數(shù)， 為平行偏振方向的強度反射系數(shù)，R 為垂 為垂 直偏振方向的強度反射系數(shù)；直偏振方向的強度反射系數(shù)；n=n3n1 ，為入射光為入射光 波在界面上的入射角。波在界面上的入射角。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.5 折射率強度調(diào)制 當(dāng)光波以大于臨界角（當(dāng)光波以大于臨界角（ ） 的角入射到的角入射到n1、n3介質(zhì)的界面上時，若介質(zhì)的界面上時，若n3介介 質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起n3微小變化，微小變化， 則會導(dǎo)致反射

29、系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光則會導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光 強的改變。強的改變。 31 arcsinarcsin c nnn 應(yīng)用應(yīng)用：溫度或壓力傳感器。：溫度或壓力傳感器。 反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制 透射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制 光模式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制 折射率強度調(diào)制折射率強度調(diào)制 光吸收系數(shù)強度光吸收系數(shù)強度 調(diào)制調(diào)制等等 內(nèi)調(diào)型內(nèi)調(diào)型 外調(diào)型外調(diào)型 （傳光型或非功能型）（傳光型或非功能型） （傳感型或功能型）（傳感型或功能型） 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.6 光吸收系數(shù)強度調(diào)制 n 利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制 原理：原理：輻射引起光纖

30、吸收損耗增加，輸出功率下降輻射引起光纖吸收損耗增加，輸出功率下降 敏感源：敏感源：x 射線射線 、 射線射線 、 中子射線中子射線 特點：特點：靈敏度高靈敏度高 、 線性范圍大、有線性范圍大、有 記憶記憶 性性 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.6 光吸收系數(shù)強度調(diào)制 n 利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制 應(yīng)用：應(yīng)用： 改變光纖材料成分可對不同的射線進行測量。改變光纖材料成分可對不同的射線進行測量。 例如鉛玻璃光纖對例如鉛玻璃光纖對X、射線和中子射線特別靈敏，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，具有并且這種材料的光纖在小劑量射線照射時，具有

31、 較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。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)于核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān) 測。測。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.6 光吸收系數(shù)強度調(diào)制 n 利用半導(dǎo)體的吸收特性進行強度調(diào)制利用半導(dǎo)體的吸收特性進行強度調(diào)制 發(fā)生本征吸收的條件：發(fā)生本征吸收的條件： gg g hc hE E 產(chǎn)生本征吸收的條件 半導(dǎo)體的本征吸收：半導(dǎo)體的本征吸收：當(dāng)一束光經(jīng)過半導(dǎo)體時，低當(dāng)一束光經(jīng)過半導(dǎo)體時，低 于某波長于某波長 的光被半導(dǎo)體吸收而高于該波長將透

32、過的光被半導(dǎo)體吸收而高于該波長將透過 半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。 g 稱為稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長半導(dǎo)體的本征吸收波長 g 光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即：，即： 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.6 光吸收系數(shù)強度調(diào)制 g t 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 由于采用光強信號變化作為信息的載體，反射由于采用光強信號變化作為信息的載體，反射 式強度調(diào)制光纖傳感器不可避免地要受光源功率波式強度調(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

33、光等因素的影響。所以，要想獲得高精及環(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。因素對測量的影響。 基本思想：通過參考光路引進參考信號，基本思想：通過參考光路引進參考信號， 以補償非傳感因素引起的光強變化。以補償非傳感因素引起的光強變化。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法 基本思想基本思想：在傳感器中采用不同波長的兩：在傳感器中采用不同波長的兩 個光源，這兩個波長不同的光信號在傳感個光源，這兩個波長不同的光信號在傳感

34、 頭中受到不同的調(diào)制，對它進行一定的信頭中受到不同的調(diào)制，對它進行一定的信 號處理，就可達到系統(tǒng)補償?shù)哪康摹Ｌ柼幚?，就可達到系統(tǒng)補償?shù)哪康摹?第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法 由光源由光源S1和和S2分別發(fā)出波長為分別發(fā)出波長為1和和2的單色光，并的單色光，并 在傳感頭在傳感頭SH處受到不同調(diào)制，再由探測器處受到不同調(diào)制，再由探測器D1和探和探 測器測器D2接收。接收。 雙波長補償法光路圖雙波長補償法光路圖 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法 設(shè)設(shè)D1接

35、受光強信號為接受光強信號為I1， D2接受光強信號為接受光強信號為I2，則，則 111121 IS L M L D 221222 IS L M L D S為光源輸出功率，為光源輸出功率，L為光纖透過率，為光纖透過率，M為傳感頭對為傳感頭對 光信號的強度調(diào)制函數(shù)光信號的強度調(diào)制函數(shù) ，D為探測器的靈敏度。為探測器的靈敏度。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法 設(shè)設(shè)D1接受光強信號為接受光強信號為I1， D2接受光強信號為接受光強信號為I2，則，則 111121 IS L M L D 221222 IS L M L D 222

36、111 S D M R S D M 補償后的輸出為補償后的輸出為 優(yōu)點：優(yōu)點：消除了光纖傳輸損耗對測量結(jié)果的影響；消除了光纖傳輸損耗對測量結(jié)果的影響； 不足：不足：無法消除光源波動和探測器特性漂移的影響無法消除光源波動和探測器特性漂移的影響 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法改進型改進型 目的：目的：為了消除光源波動和探測器特性漂移的影響為了消除光源波動和探測器特性漂移的影響 基本思想基本思想：在光源：在光源S S和傳感頭和傳感頭SHSH之間增加了一個之間增加了一個X X形形 光纖耦合器光纖耦合器C C，以便監(jiān)測光源功率的波動起伏，再用，以便監(jiān)測光源功率的波動起伏，再用 分時的方法監(jiān)測分時的方法監(jiān)測S1S1和和S2S2的信號。的信號。 第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器4.7 強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù) 1. 1. 雙波長補償法雙波長補償法改進型改進型 四個探測信號四個探