强度调制机理光纤传感器基本原理

一、强度调制机理
反射型光强外调制示意图
调制信号
输入光纤 2r a 2d
输入光纤的镜像
输入光纤
输出光纤
d
a
输出光纤
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
反射型光强外调制示意图
输入光纤 2r a
输入光纤
输入光纤的镜像
输出光纤
d
a
输出光纤
第五章 光纤传感器基本原理
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
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.
N.A＝sin
第五章 光纤传感器基本原理
第五章 光纤传感器基本原理
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
R r 2Td
输入光纤
a
输出光纤
R
2d
2r
a 2r 当R 3r a，即 d 时进入输出光纤的光功 率达到最大。 2T
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
检
测
范
围
a 当距离 d 时，两光纤的 2T
因此最大检测范围：
r d T
第五章 光纤传感器基本原理
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 。
交叠面积
r
第五章 光纤传感器基本原理
直边模型近似
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：
吸收系数强度调制
光模式强度调制
第五章 光纤传感器基本原理
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。
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制光纤传感器的基本原理
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。
Ii
被 测 信 号
S
光探 测器
强度调制区
iD
Io
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
强度调制的特点：简单、可靠、经济 反射式强度调制
强 度 调 制 方 式
透射式强度调制
折射率强度调制
r F 2dT
光纤传感技术
Optical fiber sensors
第 五 章 opticalfibersensors 光纤传感器基本原理
Fundamental of Optical Fiber Sensor
第五章 光纤传感器基本原理
内
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
第五章 光纤传感器基本原理
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。
第五章 光纤传感器基本原理
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
耦合为零，无反射光进入输
出光纤；
a 2r d 当 2T 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
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
即检测位移的范围：
a a 2r 在 d 和 之间 2T 2T
令：T tg (sin1 N. A.)
输入光纤
N.A＝sin
a
输出光纤
R
2d
2r
R r 2Td
返回
第五章 光纤传感器基本原理
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
令：T tg (sin1 N. A.)
输入光纤
a
输出光纤
R
2d
2r
R r 2Td
a 当R r a，即 d 时进入输出光纤的光功 率为零。 2T
r

r
模型
1 1 1 （ ） cos 1 1 sin cos 1 r p r r r

式中 为交叠面积的高，由 d 决定：
第五章 光纤传感器基本原理
2dT a
传感型
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。
传光型
第五章 光纤传感器基本原理
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 F 2dT r
2
交叠面积
r
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
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。 Fmax=6.62%(计算结果)
光源 传输光纤
被 测 参 数
调制区或 调制区 传感区
光强、波长、频率、 相位、偏振态等发 生变化
信号检测 与处理
光电 探测 器
第五章 光纤传感器基本原理
光纤传感器分类
传 光 型
只“传”不 “感” 按光纤在传 感器中作用
传 感 型
“传”“感” 合一
第五章 光纤传感器基本原理
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。