强度调制机理光纤传感器基本原理
光纤传感器的原理是
光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。
它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用，通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。
光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点，广泛应用于工业、生活、医疗等领域。
一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。
通常，光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。
光源产生光信号后，通过光纤传输至检测元件，光信号在物理量作用下发生变化，最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。
二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。
1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。
它通过将光信号分为两个相干波束，一个作为参考光束，另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。
当外界物理量作用于光束时，光的相位和振幅会发生变化，通过测量干涉光信号的强度或相位差，获得物理量的信息。
2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。
它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。
光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种，其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响，非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。
通过测量散射光信号的强度、频谱等特性，可以获取物理量的信息。
3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。
它通过在光纤中引入吸收介质，当外界物理量作用于吸收介质时，吸收介质中的光吸收发生变化。
通过测量光的强度变化，可以获得物理量的信息。
三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。
1. 工业领域在工业自动化控制中，光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。
通过光纤传感器的应用，可以实现高精度、实时的物理量检测和测量，从而提高生产效率、保证产品质量。
2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用，如煤气检测、火灾报警、安全防范等。
无损检测技术中的光纤传感器原理及应用
无损检测技术中的光纤传感器原理及应用光纤传感器是一种基于光纤材料制造的传感器，利用光的特性对物理量进行测量。
在无损检测技术中，光纤传感器具有很高的应用价值。
本文将介绍光纤传感器的原理，以及其在无损检测技术中的应用。
光纤传感器的原理主要基于光的传输和调制。
光纤传感器一般由光源、传输光纤和光检测器组成。
光源通过光纤传输光信号，经过光检测器获得信号后进行处理和分析，从而实现对被测物理量的测量。
光纤传感器根据其测量原理可以分为光强型传感器、干涉型传感器和光时延型传感器等。
光强型传感器是利用光信号强度的变化来判断被测量的物理量变化。
例如，在材料应力检测中，应用光纤传感器可以通过检测材料的变形程度来判断材料的应力情况。
当被测物体产生变形时，光纤传感器的光强度会发生变化，进而通过检测和分析光强度的变化来计算出应力值。
干涉型传感器基于光的干涉原理来实现物理量的测量。
例如，在温度检测中，通过利用光纤两路光波的干涉效应来测量温度变化。
被测温度变化会使光纤长度产生微小变化，进而导致干涉光波的相位差变化。
通过检测光波的相位差变化，可以计算出被测温度的值。
光时延型传感器则基于光信号传输的时间延迟来实现物理量的测量。
例如，在液位检测中，利用光信号在液体中传输速度较慢的特性，可以通过检测光信号在液体中的传输时间来计算出液体的高度。
光纤传感器在无损检测技术中有着广泛的应用。
一方面，光纤传感器能够实现对物理量的高精度测量，具有较高的灵敏度和准确性。
另一方面，光纤传感器具有体积小、不受电磁干扰、耐腐蚀等特点，使其在工业领域中的应用优势得到充分发挥。
在材料的无损检测中，光纤传感器可以应用于材料的应力、温度以及液位等参数的检测。
例如，在航空航天领域中，光纤传感器可以被嵌入到飞机结构中，实时监测应力分布与变化情况，从而保证飞行安全。
在化工行业，光纤传感器可以用于检测管道中液体的流速和液位，及时发现问题并进行处理。
此外，光纤传感器还可以应用于激光加工、生物医学等领域中，并取得了良好的效果。
2-1 强度调制型光纤传感器的原理
强度调制型光纤传感器原理《光纤传感技术》强度调制传感机理υ特点：简单，经济，可靠υ缺点：精度低入射光波出射光波I 1t I s t 强度调制区I D tI o t 信号信号强度调制方式υ反射式υ透射式υ光模式耦合υ折射率υ光吸收系数1. 反射式强度调制原理υ非功能型υ原理d < a/2T → a >2dT , 耦合至输出光纤的功率=0d > (a+2r)/2T → a <2dT-2r, 耦合系数=（r/2dT )2；a/2T ≤ d≤ (a+2r)/2T, 由重叠部分的面积确定a R R=r+2dTrδad 可移动反射镜Out In T=tg （sin -1NA)=a/2d 源光纤的像2d 2012P r F P r dT δα⎛⎫⎛⎫==⋅ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭1.1 反射式强度调制位移传感【例】已知：阶跃光纤F-d 曲线，2r ＝200μm ，NA ＝0.5，间距 a ＝100 μm, 则F 随d 变化速率0.005％/ μm问：系统分辨率10-7 ?(位移）A 20040050耦合效率/%反射位置600d=320μm 7.2%的效率Fd1.2 反射式光纤传感单元类型x x I TxI T 传光束型双光纤型单光纤型2. 透射式强度调制υ调制原理：遮光υ调制方法：芯径金属包层xD 入射光出射光发射光纤接收光纤-0.5D 0.51.00xI 0.5D -0.9D 0.9D 调制区域动纤式、遮光屏、吸收材料…2.1 透射强度调制类型υ光纤→光纤直接耦合：灵敏度低、动态范围小υ光纤→光纤透镜耦合：F 与反射式计算相同υ光栅遮光屏： 灵敏、简单、可靠dT d发射光纤接收光纤可移动遮光屏r δ发射光纤接收光纤透镜透镜移动光栅3. 光模式-受抑全内反射传感器υ传感头-多模光纤υ机理-芯模 包层模υ类型：υ透射式– 振动、位移υ缺点：需要精密机械调整和固定装置υ反射式υ无需精密调整装置υ应用：浓度、气/液二相流、温度等纤芯θ全内反射角位移x 固定光纤可动光纤入射光输出光3.1 光模式-微弯传感器υ传感头：多模光纤υ机理：芯模 包层模υ应用：压力、水声变形器光纤最小可测位移：0.01nm 动态范围：110dB4. 折射率υ光纤折射率变化型υ纤芯与包层折射率温度系数不同 测温υ主要应用：温度报警υ倏逝波耦合型υ边抛热敏光纤υMPDυ反射系数型—受抑全内反射型n2n3n15. 光吸收系数-辐射传感器υ光纤吸收特性υ辐射 吸收损耗增加，输出功率下降υ敏感源：x射线、γ射线、中子射线光纤υ特点：灵敏度高、线性范围大、有‘记忆’性（pp.58 图2-14）。
光纤传感器基本原理1
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
(2)温度应变效应
若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和 长度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
(3)反射系数型
光波在入射界面上的光强分配由菲涅尔公式描述，界面强度 反射系数由菲涅尔反射公式给出
由反射系数的菲涅尔公式知道， 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时，若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变，相应会引起反射系数的变 化，从而导致反射光强的改变，利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
二、强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理是待测物理量引起 光纤中的传输光光强变化。通过检测光强的变化实现对 待测量的测量，其原理如下图所示。
Pi Pi
P0 P0
强度调制方式很多，大致可分为以下几种:反射式强度 调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸 收系数强度调制等等。一般透射式、反射式和折射率强度 调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
(1)光纤折射率变化型
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n2与纤芯折射率n1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。
(2)渐逝波耦合型
通常，渐逝波在光疏媒质中深入距离有几个波长时．能量就 可以忽略不计了。如果采用一种办法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 就能穿过间隙，这一过程称为受抑全反射。
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。
光纤传感器的测量原理有两种。
(1) 物性型光纤传感器原理
物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等转变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，假如能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束集中为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
图1 物性型光纤传感器工作原理示意图
(2) 结构型光纤传感器原理
结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。
图2 结构型光纤传感器工作原理示意图
(3) 拾光型光纤传感器原理
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。
其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。
图3 拾光型光纤传感器工作原理示意图。
光纤传感器的调制原理
传感器之家
光纤传感器的调制原理
随着光纤和光通信技术的发展，光纤传感器也应运而生。
光纤传感器是以光纤为基础，感测外界物理量变化的一种传感技术。
由于光在传播过程中，由于温度、压力、电磁场等的影响下，其振幅、相位、波长等会发生变化，从而构成强度、波长等的调制，基于这一原理，制造出各种不同的光纤传感器。
下面简要说下这几种调制原理。
一、强度调制。
它是利用测试信号的变化来改变光纤中光的强度，然后通过解调来实现对被测量的测量。
影响光强变化的因素有：光纤的微弯状态、光纤的吸收特性和折射率等。
二、相位调制。
外界信号的变化，使光纤中的光波发生相位改变的调制，常见的相位调制有：功能型调制、萨格奈克调制和非功能型调制。
三、频率调制。
通过检测光波频率或波长的变化，来测量外界信号变化的调制技术，这种调制称为波长调制或频率调制。
频率调制多采用多普勒效应，多用于测量流体的速度。
四、偏振调制。
这里涉及光波的两个物理量：电场矢量和磁场矢量。
它们都是与光波的传播方向相垂直的。
根据这两个物理量的变化，光可以分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和完全偏振光。
根据这些类型，可以制成各种不同的偏振调制传感器，利用的效应有磁光效应、电光效应和光弹效应。
传感器之家。
第四章 强度调制型光纤传感器2.
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
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
4.4 光模式强度调制
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 能力是一氧化碳的15~30倍，占据整个温室贡献量的15%。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
组成
发射光纤、受待测量控制的可动光闸和接收光纤
调制原理
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 生一定程度的遮挡，产生光强度调制，进而实现 测量。
光闸形式
固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测 物体本身等。
通常发送光纤不动， 而接收光纤可以作横向 位移、纵向位移或转动, 实现对发射光纤与接受 光纤之间偶和效率的调 制，改变光电探测器所 接受的光强度，从而实 现对位移(或角位移)、 压力、振动、温度等物 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：结构简单
不足：灵敏度低、动态范围小
透射式– 振动 、位移等
*缺点：需要精密机械调整和固定装置
反射式
* 无需精密调整装置
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
传感头：多模光纤 机理：芯模 包层模 类型：光模式强度调制
最小可测位移：0.01nm；动态范围：110dB 可测压力、水声等
第四章 强度调制型光纤传感器
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
强度光纤传感器的原理
强度光纤传感器的原理
强度光纤传感器是一种基于光纤的传感器，通过测量光信号的强度来感知环境物理量的变化。
传感器的工作原理如下：
1. 光源：传感器通过一根光纤将光源引入系统。
光源可以是激光器、LED等。
光线经由光纤传输到光纤的末端。
2. 光纤传感区域：光纤传感器的一段光纤被放置在需要测量的环境中，这段光纤称为传感区域。
环境物理量的变化会导致光纤传感区域光的特性发生变化。
3. 光信号传输：环境变化引起光纤传感区域光的特性发生变化，如光的强度、相位、波长等。
光信号通过光纤传回到光纤传感器中。
4. 光检测器：光信号到达光纤传感器后，会被光检测器接收。
光检测器可以是光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（Photomultiplier Tube）等。
5. 信号处理：光检测器将接收到的光信号转换为电信号，并经过放大和滤波等处理。
然后，通过适当的电路进行信号处理和分析，得到与环境物理量变化相关的输出信号。
6. 输出：最终，输出的信号可以是电压、电流、数字信号等形式，用于监测和测量环境中的物理量变化。
总而言之，强度光纤传感器通过测量光信号的强度变化来感知环境物理量的变化，利用光纤作为传感元件，通过光信号的传输和检测，实现对环境变量的监测和测量。
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
24
强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
25
强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
第三讲 强度调制机理
受抑全内反射位 移传感器
光纤液位探 测器
3.反射系数型 反射系数型
工作原理：利用光纤光强反射系数的改 变来实现透射光强的调制。
5.1 .5 吸收系数强度调制
利用Байду номын сангаас纤的吸收特性进行强度调制
光吸 收系 数强 度调 制原 理图
利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度都随着温度的升 高而近似线性地减小。因此， 高而近似线性地减小。因此，它们的光吸 收边的波长将随着T的升高而变化。 收边的波长将随着T的升高而变化。如果选 用辐射谱与相适应的发光二极管， 用辐射谱与相适应的发光二极管，那么通 过半导体的光强将随着T的升高而下降， 过半导体的光强将随着T的升高而下降，测 量透过的光强，即可确定温度。 量透过的光强，即可确定温度。
其他方法： 1.遮光屏截断光路来实现透射式光强调制 ： 遮光屏截断光路来实现透射式光强调制 采用了一个双透镜系统使入射光纤在出射光 纤上聚焦成像，遮光屏在垂直于两透镜之间 的光传播方向上下移动。
2.改进：遮光屏由两块完全相同的光栅组 改进： 改进 成，其中一支为固定光栅，另一支为可 移动光栅。
输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为
1 δ δ δ α = arccos1 − − 1 − sin arccos1 − r r r π
δ
2dT − a = r r
2
被输出光纤接收的入射光功率百分数为：
5.1 .6 光强度调制信号的检测
--介绍两种微弱光强信号的检测技术 介绍两种微弱光强信号的检测技术
单光路微弱光强信号的检测
根据微弱信号窄带 化检测技术设计的 强度型光纤传感器 单光路检测系统如 图所示
第四章-强度调制型光纤传感器11
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber x
发射光纤像
yo
z
a
2r
PIN
Receiving Fiber
位移方向
d
确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光 路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合
假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射 率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且T tan(sin1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1， 包层之间无间隙；
✓ TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分 别为b1和b2。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
4.2 反射式强度调制
✓ 可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对 特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯不等间距式
4.2 反射式强度调制
✓ 光强调制特性本质上没有区别。 ✓ Ⅰ式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容
易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；Ⅱ式 由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距 不容易准确给定，容易引入测量误差；
实际应用中采用Ⅰ式结构
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
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
发射光纤 接收光纤
反射式光纤传感器的基本结构
光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本原理
首先，光的传输是光纤传感器的基本原理。
光纤是一种较细且柔韧的
光导纤维，内部由多种介质构成，主要包括光纤芯和光纤鞘。
光纤传感器
通过光源将光信号输入光纤芯部分，然后通过光纤内部的全反射现象将光
信号传输到另一端。
光纤传感器可以利用传感器的光纤长度和形状来实现
对光信号的控制和传输，如可调节光纤长度来调节光强、形状改变来变化
传感器位置等。
其次，光的散射是光纤传感器的基本原理。
当光信号沿着光纤传输时，光会与光纤内部杂质、缺陷或外界物体发生散射。
散射光可以以不同的方
式传播，如逆向散射和正向散射。
光纤传感器利用这种散射现象，可以测
量散射光的强度、方向、相位等参数来判断光纤周围环境的物理量变化。
最后，光的吸收也是光纤传感器的基本原理。
光信号在光纤传输过程中，会被光纤内部材料吸收一部分能量。
光纤吸收与传输中的光波长、光
纤材料、光纤长度等因素有关。
光纤传感器可以通过测量吸收光的强度变
化来实现对环境参数变化的测量。
例如，红外光纤传感器可通过光纤芯部
分对红外光的吸收变化来测量温度变化。
光纤传感器的工作原理使其具有可靠性、高精度和抗干扰能力的优势。
不同的光纤传感器可以应用于不同的领域和环境，如工业生产、医疗设备、环境监测、安全防护等。
通过不同的光纤传感器原理和结构设计，可以实
现对不同物理量的测量和监测，提供精确的数据支持和可靠的控制手段。
光纤传感器基本原理
特点
➢ 对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的 稳定性不敏感。
➢ 解调技术复杂，常常需要分光仪。 ➢ 通常采用比值测量（两个波长的测量值为基
准），要求校准以建立比值测量所需要的参 考点。 ➢ 探测的波长范围有限。
光纤传感器基本原理
典型应用
➢ 外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的 光吸收特性不同。 如：溶液浓度的化学分析等。
➢ 外界因素引起光的波长发生漂移。 如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温
度传感器等。
光纤传感器基本原理
三．频率调制
➢ 概念 利用外界因素改变光纤中光的频率，通过
测量光频率的变化来测量外界物理量。
光纤传感器基本原理
特点
➢ 外界因素以多普勒效应的形式影响光的频 率。
➢ 适用于对运动目标的探测。 ➢ 空间分辨率高，光束不干扰流动状态。
过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大 小发生变化，从而使得其中传输光的强度发 生变化。
光纤传感器基本原理
➢ 典型图
光纤传感器基本原理
（六）利用光纤的吸收特性进行调制 利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光
纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射 量的传感器。
光纤传感器基本原理
原理图
特点
➢ 测量各种辐射，例如x射线的大小。 ➢ 灵敏度高、线性范围大。 ➢ 实时性强。 ➢ 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电
光纤传感器基本原理
多普勒效应
研究光源与观测者之间的相对运动对接收 到的光的频率产生的影响。 ➢ 如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v 的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光 频率为：
f c为fs真空1中v的/c光速(1v/c)f
光纤传感器基本原理
强度调制机理光纤传感器基本原理
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
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。
ap L
第五章 光纤传感器基本原理
一、强度调制机理
微弯损耗光强度调制的应用
光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中的光有一部分 逸出到包层。若采取适当的方式探测光强的变化，则 可知道位移变化量，据此可以制作出温度、压力、振 动、位移、应变等光纤传感器。 微变形光纤强度调制传感器的优点：灵敏度高、结构 简单、响应速度快。
令：T tg (sin1 N. A.)
输入光纤
N.A＝sin
五类光纤传感器基本原理和优点简介
五类光纤传感器基本原理和优点简介来源：与非网根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传感器都可再分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。
1）强度调制型光纤传感器基本原理是待测物理量引起光纤中传输光光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。
恒定光源发出的强度为I的光注入传感头，在传感头内，光在被测信号的作用下其强度发生了变化，即受到了外场的调制，使得输出光强的包络线与被测信号的形状一样，光电探测器测出的输出电流也作同样的调制，信号处理电路再检测出调制信号，就得到了被测信号。
这类传感器的优点是结构简单、成本低、容易实现，因此开发应用的比较早，现在已经成功的应用在位移、压力、表面粗糙度、加速度、间隙、力、液位、振动、辐射等的测量。
强度调制的方式很多，大致可分为反射式强度调制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。
一般反射式强度调制、透射式强度调制、折射率强度调制称为外调制式，光模式称为内调制式。
但是由于原理的限制，它易受光源波动和连接器损耗变化等的影响，因此这种传感器只能用于干扰源较小的场合。
2）相位调制型光纤传感器基本原理是：在被测能量场的作用下，光纤内的光波的相位发生变化，再用干涉测量技术将相位的变化转换成光强的变化，从而检测到待测的物理量。
相位调制型光纤传感器的优点是具有极高的灵敏度，动态测量范围大，同时响应速度也快，其缺点是对光源要求比较高同时对检测系统的精密度要求也比较高，因此成本相应较高。
目前主要的应用领域为：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用赛格纳克效应的旋转角速度传感器(光纤陀螺)等。
3）频率调制型光纤传感器基本原理是利用运动物体反射或散射光的多普勒频移效应来检测其运动速度，即光频率与光接收器和光源间运动状态有关。
第三讲 强度调制机理
可以提高该类型传感器的灵敏度。分辨率在光栅 条纹间距的10-6数量级以内。
5.1 .3 光模式强度调制
主要是指微弯损耗 （一种典型的压力传感器） 微弯损耗：当光纤之间状态发生变化时，会 引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变 成了辐射模，从而引起损耗。 可以精确地把它与引起微弯的器件的位置及 压力等物理量联系起来构成各种功能的传感 器。
1.光纤折射率变化型 光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 在温度恒定时， 同。在温度恒定时，包层折射率与纤芯折射 率之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 率之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 之间的差发生变化，从而改变传输损耗。 n1 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， 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即可确定温度的变化。 根据传输功率的变化即可确定温度的变化。 利用这一原理可以构成温度报警装置。 利用这一原理可以构成温度报警装置。
2.渐逝波耦合型 渐逝波耦合型
倏逝波(evanescent 倏逝波(evanescent waves)
原理：受抑全反射
在全内反射的情况下，当光波由光密媒质入射 到光疏媒质，且入射光波以大于临界角的方向 入射到两种媒质的界面上时，入射光波就能全 部返回到光密媒质中。 采用一种办法使渐逝场能以较大的 振幅穿过光疏媒质， 振幅穿过光疏媒质，并延伸到临近 折射率高的光密媒质材料中， 折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙——受抑全反射 就能穿过间隙 受抑全反射
第三讲强度调制 机理Biblioteka 第五章 光纤传感器基本原理
强度调制机理 相位调制机理 频率调制机理 波长调制机理 偏振调制机理 对光纤与光电器件的要求
强度调制机理
2L是两相干光 • 式中，k0 是光在空气中的传播常数； 的光程差。则可动反射镜每移动长度，光探测器 的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值， 即变化一个周期。如果使用激光器，这种技术能 检测级的位移。 • 为了克服空气受环境条件影响的空气光程的变化， 可考虑用全光纤干涉仪结构。图2.2.2 表示了全光 纤迈克尔逊干涉仪的结构。图中以一个3dB耦合 器取代了分束器，光纤光程取代了空气光程，而 且以敏感光纤作为调制元件。这种全光纤结构不 仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次 测量要调光路准直等繁琐的工作，使其更适于现 场测量，更接近实用化。
• 2.赛格纳克光纤干涉仪 • 激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分， 这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭 合光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器 中，同时也有一部分返回激光器。在这种干涉仪 中，把任何一块反射镜在垂直方向上移动，两光 束的光程变化都是相同的。因此，根据光束干涉 原理，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。
• 这样，测量物体的位移范围因而变小，为 解决这种问题，可采用在传输发射光的光 纤端面上组装微透镜聚光。当物体距离光 纤端面为11 mm时，位移测量范围可达到 2mm，分辨率为10微米。这种传感器可用 于确定精密机床加工工件放置位置及作为 测量立体形状位置的传感器。如图所示为 反射干涉式位移检测方法。其原理是在离 开单模光纤端面微小距离为l处，放一个反 射膜板．
2
• 法布里－珀罗光纤干涉仪如图所示。它与 一般法布里－珀罗干涉仪的区别在于以光 纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化 来调制相位代替了以传感器控制反射镜移 动来实现了调相。
5.4 光纤位移传感器
• 光纤位移传感器可分为外调制式和内调制式。 • 5.4.1 外调制式位移传感器 • 透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤， 并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根 光纤输出，通过两根光纤问微小空隙，进入另一 根光纤。此时，如果两根光纤的中心轴为同轴， 光通过光纤的连结处几乎不损失光能。但当两根 光纤的光轴错开，光通过光纤间连结处光能损耗 增加．
光纤传感器的基本原理
• 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号．所以也称为传光型传感器．或 混合型传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：
光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为
强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长(颜色)调制光纤传感器
• 采用双波长工作方式的目的是为了消除测量中
多种因素所造成的误差。取绿光(558nm)作为 调制检测光，红光(630 nm)作参考光，探测器 接收到的绿光与红光强度的吸收比值为R, pH 值与R的关系为
式中．c、k为常数；L为试剂长度, Δ＝pH—pK，其中 pH是酸碱度, pK是酸碱平衡常数。
5.2 光纤磷光探测技术
x射线、γ射线等辐射线会使光纤材料的吸 收损耗增加，使光纤的输出功率降低， 从而构成强度调制辐射量传感器。改变 光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、 γ 射线、中子射线最敏感，用这种方法做 成的传感器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测。
• 作业
1、由图5-2的几何关系推导出下列关系式
2、由图5-2，已知光纤芯直径为2r＝200um， 数据孔径NA=0.5，光纤间距a=100um。若取 函数F(d)的最大斜率处为该系统的灵敏度， 则耦合功率F随d变化速率为何值？
5.2.3 光模式强度调制
当光纤之间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其 中有些导波模变成了辐射模，从而引起损耗，
光纤传感器基本原理2
式中，△φ是相位调制引起的两相干光之间的相位差。
(1)迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪
∆ 两相干光的相位差为：ϕ = 2k 0 ∆l
当可移动反射镜每移动△l=λ/2长度，光探测器 的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，变化 一个周期。
▲迈克尔逊全光纤干涉仪的结构：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2)马赫-泽德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪
(2)温度应变效应 若光纤放置在变化的温度场中，并把温度场变化等效 为作用力F时，那么作用力F将同时影响光纤折射率、和长 度L的变化。由F引起光纤中光波相位延迟为
式中第一项表示折射率变化引起的相位变化；第二项 表示光纤几何长度变化引起的相位变化，式中没有考虑光 纤直径变化对相位变化的影响。若上式用温度变化△T和相 位变化描述，则有
光波在外界因素的作用下，相位的变化可以写成如下形式 ∆L ∂β ∂β ∆φ = β ∆L + L∆β = β L +L ∆n + L ∆a L ∂n ∂a
λ
L = βL
纵向应变引起的相位变化 径向应变引起的相位变化 光弹效应引起的相位变化 一般形式的相位变化
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT)，在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于PZT筒的直 径随驱动信号变化，故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力，光波相位随之变化。
8πA ϕ= •Ω λ0 c
▲光纤陀螺仪的结构：
其相移表达式为： = 8πNA • Ω ϕ
λ0 c
(4)法布里-珀罗(Febry-Perot)光纤干涉仪
这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是， 这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种千涉仪都是双光束 干涉，而法布里一琅罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理， 干涉，而法布里一琅罗干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉的原理，探 测器上探测到的干涉光强的变化为 4R ϕ I = I 0 /[1 + • sin( )] 2 (1 − R) 2
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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：
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
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
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。
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
r F 2dT
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