第四章强度调制型光纤传感器1.
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）。
光纤传感原理及应用技术课件
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
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光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射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光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
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光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
学习情境二：强度调制型光纤传感器及应用
光纤传感器及应用
空气
空气
液体 液体
图2.8 球面光纤液位传感器检测原理 （2）斜端面光纤液位传感器 下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同 样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤 的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反 射光强度差约在20dB以上。
光电子技术专业-国家重点建设示范性专业
光纤传感器及应用
2）液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器
光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出 去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测 器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测 介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。 显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强 要大。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空 气中时的反射光强度为基准，则当接触水时反射光强 变化–6dB～–7dB,接触油时变化–25dB～–30dB。
（2-5）
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光纤传感器及应用
重叠部分 R R=r+2dT （r=光纤半径） r
d dT 为发射光纤锥面的半径，且 T=tan(sin-1NA) 是光纤锥面边缘与输出光纤端面重叠的距离
图2.3 反射光斑与光纤端面重叠部分 3、光纤一维位移传感器探头设计与扩展
I x R0 I 0 R2 exp a2
再对式（2-2）展开忽略高阶项，得到：
I x I 0 a 2 R0 4 x 2 tg 2 c
（2-3）
其中：数值孔径NA=sin(θ c) 且在图2.1中近似得到：
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光强调制型光纤传感器.
• 强度调制分为 – 非功能型光强调制 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上 受被测量调制。 – 功能型光强调制 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光 在光纤内受被测量调制。
光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传 光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常 用的调制器是反射器和遮光屏。
反射式强度调制型光纤传感器，简称RIM-FOS，具有结构
简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点，而且可适用于 位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度等多种物 理量的测量。
光强调制型光纤传感器
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化， 从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直 接用光电探测器进行检测。
应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
• 其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成 。
微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去 。
微弯损耗强度调制传感器原理图
功能型光强调制
• 变折射率型光强调制
液体芯光纤传感器探 头示意图
液体折射率随温度减小
液体光纤温度传感 器结构示意图
非功能型光强调制
• 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦 合及ห้องสมุดไป่ตู้他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光 强随外界信号变化而改变。
第4章-波长调制型光纤传感器
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
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。
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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。
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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
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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
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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。
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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。
光纤传感器的基本原理及在医学上的应用
２００8年9月中国医学物理学杂志Sep ．,２００8第２5卷第5期ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．25．Ｎｏ．5光纤传感器的基本原理及在医学上的应用孙素梅1，陈洪耀2，3，尹国盛2（1.漯河医学高等专科学校，河南漯河462000；2.河南大学物理与电子学院，河南开封475004；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031）摘要：目的：本文的目的简要介绍光纤传感器的基本原理和简单分类，重点阐述传光型光纤传感器在医学的压力、流速、ｐＨ值等五方面的应用。
方法：光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。
光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传感器。
结果：目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。
光纤传感器主要优点：小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高。
医疗上的图象传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。
只需将许多光纤组成光纤束，就可以做成能有效地使图象空间量子化的传感器。
自从光导纤维引入到内窥镜以后，扩大了内窥镜的应用范围。
光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点使得各种内窥镜检查人体的各个部位几乎都是可行的，且操作中不会引起病人的痛苦与不适。
其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。
在进行激光血管成形术时，血管镜可提供很多重要的信息，用以引导激光辐射的方向，选择激光的能量和持续时间，并可了解在成形术后的治疗效果。
光纤内窥镜不仅用于诊断，也正进入治疗领域中，例如用于做息肉切除手术等。
微波加温治疗技术是当前治疗癌症的有效途径，但微波加温治疗癌症技术的温度难以控制，而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗癌症的有效温度进行监测，从而使温度不致于过高杀死人体的正常细胞，也不会过低达不到治疗目的，使癌细胞进一步扩散。
第四章 强度调制型光纤传感器1
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器的缺点：
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。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
光纤倾斜式改进型：
发射和接收光纤的端部各耦合一个渐变折射率光纤(GRIN ) 制成的透镜，该透镜可使光源发出的光会聚成一平行光束 并以入射角θ照射到试件上。接收GRIN透镜放置在镜面反 射的方向上。 若把试件置于某一特定位置
DM，接收光纤能接收到所
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
光纤截面的不同排列方式示意图
增大发射亮度和接收光通量
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
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。
光电检测技术 考试答案
光电检测技术第一章2.什么是能带,允带,禁带,满带,价带和导带?绝缘体,半导体,导体的能带情况有何不同?答:晶体中电子所能具有的能量范围在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能力值.能量愈大,线越高,一定能量范围内的许多能级形成一条带,称为能带。
其中允许被电子占据的能带称为允带。
允带之间的范围是不允许电子占据的，称为禁带。
在晶体中电子的能量状态遵守能量最低原理和泡利不相容原理，晶体最外层电子壳层分裂所形成的能带称为价带。
价带可能被电子填满也可能不被填满，其中被填满的能带称为满带。
半导体的价带收到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带—导带。
对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动，但是热，光等外界因素的作用下，可以少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。
绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。
半导体的禁带很窄，绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难的多，因此，绝缘体的载流子的浓度很小。
导电性能很弱。
实际绝缘体里，导带里电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少，所以，在一般情况下，可以忽略再外场作用下他们移动所形成的电流。
但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成导体。
6.什么是外光电效应和内光电效应,他们有那些应用答：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子的现象称为外光电效应。
物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不逸出物质的现象称为内光电效应，内光电效应又可分为光电导效应和光伏特效应。
外光电效应可用于制造光电管和光电倍增管。
内光电效应中光电导效应可用于制造光敏电阻、光生伏特效应可用于制造光电二级管、光电池、光电三级管等。
第二章1.光电检测器件中常见的噪声又那些，答：热噪声，散粒噪声，产生-复合噪声，i/f噪声，温度噪声等热噪声，为载流子无规则的热运动造成的噪声。
第四章 光纤传感器2010部分习题
9. 何谓形状记忆合金？何谓形状记忆效应？有哪几种类型的形状记忆效应？ 答：在低温下使合金变形，然后将合金加热到一定温度，合金将回复到高温下的形状，这种现象称 为形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金。 形状记忆效应的分类： ①单程形状记忆效应 加热时回复到高温形状，冷却时不再变化。 经过一定的训练后，可能会具有双程形状记忆效应。 ②双程形状记忆效应 加热时回复至高温形状，冷却时回复到低温形状。 ③全程形状记忆效应 加热时回复至高温形状， 冷却时回复到低温形状， 继续冷却时变成曲率与高温形状相反的形状。
工作原理：把部分参考光纤绕在压电陶瓷（PZT）环上，当复合材料受力使信号光相位改变时， 为使相位差ψ仍保持π/2，电压则发生变化，这样监测输出电压的变化则可以检测出信号光纤与参 考光纤的相位差ψ值。 特点： ①干涉光强度与相位差有关 : 在π/2 处灵敏度最高
②在参考臂中设置相位调制器，将信号光与参考光的相位差总保持在π/2 处(零差检测)。 ③相位调制器由 PZT 环及绕在其上的部分参考光纤组成．工作时，驱动电压使 PZT 环膨胀， 导致参考光纤内相位变化，从而保持信号光与参考光之间π/2 的偏置。 ④仅适用于实验室。 （2）麦克尔逊(Michelson)光纤传感器 工作原理：将信号臂和参考臂同时埋入复合材料中，还靠得很近，两根光纤端面各自形成反射镜 并与耦合器一起形成干涉仪回路。当复合材料在外加负载作用下发生应变时，待测场使探测区信号 光纤相对参考光纤产生相对相位差， 并经耦合器输出检测， 由干涉光强的变化 I 便可得到待测外场 引起的相位差的变化 。
（5）双模光纤 引子：干涉型光纤传感器必须有信号(信号臂)和参考(参考臂)两条通道,以便形成干涉。若 两者都埋入复合材料中，则产生同样的相位变化，起不到参考的作用。若将参考臂置于复合材料外 或加以屏蔽，则不适于实际应用。 措施：用单根光纤中两个不同的传输模分别作为信号通道和参考通道，代替干涉仪中的两根 光纤，不但可克服上述的困难，而且能使埋入光纤数减少一半。 （6）同心双通道光纤 组成：中心是弱波导单模纤芯，周围是环状大数值孔径多模纤芯 工作过程及其特点: I．当光纤在复合材料中受到扰动时，光从弱波导单模纤芯部分泄漏到多模环形芯中。 II．在环形波导中，光的传播速度与在单模芯中不同，因此在光纤检测端能先后收到两个信 号，一个来自中芯，一个来自环形芯。 III．信号到达时间差确定了扰动位置，环形多模芯中的强度确定了扰动的大小。 6. 试述四种光纤传感器的工作原理，并比较这四种光纤传感器的优缺点。 （1）马赫—泽德(Mach-Znhnder)光纤传感器
光纤传感器的分类及特点详解
光纤传感器的分类及特点详解
光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
功能型传感器
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
非功能型传感器
是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用。
强度调制大形变光纤传感器的实验研究及应用
标题：强度调制大形变光纤传感器的实验研究及应用引言在当今科技发展迅速的时代，光纤传感技术已经成为一种应用十分广泛的传感技术。
其中，强度调制大形变光纤传感器作为一种重要的光纤传感器，在工业、医疗、环保等领域都有着广泛的应用前景。
本文将从实验研究和应用两个方面对强度调制大形变光纤传感器进行全面探讨。
实验研究1. 强度调制大形变光纤传感器的原理在进行实验研究之前，我们首先要了解强度调制大形变光纤传感器的原理。
强度调制大形变光纤传感器是利用光纤在光强变化时的特性来检测形变的一种传感器。
通过在光纤中引入微弯曲、拉伸等形变，可以改变光纤中光的传播路径，从而实现对形变的检测和测量。
2. 实验设计与结果分析针对强度调制大形变光纤传感器的实验研究，我们设计了一系列实验，通过改变光纤的形态和材料等因素，观察其对光强的影响，并据此得出了一系列结论。
实验结果表明，不同形态的光纤在形变时有着不同的光强响应，而不同材料的光纤在形变时也表现出了不同的特性。
这为我们进一步的应用研究提供了重要的实验基础。
3. 技术改进与创新在实验研究的基础上，我们不断进行技术改进和创新，通过引入新材料、新工艺等手段，提高了强度调制大形变光纤传感器的灵敏度和稳定性。
这为该传感器的应用提供了更加可靠的技术支撑。
应用1. 工业领域的应用在工业领域，强度调制大形变光纤传感器可以应用于机械设备的监测与控制、结构件的形变检测等方面，为工业生产提供了重要的数据支持。
由于其高灵敏度和实时性，也可以应用于危险环境下的检测与监控，为工业生产安全保驾护航。
2. 医疗领域的应用在医疗领域，强度调制大形变光纤传感器可以应用于体内医疗设备的监测与控制、疾病诊断与治疗等方面。
其高精度和无创性的特点，为医疗技术的发展提供了新的可能性。
3. 环保领域的应用在环保领域，强度调制大形变光纤传感器可以应用于水质、大气等环境因素的监测与分析，为环境保护提供了重要的数据支持。
其高灵敏度和实时性，为环境监测技术的发展提供了新的思路。
《强度调制传感器》课件
强度调制传感器是一种广泛应用于工业、医疗和环保领域的传感器。通过调 制传感器能够实时获取物体的强度信息，具有很高的精度和灵敏度。
什么是强度调制传感器？
强度调制传感器是一种能够测量物体强度的传感器。它通过调制技术实时获取物体的强度信息，从而可以监测 和控制各种应用中的强度变化。
1 优点
强度调制传感器具有高精度、高灵敏度和实时性强的特点，广泛应用于工业、医疗和环 保领域。
2 局限性
强度调制传感器对环境要求较高，受到外界光线等因素的干扰，需要在设计和使用时注 意。
3 前景与展望
随着科技的不断进步，强度调制传感器将在各个领域得到更广泛的应用，为社会进步和 发展做出贡献。
强度调制传感器的发展前景
市场需求
随着工业自动化、智能医疗和环保意识的增强，强度调制传感器的市场需求将持续增长。
技术瓶颈
目前强度调制传感器的主要技术瓶颈在于尺寸和功耗的优化，未来的发展重点将放在这两个 方面。
发展趋势
随着传感器技术和通信技术的进步，强度调制传感器将越来越小型化、智能化和集成化。
总结
强度调制传感器的构成
主要组件
强度调制传感器主要由发射 器和接收器组成，通过调节 发射器的强度来实现强度的 调制和传输。
工作原理
当物体与传感器发生相互作 用时，发射器的强度会发生 变化。接收器通过解调技强度调制传感器具有高灵敏 度、高精度、实时性强等特 点，适用于各种复杂环境和 场景。
强度调制传感器的应用领域
工业领域
在工业自动化控制中，强度调制传感器广泛应用于材料检测、机械监测和质量控制等方面。
医疗领域
强度调制传感器在医疗设备中常用于体内图像采集、病人监测和医学诊断等方面，帮助提高 治疗效果。
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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
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
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
外调型
（传光型或非功能型）
内调型
（传感型或功能型）
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。
A. 正镜式光强调制
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。
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
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述
E E0 cos kz t
式中， E0 为光波的常矢量振幅， k 2 为波数， 为频率， kz t 为初始相位。 为波长为，
4.2 反射式强度调制
优点：
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。 针对不同的测量要求，可选择不同的参数 d、 ，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。
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4.2 反射式强度调制
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
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4.2 反射式强度调制
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。
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反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较
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Ⅰ式。
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4.2 反射式强度调制
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。
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4.2 反射式强度调制
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。
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4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器的缺点：
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。
反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线
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4.2 反射式强度调制
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。 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 。
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
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4.2 反射式强度调制
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。
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4.2 反射式强度调制
光强 E0 、偏振态（ E0 的振动方向）、 相位 kz t 、波长 、频率 。
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第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
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。
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4.1 强度调制传感原理
原理简单、体积 小、价格低廉、 带宽高、频率响 应快 ;
前坡，后坡 ：
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4.2 反射式强度调制
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。
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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
光源、传输光纤（发射与接收）、反射面以及光电探测器
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。
第四章 强度调制型