强调制型光纤传感器

➢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）
4.3 透射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
➢调制原理：遮光 ➢调制方法
4.3 透射式强度调制
光强调制特性曲线
第四章 强度调制型光纤传感器
4.3 透射式强度调制
I I0 expLC
式中，I为光强， 为摩尔分子吸收系数，C为气体浓度，
L光和气体的作用长度。
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4.4 光模式强度调制
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤
光纤 气室单元
光
信号预处
纤
理单元
激光器
激光器 控制单元
波形 发生器
温度控制
同步
锁相放大
显示与报警
数据处理 及显示
激光驱动与控制单元
信号处理与 显示单元
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
入射光 接收光
I (r, z) P0 exp[r2 / 2 (z)] 2 (z)
(
z)
rE
[1
(
z rE
)
tan(arcsinNA)]
P(
x,
y,
do
)
P0rR2
2 (zd
)
exp
x2 ( y do )2 / 2 (zd )
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
4.4 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。
甲烷与燃烧和推进联系非常紧密，其浓度测量直接与 对燃烧效率以及推进过程的分析有关。
Integrating … 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，提高监控
能力，研究实时在线高灵敏甲烷浓度的监测仪是十分必要的。
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4.4 光模式强度调制
理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律
4.4 光模式强度调制
接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面存在偏移量 时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特 性曲线在形状上并没有改变，只是产生一定的相移。
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4.4 光模式强度调制
接收光纤1 接收光纤2 差动输出
P1
P(x,
y,
do
)
P0rR2
2 (zd
)
exp[
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
瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我 国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起的。瓦 斯的主要成分是甲烷，约占瓦斯气体的83%~89%。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
工业过程气体分析仪器应用领域及2010 年需求量
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高 时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向 产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤 温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。
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。
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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
可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理
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4.4 光模式强度调制
1
2
恶劣环境适应能 力强，可克服背 景气体、粉尘等 吸收干扰，测量 分辨力与精度高；
不需采样预处理 系统，节省了样 气预处理的时间 和样气在管道内 的传输时间，响 应速度快，可实 现工业过程实时 在线管理；
3
利用光纤实现远 程在线高灵敏监 测，本质安全， 能耗低，抗电磁 干扰，便于复用 成网，并可与已 有监测网络联网。
4.4 光模式强度调制
采用差动方式处理接收光强信号，可达到提高系统灵敏度、 抑制光源等光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪 声影响的目的
利用响应误差信号的双极性特点可准确判断角位移方向，并 通过响应误差信号的线性关系实现角位移的直接测量；
利用响应误差信号的过零点作为绝对零点触发，可实现测微 和绝对跟踪能力，进而实现待测物的自动调整。
4.4 光模式强度调制
遮光屏是由等宽度、交替排列的透明区和非透明区 的光栅组成，其中一支为固定光栅，另一支为可移 动光栅。在此遮光屏的空间周期内，光的透过率， 从50％(两屏完全重叠)变到零(两屏完全交叠)。
光栅遮光屏透射式强度调制原理
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4.4 光模式强度调制
在此周期性结构范围内，光的输出强度 是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间 距的10-6数量级以内，是构成高灵敏度、简单、 可靠的位移传感器的基础。
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
不用透镜的两光 纤直接耦合系统，结 构虽然简单。只是接 收光纤端面只占发射 光纤发出的光锥底面 的一部分，使光耦合 系数减小，灵敏度也
降低一个数量级。
a. 带透镜结构 b. 不带透镜结构
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x 2
(
y
do
)2
/
2
(
zd
)]
P2
P(x,
y, do )
P0rR2
2 (zd
)
exp[ x2
(y
do )2
/ 2 (zd
)]
PD P1 P2
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
灵敏度提高108%
第四章 强度调制型光纤传感器
油库、机库、动力室等大量使用的汽油等石油产品极 易挥发甲烷等气体。
Integrating … 当空气中的甲烷浓度约为5.3%到15%时，遇火源就会爆炸；在无火源 情况下，当空气中的甲烷浓度达到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。
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4.4 光模式强度调制
甲烷被认为是温室效应最主要的气体之一，其吸收红 外线能力是二氧化碳的15-30倍，占据整个温室气体 贡献量的15%，直接关系到人类健康生活。