《光纤技术及应用》PPT课件

第6章 光纤传感器基本原理
光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐 步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距 离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中， 光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是， 在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因 素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的 变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、 偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能 测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参 数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤 传感技术。
发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为， 光纤输出的光强不变。
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在a/2T <=d< =(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的 光通量由输人光纤的像发出的光锥底面与输出 光纤相重叠部分的面积所决定，重叠部分如图 (b)所示。利用线性近似法进行计算，即光锥 底面与出射光纤端面相交的边缘用直线来进行 近似。图(c)为重叠部分的直边模型图形。
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光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系 列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、
耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路有可挠曲
性、便于与计算机联接、结构简单、体积小、 重量轻、耗电少等。
光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功 能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的 特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型 光纤传感器，或全光纤传感器。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，传输来自远外 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。
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光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为
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和 波长(颜色)调制光纤传感器。
在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述
E=E0cos(ωt+φ) 式 角 波中。长＝，上E2式π0为包c/λ光含、波五相的个位振参(ω幅数t+，，φ)即ω和为强偏频度振率E态0，2，、φ被频为测率初量ω相、在
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移动反射器式传感器中两根光纤间的光耦合图
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在距光纤端面d的位置为反光物体—被测工件 表面，它垂直于输人和输出光纤轴移动，故 在平面反射镜之后相距d处形成一个输人光纤 的虚像。因此，确定调制器的响应等效于计
算虚光纤与输出光纤之间的耦合。设输出光 纤与输人光纤其间的间距为a，且都具有阶跃 型折射率分布，芯径为2r，数值孔径为NA， 当d<a/2T，即a>2dT (dT为发射光锥的底面积 半径，且)时，耦合进输出光纤的光功率为零； 当d>(a+2r)/2T时，输出光纤与输人光纤的像
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在这种近似的前提下，设光纤轴线与被测表 面垂直，被测表面的反射系数为1，输出光强 与输入光强的关系为
因此，光调制技术是光纤传感器的核心技术。
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6.1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。
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一恒定光源发出的强度为Pi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 发生变化，即受到了外场的调制，使得输出 光 电强探P测0的器包测络出线的与输被出测电信流号I0也的作形同状样一的样调，制光， 信号处理电路再检测出调制信号，就得到了 被测信号。强度调制的特点是简单、可靠、 经济。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。
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双光路检测的原理是光源发出的光信号被光 纤分路器分成两路，一路光信号通过强度调 制区到达探测器，称为测量光路；另一路光 信号不通过强度调制区而直接到达探测器， 称为参考光路。两路信号送入除法器进行除 法运算，由于系统中设计了参考光路，光源 强度波动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、 模式噪声等都可以通过除法电路通过除法运 算来消除，从而大大减小测量误差，提高系 统的测量精度。
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强度调制的关键是实现对调制信号的强度检 测，强度检测方法包括直接检测、双光路检 测、双波长检测。
上图即为直接检测的原理图，光源发出的光 注入光纤，光在强度调制区内受到外界被测 信号的调制，探测器接收被调制后的光信号， 并将其转换成电信号。直接检测方法的优点 是系统结构简单，但是容易受到光源强度波 动、光纤损耗波动、光纤耦合波动、模式噪 声等影响使得输出信号的强度不仅随被测信 号变化，而且随上述影响因素而变化，这样 就会给被测信号的测量带来误差。
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双波长检测的原理是光源1和光源2分别发出 两种不同波长的光信号，经过波长复用器耦 合后注入到入射光纤中，在强度调制区内， 外界被测信号只对波长为的光信号进行强度 调制，波长称为信号波长。但是在强度调制 区内，外界被测信号对波长为的光信号不产 生作用，波长称为参考波长。波长为和的光 信号通过强度调制区后，经出射光纤送到波 长解复用器把两种波长分开，经探测器后送 入除法器进行除法运算，从而达到消除系统 干扰的作用，减少测量误差。
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6.1.1反射式强度调制
这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起 传光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤 和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。 这种传感器的调制机理是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 间的距离而变化。如下图所示。
敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果 是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器， 其它依次类推。因此．就得到了五种调制类型 的光纤传感器。
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光纤传感器按被测对象的不同、又可分为光纤 温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感 器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。
光纤传感器可以探测的物理量很多，已实现的 光纤传感器物理量测量达70余种。然而，无论 是探测哪种物理量、其工作原理无非都是用被 测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其 随之变化，然后对已调制的光信号进行检测， 从而得到被测量。