浅谈反射式强度型光纤传感器

大学物理实验

光纤技术专题实验

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教师张丽梅

首次实验时间2012年9月17日

浅谈反射式强度型光纤传感器

摘要：本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料，简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理，以及国内外对该类传感器研究现状，指出其存在的问题和解决方法。

关键词：反射式光纤传感器，反射面，强度调制，研究，发展趋势

1引言

通过光纤技术专题实验，我对光纤的结构和一般性质，光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解，尤其是在做第三个实验“光纤传感”时，对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段，写下了这篇浅显的论文。

2反射式强度型光纤传感器及其原理

反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量

( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。

图2

与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,，光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的

10nm。电磁波

的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E

的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+")

式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"—

光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光

的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量

之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要

的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感

( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及

光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光

源S 发出的光经发送

光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射

进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D,

测器D 输出相应的电信号U0。

U0=f( d)

在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、

检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。

光纤传感器测量工作过程如下: 光源发出的光耦

合到入射光纤, 光在光纤中传输到光纤另一端并发射

出去, 光在千分尺测量端面被反射回来并由反射光纤

传输出去照射到光敏三极管上, 光敏三极管将光量变

为电量输出, 经过放大显示在数字电压表或示波器上。输出量的大小与反射光量大小成正

比, 而反射光量的大小又与光纤出射端面距千分尺测

量端面远近成正比。

3反射式强度型光纤传感器的存在的问题和解决方法反射式强度型光纤传感器对光源、光纤以及其它系统元件存在的特性变化非常敏感，光信号通道中被传输的光强很容易受到外界因素干扰而发生变化，从而引起较大的测量误差。这种光纤传感器的主要缺点是广元的不稳定直接导致整个传感器输出的不稳定，造成位移测量误差。另外，反射体表面反射率不同，以及光线在光纤中传输消耗（包括本征损耗和弯曲损耗）的改变都会造成影响。因此，在测量精度和稳定性要求较高的情况下，工业上实用化传感器的设计必须采用某种形式的

补偿，以减小或消除上述因素带来的影响。

随着科学技术的日益发展，更多的高精度、更专业的反射式强度型光纤传感器已被人们研制出来。近来就有人提出并研究了一种等间距排列三光纤强度补偿反射式光纤位移传感器，其探头结构如图2，这种光纤探头无间隙紧密排列，光纤尺寸相同，容易做成带状，省去了各种光纤间距的调整。其间距大小仅有光纤芯径和包层厚度来决定。反射面到光纤端面的距离最终通过两相邻接受光纤光强信号的比值来确定，这种传感器也能自动补偿光源强度和反射面反射率变化对测量精度的影响。使其输出特性只敏感于光纤探头与反射体之间的距离，从而实现对位移的精密测量。

4结束语

通过实验收获了经验和技能，通过写论文查找资料则对反射式强度型光纤传感器加深了了解。

参考文献

1刘迎春, 等.现代新型传感器原理与应用[M].北京:

国防工业出版社, 1998.

2吕海宝, 等.反射式光纤传感器光纤对输出特性的数

学模型[J].光电工程, 1998, 25( 5) : 16- 25.

3徐涛, 等.一种强度补偿反射式光纤传感器的研究[J].国防科技大学学报, 2000, 22( 6) : 109- 112

4李学金，张百钢，姚建铨，等．一种光纤压力传感器的设计理论分析［Ｊ］．传感技术学报，２００４，１７（１）：１３３-１３５