第四章 强度调制型光纤传感器2
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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
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
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。
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 （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)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
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
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。
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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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光纤传感器及应用
空气
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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。
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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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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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《强度调制传感器》课件
《强度调制传感器》PPT 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。
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。
光强调制型光纤传感器.
• 强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现， 所采用光纤多为光通信用多模光纤，而相关的光纤接头和 耦合器等部件，国内已有产品供应。
• 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。
• 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。
二光纤传感器原理
光纤多普勒系统
激光器 f0
f0
f0
f1
f0-f1
以速度v运动的被测物体
f0±Δf
混频
f1±Δf
Δf
v
典型应用
血液流动速度监测传感器 运动物体速度监测传感器
四．相位调制
概念 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。
分布式传感
分布式光纤传感技术是在70年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(ＯＴＤＲ)技术的出现而发展起来的。在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前,这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。
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；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。
其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 ........
光程差为： 相位差为： 出射光波的光强为： 由光强的变化可以测得外界参量的大小。 主要应用：光纤电压传感器
3.光弹效应 定义：当物质的某个方向存在压力或张力时，则物质在该方向上的折射率和其它方向的折射率不同，设该方向上的偏振光的折射率为ne, 与之垂直方向上的偏振光的折射率为no，则： Δn=no-ne=kP K为物质的压强光学系数，P为外加压强。
光纤强度调制传感器的原理图
特 点
技术简单，可靠，成本低。 可以采用多模光纤。 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。
构成传感器探头的物理机理
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
第4章-波长调制型光纤传感器
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
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
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
12
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。
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。
第4章 (12)教材配套课件
第4章 光纤传感器 图 4.2 光线在两种不同介质分界面上的折射
第4章 光纤传感器
图 4.3 表示光在光纤中传播的原理。根据全内反射原理， 设计光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。图中所示 的两根光线，其中一根代表掠射角(入射角的余角)θ> θc (临 界角)的一些光线。这些光线由于从纤芯折射到包层中，不 能传播很远。另外一根代表掠射角θ<θc(临界角)的一些光线。 这些光线每当光入射到纤芯-包层分界面时，都发生全反射， 所以这些光线一直被截留在光纤中，在界面上产生多次的全 内反射，以锯齿形的路线在纤芯中传播。在理想情况下，将 无损耗地通过光纤纤芯传输，直到它到达光纤的端面为止。
第4章 光纤传感器 图4.6 在光纤纤芯中传播的典型光线图
第4章 光纤传感器
2. 按传播模式的多少分类 单模光纤：通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通 常仅几微米)、光纤传播的模式很少、原则上只能传送一种 模式的光纤(通常是芯径很小的低损耗光纤)。这类光纤传输 性能好(常用于干涉型传感器)，制成的传感器较多模传感器 有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤 由于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。 多模光纤：通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸较大(大部分 为几十微米)、传播模式很多的光纤。这类光纤性能较差， 带宽较窄，但由于芯子的截面大，容易制造，连接耦合也比 较方便。这种光纤常用于强度型传感器。
第4章 光纤传感器 这种传感器也可在高温下使用。一个例子是，将光纤束 包上聚氯乙烯外壳，可耐温190℃，加上螺旋钢套可达316 ℃。现在暴露在数百摄氏度高温下功能不受损坏的光纤束已 商品化，这可使传感器高温特性得到进一步的提高。
图4.10 光纤测压传感器
第4章 光纤传感器
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。
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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
第四章 强度调制型光纤传感器
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。
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、动型）
➢内调型
（传感型或功能型）
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
传感头：多模光纤
机 理：芯模 类 型：
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
传感头：多模光纤 机理：芯模 包层模 类型：光模式强度调制
缺点：
输出光强受壳
光源
体振动的影响，且
响应时间较长，一
般需几分钟。
遮 光 双金 板 属片
接收
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
✓ 光强为I0的光束,通过发送光纤 照射到球镜上。球透镜把光束 聚集列两个接收光纤的端面上。
✓ 当球透镜在平衡位置时，从两 个 接 收 光 纤 得 到 的 光 强 I1 和 I2 是相同的；
4.4 光模式强度调制
编码盘装置
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4.4 光模式强度调制
利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于 对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。
浸液
自聚 透镜 光纤
水银
水银式光纤温度开关
➢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
理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律
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
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℃。
纤断开处通过时，挡
光一次，在光纤输出
端得到一个光脉冲，
用记数电路和显示装
肖将通过光纤的工件 数显示出来。
遮断型
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到 位)、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。
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
k0n2 k0n1
当 k0n2 时，包层中的电磁场不再衰减，而成 为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传 播，即传导模截止，此时的模式称为辐射模。
当 k0n2 时，传导模处于临界截止状态，光线 在纤芯和包层的界面掠射。
➢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
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4.3 透射式强度调制
4.4 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
4.4 光模式强度调制
传播常数β是描述光纤中各模式传输特性的重要参 数，决定光纤中各模式的传输或截止。
k n1 cos
2 0
n1 cos
光纤中传输的信息是由传导模传送的。传导模的
传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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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
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。
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%。
✓ 如果球透镜在垂直于光路的方 向上产生微小位移时，在两个 接 收 光 纤 上 得 到 的 光 强 I1 和 I2 将发生变化。光强比值I1/I2 的 对数值与球透镜位移x呈线性 关系，但与初始光强无关。
移动球镜光学开关传感器
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
✓被记数工件随传送带 移动，一个工件从光
4.4 光模式强度调制
门窗防盗控制
自动扶梯自动启停
汽车通过检测
汽车喷涂控制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
围墙监护警戒
安 全 警 戒
库房卫士
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4.4 光模式强度调制
采用遮 断型光纤光 电开关对IC 芯片引脚进 行检测
第四章 强度调制型光纤传感器
✓ 转动的金属盘 上穿有透光孔。 当孔与光纤对 齐时，在光纤 输出端就有光 脉冲输出，这 是通过孔位的 变化对光强进 行调制。