第3章 强度调制型光纤传感器
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目前， 改进方案有： 强度调制型光纤传感器在稳定性补 偿多采用光纤耦合器作为分光与合光元件， 由于这种耦合器 件很难实现稳定分光， 传感器系统的测量精度和稳定性均较 差， 因此， 对高精度光纤传感器， 采用对光模式不敏感， 分 光比较稳定的立方棱镜分光结构不失为一种很好的解决方法。 1983年， Spillman在他改进的光纤压力传感器中使用了棱镜偏 振分光的方法， 将通过传感头的入射光分成两束差动光， 实 现了对光源光功率和入射光纤损耗的补偿。 但由于两根接收 光纤和探测器的影响尚未消除， 致使系统仍不能长期稳定地 工作。
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第3章 强度调制型光纤传感器
图3-2 光桥平衡补偿结构图
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第3章 强度调制型光纤传感器
两个光源S1和S2通过两根入射光纤L1和L2与光桥的两个输 入端相连； 两个光电探测器D1和D2通过两根出射光纤L3和L4 与光桥的两个输出端相连； Oij表示从第i个光源发出的光耦合 进第j个光电探测器的传输函数； 每个元件的标号S、L、M、 D分别为每个元件相应的传输函数。 两个光源采用时分调制 方式交替发光、 两个探测器同时探测， 得到四个信号：
（3.2-6） （3.2-7） （3.2-8） （3.2-9）
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式中，元件标号S、L、D为每个元件相应的传输函数； M1 和M2为两束偏振光的调制函数， M1=cos2（δ/2），M2=sin2 （δ/2），δ为传感材料在被测参量作用下引入的位相差， 仅与被测参量有关。 进行如下的运算， 得到相应的输出为
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图3-3所示的透射式光桥补偿结构， 采用双光源交替发 光、 双探测器同时探测的工作方式。 光源S1发出的光经传 感材料， 带有被测参量的信息， 由偏振分光棱镜P.S分成两 束偏振光， 由D1和D2同时探测； 光源S2发出的光不经传感 材料， 不带有被测量的信息， 直接由P.S分成两束光， 由 D1和D2同时探测， 从而得到四个信号：
强度调制型光纤传感器具有结构简单、 容易实现， 成本 低等优点； 同时又存在测量精度较低、 受光源强度波动和连 接器损耗变化等影响较大的缺点。
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第3章 强度调制型光纤传感器
研究结果表明， 测量精度较低的根本原因在于传输光纤 中的各种扰动， 包括光源与光源耦合的变化， 光纤传输中 的弯曲、 挤压等引起的损耗， 以及光纤的连接损耗的变化， 光电器件的特性漂移等因素带来的影响不能被消除， 从而限 制了自身的发展。 因此， 研究强度调制型光纤传感器的信 号补偿技术， 消除扰动对传感器的影响， 是一个极其迫切 的问题。 这对于强度调制型光纤传感器的应用和发展有着十 分重要的意义。
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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。
（3.2-1） （3.2-2） （3.2-3） （3.2-4）
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第3章 强度调制型光纤传感器
进行如下的运算， 得到相应的输出为 （3.2-5）
可见， Q值仅与被测量和各个耦合器的耦合比有关。 而 实际上耦合器的耦合比明显地依赖于入射光功率模式分布和 光波长以及环境温度的变化。
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第3章 强度调制型光纤传感器
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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。
虽然目前单模光纤耦合器的制作技术已趋于成熟， 但多 模光纤耦合器的稳定性问题却很难解决， 国内较好的多模光 纤耦合器稳定性也只有10%， 这远远满足不了系统精度和稳 定性的要求。 这种方法的另一个缺点是结构比较复杂， 为此， 有必要寻求一种新型、 高精度、 高稳定度的补偿方法。
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第3章 强度调制型光纤传感器
第3章 强度调制型光纤传感器
第3章 强度调制型光纤传感器
3.1 强度调制传感原理 3.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术 3.3 强度调制型光纤传感器的类型及应用实例
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第3章 强度调制型光纤传感器
3.1
强度调制型光纤传感的原理（如图3-1所示）为利用被测 对象的变化引起敏感元件的折射率、 吸收或反射等参数的变 化， 而导致光强度变化来实现敏感测量。 此类传感器利用光 纤的微弯损耗； 各物质的吸收特性； 振动膜或液晶的反射光 强度的变化； 物质因各种粒子射线或化学、 机械的激励而发 光的现象； 以及物质的荧光辐射或光路的遮断等可以构成压 力、 振动、 温度、 位移、 气体等各种强度调制型光纤传感器。
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第3章 强度调制型光纤传感器
图3-1 强度调制型光纤传感原理图
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第3章 强度调制型光纤传感器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一般情况下， 强度调制型光纤传感器的价格要比干涉类 型光纤传感器少一个数量级； 在各种调制方式中， 强度调制 型光纤传感器约占其中的30%。 强度调制型光纤传感器也是 最早进入实用化和商品化的光纤传感器。
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第3章 强度调制型光纤传感器
3.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术
强度调制型光纤传感器是直接利用被探测的光强与被测参 量之间的关系实现的， 传感器系统的稳定性易受各种因素的 影响， 因此要想实现高精度测量， 必须采取适当的稳定性补 偿措施。 国内外学者为了寻求各种实用的补偿方法， 做了大 量的研究工作， 综合起来主要有六种补偿方法： 光桥平衡法、 双光路法、 双波长法(双频法)、 Culshaw网络法、 Beheim网络 法、 四端网络法。 其中， 光桥平衡法是补偿技术中应用较多 的一种方法， 并且随着技术的进步， 存在多种改良， 下面主 要介绍一下光桥平衡补偿方法以及其余几种补偿技术。
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图3-2 光桥平衡补偿结构图
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两个光源S1和S2通过两根入射光纤L1和L2与光桥的两个输 入端相连； 两个光电探测器D1和D2通过两根出射光纤L3和L4 与光桥的两个输出端相连； Oij表示从第i个光源发出的光耦合 进第j个光电探测器的传输函数； 每个元件的标号S、L、M、 D分别为每个元件相应的传输函数。 两个光源采用时分调制 方式交替发光、 两个探测器同时探测， 得到四个信号：
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式中，元件标号S、L、D为每个元件相应的传输函数； M1 和M2为两束偏振光的调制函数， M1=cos2（δ/2），M2=sin2 （δ/2），δ为传感材料在被测参量作用下引入的位相差， 仅与被测参量有关。 进行如下的运算， 得到相应的输出为
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图3-3所示的透射式光桥补偿结构， 采用双光源交替发 光、 双探测器同时探测的工作方式。 光源S1发出的光经传 感材料， 带有被测参量的信息， 由偏振分光棱镜P.S分成两 束偏振光， 由D1和D2同时探测； 光源S2发出的光不经传感 材料， 不带有被测量的信息， 直接由P.S分成两束光， 由 D1和D2同时探测， 从而得到四个信号：
强度调制型光纤传感器具有结构简单、 容易实现， 成本 低等优点； 同时又存在测量精度较低、 受光源强度波动和连 接器损耗变化等影响较大的缺点。
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研究结果表明， 测量精度较低的根本原因在于传输光纤 中的各种扰动， 包括光源与光源耦合的变化， 光纤传输中 的弯曲、 挤压等引起的损耗， 以及光纤的连接损耗的变化， 光电器件的特性漂移等因素带来的影响不能被消除， 从而限 制了自身的发展。 因此， 研究强度调制型光纤传感器的信 号补偿技术， 消除扰动对传感器的影响， 是一个极其迫切 的问题。 这对于强度调制型光纤传感器的应用和发展有着十 分重要的意义。
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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。
（3.2-1） （3.2-2） （3.2-3） （3.2-4）
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进行如下的运算， 得到相应的输出为 （3.2-5）
可见， Q值仅与被测量和各个耦合器的耦合比有关。 而 实际上耦合器的耦合比明显地依赖于入射光功率模式分布和 光波长以及环境温度的变化。
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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。
虽然目前单模光纤耦合器的制作技术已趋于成熟， 但多 模光纤耦合器的稳定性问题却很难解决， 国内较好的多模光 纤耦合器稳定性也只有10%， 这远远满足不了系统精度和稳 定性的要求。 这种方法的另一个缺点是结构比较复杂， 为此， 有必要寻求一种新型、 高精度、 高稳定度的补偿方法。
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第3章 强度调制型光纤传感器
第3章 强度调制型光纤传感器
3.1 强度调制传感原理 3.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术 3.3 强度调制型光纤传感器的类型及应用实例
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第3章 强度调制型光纤传感器
3.1
强度调制型光纤传感的原理（如图3-1所示）为利用被测 对象的变化引起敏感元件的折射率、 吸收或反射等参数的变 化， 而导致光强度变化来实现敏感测量。 此类传感器利用光 纤的微弯损耗； 各物质的吸收特性； 振动膜或液晶的反射光 强度的变化； 物质因各种粒子射线或化学、 机械的激励而发 光的现象； 以及物质的荧光辐射或光路的遮断等可以构成压 力、 振动、 温度、 位移、 气体等各种强度调制型光纤传感器。
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图3-1 强度调制型光纤传感原理图
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第3章 强度调制型光纤传感器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一般情况下， 强度调制型光纤传感器的价格要比干涉类 型光纤传感器少一个数量级； 在各种调制方式中， 强度调制 型光纤传感器约占其中的30%。 强度调制型光纤传感器也是 最早进入实用化和商品化的光纤传感器。
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第3章 强度调制型光纤传感器
3.2 强度调制型光纤传感器的补偿技术
强度调制型光纤传感器是直接利用被探测的光强与被测参 量之间的关系实现的， 传感器系统的稳定性易受各种因素的 影响， 因此要想实现高精度测量， 必须采取适当的稳定性补 偿措施。 国内外学者为了寻求各种实用的补偿方法， 做了大 量的研究工作， 综合起来主要有六种补偿方法： 光桥平衡法、 双光路法、 双波长法(双频法)、 Culshaw网络法、 Beheim网络 法、 四端网络法。 其中， 光桥平衡法是补偿技术中应用较多 的一种方法， 并且随着技术的进步， 存在多种改良， 下面主 要介绍一下光桥平衡补偿方法以及其余几种补偿技术。