第三讲 强度调制机理

受抑全内反射位 移传感器
光纤液位探 测器
3.反射系数型 反射系数型
工作原理：利用光纤光强反射系数的改 变来实现透射光强的调制。
5.1 .5 吸收系数强度调制
利用Байду номын сангаас纤的吸收特性进行强度调制
光吸 收系 数强 度调 制原 理图
利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度都随着温度的升 高而近似线性地减小。因此， 高而近似线性地减小。因此，它们的光吸 收边的波长将随着T的升高而变化。 收边的波长将随着T的升高而变化。如果选 用辐射谱与相适应的发光二极管， 用辐射谱与相适应的发光二极管，那么通 过半导体的光强将随着T的升高而下降， 过半导体的光强将随着T的升高而下降，测 量透过的光强，即可确定温度。 量透过的光强，即可确定温度。
其他方法： 1.遮光屏截断光路来实现透射式光强调制 ： 遮光屏截断光路来实现透射式光强调制 采用了一个双透镜系统使入射光纤在出射光 纤上聚焦成像，遮光屏在垂直于两透镜之间 的光传播方向上下移动。
2.改进：遮光屏由两块完全相同的光栅组 改进： 改进 成，其中一支为固定光栅，另一支为可 移动光栅。
输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为
1 δ δ δ α = arccos1 − − 1 − sin arccos1 − r r r π
δ
2dT − a = r r
2
被输出光纤接收的入射光功率百分数为：
5.1 .6 光强度调制信号的检测
--介绍两种微弱光强信号的检测技术 介绍两种微弱光强信号的检测技术
单光路微弱光强信号的检测
根据微弱信号窄带 化检测技术设计的 强度型光纤传感器 单光路检测系统如 图所示
双光路微弱光强信号的检测
目的：为了消除光源光强波动带来的干扰。 目的：为了消除光源光强波动带来的干扰。
第三讲强度调制 机理
第五章 光纤传感器基本原理
强度调制机理 相位调制机理 频率调制机理 波长调制机理 偏振调制机理 对光纤与光电器件的要求
5.1 强度调制机理
强度调制光纤传感器的基本原理：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。
调制方式:
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 吸收系数强度调制
周期与适当的两个模之 ∆β＝ β − β ′ ＝2π / Λ 间的传播常数相匹配 调制系数
2πa Λ c＝ 2∆
aπ m Λ= ∆ M
Q=
dT dx • dx dp
阶跃多模光纤中相邻芯模耦合时， 模序数与周期的关系
传播模式的改变，也会改变光纤模式斑图 1. 测量局部光斑的强度 变化 2. 二次曝光 3. 双模光纤的两个模式 光束之间存在受外界条 件影响的延时差。
构成： 构成：由夹在两块具有周期性波纹微弯板之间 的多模光纤构成的。 的多模光纤构成的。
作用机理：
光纤由变形器引起微弯变形时， 光纤由变形器引起微弯变形时，纤芯中 的光有一部分溢出到包层。 的光有一部分溢出到包层。若采取适当 的方式探测光强的变化， 的方式探测光强的变化，则可测量位移 变化量，据此可以制作出温度、压力、 变化量，据此可以制作出温度、压力、 振动、位移、应变等光纤传感器。 振动、位移、应变等光纤传感器。微变 光纤强度调制传感器的优点是灵敏度高、 光纤强度调制传感器的优点是灵敏度高、 结构简单、响应速度快。 结构简单、响应速度快。
2.渐逝波耦合型 渐逝波耦合型
倏逝波(evanescent 倏逝波(evanescent waves)
原理：受抑全反射
在全内反射的情况下，当光波由光密媒质入射 到光疏媒质，且入射光波以大于临界角的方向 入射到两种媒质的界面上时，入射光波就能全 部返回到光密媒质中。 采用一种办法使渐逝场能以较大的 振幅穿过光疏媒质， 振幅穿过光疏媒质，并延伸到临近 折射率高的光密媒质材料中， 折射率高的光密媒质材料中，能量 就能穿过间隙——受抑全反射 就能穿过间隙 受抑全反射
1.光纤折射率变化型 光纤折射率变化型
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不 在温度恒定时， 同。在温度恒定时，包层折射率与纤芯折射 率之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 率之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2、 之间的差发生变化，从而改变传输损耗。 n1 之间的差发生变化，从而改变传输损耗。 因此，以某一温度时接收到的光强为基准， 因此，以某一温度时接收到的光强为基准， 根据传输功率的变化即可确定温度的变化。 根据传输功率的变化即可确定温度的变化。 利用这一原理可以构成温度报警装置。 利用这一原理可以构成温度报警装置。
5.1 .4 折射率强度调制
作用机理：许多物理量（如温度、压力、应 变等）可以引起物质折射率的变化，从而实 现光调制。 调制方式：
（1）利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的 光强调制； （2）利用折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的光 强调制； （3）利用折射率的变化引起光纤光强反射系数改变 的透射光强调制。
P0 δ r = F = a ⋅ Pi r 2dT
2r=200um,NA=0.5, a=100um
测量主轴变位移 量的装置
5.1 .2 透射式强度调制
透射式光强调制光纤传感器的基本原理 将发射光 透射式光强调制光纤传感器的基本原理:将发射光 基本原理 纤与接收光纤对准， 纤与接收光纤对准，调制信号加在移动的遮光板 或直接移动接收光纤， 上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到 发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。 发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。
可以提高该类型传感器的灵敏度。分辨率在光栅 条纹间距的10-6数量级以内。
5.1 .3 光模式强度调制
主要是指微弯损耗 （一种典型的压力传感器） 微弯损耗：当光纤之间状态发生变化时，会 引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变 成了辐射模，从而引起损耗。 可以精确地把它与引起微弯的器件的位置及 压力等物理量联系起来构成各种功能的传感 器。
5.1 .1 反射式强度调制
一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传 光作用。 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。 传感器的调制机理：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。
d<a/2T(T=tg(sin-1NA))时，耦合进输出光纤 的光功率为零； d>(a+2r)/2T时，输出光纤与虚像发出的光锥 底端相交，其相交的截面积恒为πr2，光锥 的底面积为π(2dT)2,因此在这个范围内，传 光系数为(r/2dT)2； a/2T<d<(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的光 通量由输入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。(测量范 围)