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
➢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）
4.5 折射率强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
折射率强度调制
4.5 折射率强度调制
物理量引起光纤折射率的变化实现光强调制的方式
利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制；
利用光纤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；
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传输波损耗变化型
4.5 折射率强度调制
一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数
分类：
利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的强 度调制；
利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的 强度调制；
利用光纤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；
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第四章 强度调制型光纤传感器
折射率强度调制
4.5 折射率强度调制
利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；
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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。
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4.4 光模式强度调制
入射光 接收光
I(r,z)P 20(z)exp[r2/2(z)]
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
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传感头：多模光纤 机理：芯模 包层模 类型：光模式强度调制
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
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4.4 光模式强度调制
PD P1 P2
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4.4 光模式强度调制
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4.4 光模式强度调制
灵敏度提高108%
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4.4 光模式强度调制
采用差动方式处理接收光强信号，可达到提高系统灵敏度、 抑制光源等光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪 声影响的目的
(z)rE[1(rzE)tan(arcsinN A)]
P (x ,y ,d o )P 2 0 (r z R 2 d)e x p x 2 (y d o )2 / 2 (zd)
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4.4 光模式强度调制
接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面存在偏移量 时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特 性曲线在形状上并没有改变，只是产生一定的相移。
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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℃。
缺点：
输出光强受壳
光源
体振动的影响，且
响应时间较长，一
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
➢外调型
（传光型或非功能型）
➢内调型
（传感型或功能型）
4.4 光模式强度调制
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4.4 光模式强度调制
传感头：多模光纤
机 理：芯模 类 型：
➢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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢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
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➢调制原理：遮光 ➢调制方法
4.3 透射式强度调制
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光强调制特性曲线
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4.4 光模式强度调制
结构：多模光纤被绕制于开有纵向槽且带有螺纹的 铝管螺纹内
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4.4 光模式强度调制
在工程结构或部件的制造过程中，在其内部关 键部位埋人光纤阵列，对材料及结构内的应力、应 变等物理状态及由于外力、疲劳等产生的变形、裂 纹、蠕变、层解等进行实行监测。
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移动球镜光学开关传感器
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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
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
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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)。
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4.4 光模式强度调制
接收光纤1 接收光纤2 差动输出
P 1 P (x ,y , d o )P 2 0 ( r z R 2 d ) e x p [ x 2 (y d o )2 / 2 (z d )] P 2 P (x ,y , d o )P 2 0 ( r z R 2 d ) e x p [ x 2 (y d o )2 /2 (z d )]
能力，研究实时在线高灵敏甲烷浓度的监测仪是十分必要的。
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4.4 光模式强度调制
理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律
II0expLC
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
利用响应误差信号的双极性特点可准确判断角位移方向，并 通过响应误差信号的线性关系实现角位移的直接测量；
利用响应误差信号的过零点作为绝对零点触发，可实现测微 和绝对跟踪能力，进而实现待测物的自动调整。
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4.4 光模式强度调制
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4.4 光模式强度调制
光纤被夹在一对锯
齿板中间，当光纤
F 变形器 F
不受力时，光线从 光纤中穿过，没有 能量损失。当锯齿 板受外力作用而产
光纤
S
D
Λ
微弯光纤压力传感器
生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中
传输的光在微弯处有部分散射到包层中.
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4.4 光模式强度调制
原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输 为全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出， 散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度
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4.3 透射式强度调制
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。
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4.3 透射式强度调制
也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输
出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包
层的光功率，就能测得引起微弯的压
力、声压，或检测
n0
n2
由压力引起的位移 θ θ1
θ3
n1
θ2
等物理量。
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4.4 光模式强度调制
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4.4 光模式强度调制
光模式强度调制的独特优点：
降低一个数量级。
a. 带透镜结构 b. 不带透镜结构
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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
光纤
光纤 气室单元
光
信号预处
纤
理单元
激光器
激光器 控制单元
波形 发生器
温度控制
同步
锁相放大
显示与报警
数据处理 及显示
激光驱动与控制单元
信号处理与 显示单元
可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理
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4.4 光模式强度调制
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恶劣环境适应能 力强，可克服背 景气体、粉尘等 吸收干扰，测量 分辨力与精度高；
检测生产流水线上瓶盖及商标
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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
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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
瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我 国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起的。瓦 斯的主要成分是甲烷，约占瓦斯气体的83%~89%。
油库、机库、动力室等大量使用的汽油等石油产品极 易挥发甲烷等气体。
Integrating … 当空气中的甲烷浓度约为5.3%到15%时，遇火源就会爆炸；在无火源 情况下，当空气中的甲烷浓度达到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。
➢优点：结构简单 ➢不足：灵敏度低、动态范围小
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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。
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4.4 光模式强度调制
甲烷被认为是温室效应最主要的气体之一，其吸收红 外线能力是二氧化碳的15-30倍，占据整个温室气体 贡献量的15%，直接关系到人类健康生活。
甲烷与燃烧和推进联系非常紧密，其浓度测量直接与 对燃烧效率以及推进过程的分析有关。
Integrating … 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，提高监控
般需几分钟。
遮 光 双金 板 属片
接收
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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；
✓ 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。
不需采样预处理 系统，节省了样 气预处理的时间 和样气在管道内 的传输时间，响 应速度快，可实 现工业过程实时 在线管理；
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利用光纤实现远 程在线高灵敏监 测，本质安全， 能耗低，抗电磁 干扰，便于复用 成网，并可与已 有监测网络联网。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
工业过程气体分析仪器应用领域及2010 年需求量
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。
4.4 光模式强度调制
编码盘装置
第四章 强度调制型光纤传感器
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。
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
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
基本原理:
当腐蚀传感器处于腐蚀介质中时，腐蚀“保险 丝”会生锈变细而断裂，此时弯曲光纤的曲率将变 小甚至为零，通过光纤的光能量会迅速增加。
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
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
➢ 机械一光学转换效应使得所需部件少，设备简单， 造价低，便于分布式沿线测量；
➢ 容易机械装配，不需要将光纤连接到其它部件中， 从而避免了差热膨胀问题；
➢ 具有较高的可靠性和安全性；
➢ 由于光纤的光路是完全封闭的，更适合在高温高压、 易燃易爆、腐蚀性介质等恶劣环境下进行测量。
第四章 强度调制型光纤传感器