第四章 强度调制型光纤传感器1

4.2 反射式强度调制
等芯不等间距式
可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，改善 特性曲线的线性范围、线性度。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较
采用适当形式的三光纤传感器不但可以改善传感器的线性 范围和线性度，而且可有效的消除光功率波动和反射面反 射率的变化等因素对测量精度的影响； 采用三光纤结构时应首选芯径不等式或等芯不等间距Ⅰ式。
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器的优点： 原理简单、体积小、性能可靠、设计灵活、 价格低廉、带宽高、频率响应快等独特优 点，在要求成本和采样速率的高精度、非 接触式测量领域更具吸引力; 应用范围广，已经广泛应用于位移、振动、 压力、应变、角位移、表面粗糙度、温度 等物理量的测量。 在光纤传感领域中占据十分重要的位置
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器的缺点：
抗干扰能力差。
因为以光强变化来获取被传感参量变化的信息，测量结 果极易受光源、光纤等引起的光强波动以及探测器和后 续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差。 研究表明，环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性 变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定 性的主要因素。
4.1 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
发射光纤
接收光纤
反射式光纤传感器的基本结构
光源、传输光纤（发射与接收）、反射面以及光电探测器
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是
一般物体的反射面或漫射面。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
光纤倾斜式改进型：
发射和接收光纤的端部各耦合一个渐变折射率光纤(GRIN ) 制成的透镜，该透镜可使光源发出的光会聚成一平行光束 并以入射角θ照射到试件上。接收GRIN透镜放置在镜面反 射的方向上。 若把试件置于某一特定位置
DM，接收光纤能接收到所
d
确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光 路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合
假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射 率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且 T tan(sin 1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
当间距a>2dT时，即a<d/2T时，没有反射光进入 接受光纤，即两光纤的光耦合为零； 当间距a<2dT-2r时，即d>(a+2r)/2T时，接收光纤 与发射光纤的像的光椎底端相交，此时光椎的底端面 积为 (2sT )2 ，因此，在此间隙范围内光耦合系数为
发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射 到接收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被 测面与光纤间的距离变化而变化。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber
x
y
o
发射光纤像 z
a
PIN Receiving Fiber
2r
位移方向
由几何关系可得

2dT a r r
r 2 dT
2
由接收光纤接收的光功率占入射光功率百分比为
Po F Pi r
其中，F 被称为耦合效率。
可用于反射式强度调制光纤传感器的简单的设计与分析
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线
光强 E0 、偏振态（ E0 的振动方向）、 相位 kz t 、波长 、频率 。
2
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4.1 强度调制传感原理
利用对外界因素引起光纤中光强的变化来探 测外界物理量及其变化量的光纤传感器。
Is t ID
光源S 入射光Iin Iin t
信号
出射光Iout
Iout
ID
t
探测器D
t
传感头
强度调制机理图
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
原理简单、体积 小、价格低廉、 带宽高、频率响 应快 ;
易受光源、光纤、光纤器件（耦合器、连接器 等）以及光探测器等引起的光强变化的影响
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
反射式强度调制
透射式强度调制
有入射光。当试件向测头移 近或远离时，仅能接收到一
部分光，也就是说，接收光
强的大小取决于距离D，由 此可求出测头到被测表面的
距离D。
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4.2 反射式强度调制
优点：
由于测量时的入射光是平行光束，使得输出信 号增强； 在这种结构传感器中，两光纤间距d和入射角 都是可调节的。 针对不同的测量要求，可选择不同的参数 d、 ，对工作距离没有限制。这些特点使该类型传感器在 在线检测和过程控制方面有着广泛的应用前景。
(r 2sT )2 。
当间距2dT-2r ≤ a ≤2dT 时，即 a/2T≤ d ≤ (a+2r)/2T时，耦合到接 收光纤光通量由发射光纤的像发 出的光椎底面与接收光纤重叠的 面积确定。
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4.2 反射式强度调制
在线性近似条件下，可得到交叠面积
1 arccos 1 1 sin arccos 1 r r r
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
光纤截面的不同排列方式示意图
增大发射亮度和接收光通量
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4.2 反射式强度调制
传统反射式强度调制光纤传感器的缺点：
绝大数含有传感信息的调制光损耗在光纤传感头 和反射面之间，仅有很小一部分调制光被接受光 纤接受并传输至探测器； 灵敏度较低，存在较大测量死区，而且过小的光 纤间距也不易调整，限制了光纤传感器的应用。
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
4.1 强度调制传感原理
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述
E E0 cos kz t
式中， E0 为光波的常矢量振幅， k 2 为波数， 为频率， kz t 为初始相位。 为波长为，
第四章 强度调制来自百度文库光纤传感器
4.2 反射式强度调制
Y型光纤探头
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
各种结构形式光纤传感器对照表
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
单根双向Y型光纤传感器：发射与接收光纤由同一根光纤实 现。具有高的位移灵敏度，但测量范围很小； 并行排列单向分离型光纤传感器：发射与接收光纤分开，成 左右对称排列形式。具有大的测量范围和较低的位移灵敏度； 随机排列单向分离型光纤传感器：多根发射与接收光纤混 合随机地分布。具有较高的位移灵敏度和较小的测量范围； 同心圆排列单向分离型光纤传感器：一根或多根发射光纤位 于中心，周围是接收光纤。具有较大的测量范围和较高的位 移灵敏度，其最大的优点是可以减小倾斜和转动的影响。 针对应用场合的不同，选择和设计不同的传感器结构。 在测量小孔径、小被测表面的物体时选择(a)结构的传感器； 在测量空间大、被测表面大物体时选择(d)结构的传感器。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
在实际设计中，为了增大发射亮度和接收光通 量，往往不用单根发射光纤和接收光纤，而采用多 根光纤集合成的发射光纤束和接收光纤束，将发射 光纤束的发射端和接收光纤束的接收端集合在一起， 构成Y型光纤探头。这种结构可有效地减少光源波 动的影响，减少不同反射面反射率差异的影响，以 及分散结构存在的接收元件、放大电路和光纤微弯 损耗不匹配的影响，起到很好的补偿作用。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射式光纤传感器强度调制特征参数
起始距离d0：
接收光纤开始能接收到由发射光纤 发出并经反射面反射的光时所对应 的反射面到光纤端面之间的距离， 其中区间[0, d0]称为死区。
峰值距离dp ：
当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面反射的光 信号达到最大值时，光纤端面与反射面之间的距离称为峰 值距离dp。 位于[d0, dp]的特性曲线段称为前坡； 位于[dp, ∞]的特性曲线段称为后坡 。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射式强度调制光纤传感器的缺点：
灵敏度和线性测量范围相互制约严重；
前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，但其线性范围小， 只适用于测量微小位移变化； 后坡曲线的斜率为负，虽然线性范围大，但灵敏度低，只 能用于低分辨力大量程的位移测量。
第四章 强度调制型光纤传感器
提高稳定性、增强灵敏度、扩大线性范 围等成为反射式强度调制光纤传感器的 研究热点
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
基本思想：用两根(或两组)光纤分别接收测量 光，利用两组测量信号的相关性与差异性并 进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目 的。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
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）
第四章 强度调制型光纤传感器
4.1 强度调制传感原理
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）
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
等芯不等间距Ⅰ式
TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为 t1，包层之间无间隙。
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4.2 反射式强度调制
等芯不等间距Ⅱ式
TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为 t1； TF与RF1的包层之间无间隙，而与RF2的包层 之间存在间隙p0。
芯径不等式
TF为发射光纤，RF为接收光纤。
RF1与TF相同，芯径为r1、包层厚度为t1； RF2 与TF不同，芯径为r2、包层厚度为t2；包层之间 无间隙。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
芯径不等式
可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，改善 特性曲线的线性范围、线性度。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
等芯不等间距式
光强调制特性本质上没有区别。 Ⅰ式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容 易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；Ⅱ式 由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距 不容易准确给定，容易引入测量误差； 实际应用中采用Ⅰ式结构
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
4.2 反射式强度调制
等芯错位式
TF 与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1， 包层之间无间隙；
TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分 别为b1和b2。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
等芯错位式
可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对 特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。
前坡，后坡 ：
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
接收光纤接受的强度调制特性不但与光 源、光纤到反射面的距离、反射面的特性
（反射率、斜度等）有关，而且与光纤的数
值孔径（NA）、纤芯、光纤的数目及端面的
排列方式以及光接收器性能及其与光纤的耦
合等密切相关。
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
4.2 反射式强度调制
d1 2a r α
发射光纤 2d α
df
接收光纤
发射光纤像
倾斜式光纤强度调制传感器原理结构图 特点：发射光纤和接收光纤均与反射面的法线成一定角度
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
倾斜式光纤强度调制传感器光强调制特性曲线 特点：随着光纤倾角的增大，传感器的灵敏度增大，死区范 围减小，但线性测量范围减小。