光纤传感器设计与应用

强度型光纤传感的补偿特性实验

功能型光纤传感器已逐渐渗透到各研究领域，其应用范围日益广泛。基于补偿式光纤强度传感原理的光纤传感实验系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便，应用范围广等特点。

光纤传感设计实验系统可以非常方便的构造反射式光纤微位移传感器，其测量分辨率可以达到数十微米，通过更换不同芯径的光纤或者改变光纤的排列结构，可以进一步提高位移传感器的探测灵敏度；此外，通过巧妙地物理量或者能量转换，还可以测量多种诸如温度、压力、液位、形变等物理量。一．实验目的

1、了解光纤纤端光场的分布特性，以及光纤强度传感原理；

2、掌握光纤传感器实验系统的基本构造和原理，学习其使用方法。

3、掌握光纤传感器的强度补偿机理及其方法，验证补偿效果。

4、了解温度敏感元件、压力敏感元件的测量原理；

5、掌握光纤传感器设计实验系统的基本构造和原理，学习其使用方法。

6、掌握强度性光纤温度传感器、强度型光纤压力传感器、强度型光纤液位传感器的基本原理和设计方法。

二．实验仪器

光纤传感设计实验系统，补偿式光纤传感探头，光纤位移标定器，遮光罩，光纤温度传感器，光纤压力传感器，光纤液位传感器。

三．实验原理

光纤传感器采用强度型光纤传感的方式，反射式调制原理。反射调制方式的光纤探头由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜的反射光。光源光纤发出的光照射到反射器上，其中一部分反射光由接收光纤接收，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。

为了减少光强起伏，光纤微弯损耗以及反射面反射率变化所带来的影响，采用一种依赖于双接受光纤的相对光强，而不是单一光纤绝对光强的通用型光纤传感探头。在该设计中，采用了3根大芯径光纤，一字型并排排列，如图1

所示。光通过左边的光纤照射到反射面上。从反射面反射回来的光由光源发射光纤一侧的两接收光纤所接收，这样，反射目标的位移就由两接收光纤所接收到的光强之比来确定。由于这是一个比的过程，因此这种传感技术就是自动补偿了光源强度的变化，输入光纤损耗的变化以及反射面反射率的变化。

就反射式光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出

⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧+-⋅+=22/30202222/302020

])/(1[exp ])/(1[),(a x a r a x a I x r ξσξσφ （1） 式中，I 0为由光源耦合入发送光纤中的光强；),(x r φ为纤端光场中位置),(x r 处的光通量密度；σ为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，πσ=；a 0为光纤芯半径；ξ 为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。

光 源

探测器探测器图1 三光纤补偿式光纤传感探头结构

如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为

ds x r x I ds x r x r I S S ⎰⎰⎰⎰⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅==)(exp )

(),(),(2220ωπωφ （2） 式中

])/(1[)(2/300a x a x ξσω+=

这里，S 为接收光面，即纤芯面。

在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为：

⎭

⎬⎫⎩⎨⎧-⋅=)(exp )(),(2220x r x SI x r I ωπω （3） 为了给出反射接收特性函数，采用等效分析的方法。首先，给出接收光纤关于反射体的镜像，并求出相应镜像坐标值。然后利用光纤接收公式（2）直接计算出该镜像接收光纤在光源光纤纤端光场中所接收到的光强值。最后，将该值乘以反射体的反射率R ，作为实际系统的等效结果。如图2所示。

图2 补偿式光纤传感位移测量原理

考虑平行放置的3根光纤与反射面垂直的情况，光纤与反射面之间的距离为x ，光源光纤传出的光射向反射面，接收光纤所接收到的由反射面反射回来的光强可表示为

⎭

⎬⎫⎩⎨⎧-⋅=)2(exp )2()2,(2212011x d x SRI x d I ωπω (4) 及

⎭

⎬⎫⎩⎨⎧-⋅=)2(exp )2()2,(2222022x d x SRI x d I ωπω (5) 式中，I 1和I 2分别近邻接收光纤和次近邻光纤所接收到的光强，d 1和d 2分别为两光纤到发射光纤轴心间的距离；x 是三光纤与反射面之间的距离；I 1（d 1,2x ）

及I 2(d 2,2x)为两接收光纤输出的特性调制函数，它与光纤芯径、光纤数值孔径及出射光的分布模式有关，如图3（a ）所示。S 表示光纤接收光面；R 为反射面的反射系数。I 0为光源耦合到光纤中的光强。于是两接收光强之比为

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡--=)2()(exp 2212212x d d I I ω （6） 式中

])/(1[)(2/300a x a x ξω+=

（a ）两接收光纤输出的位移光强特性曲线

（b ）位移与两接收光纤输出光强比值的特性曲线

图3 补偿式光纤传感探头的位移传感特性曲线

式（17）标明，比值I 2/I 1与距离x ，光纤的芯径0a ，以及两接收光纤与光源

光纤的传输轴之间的距离的平方差（

2122d d -）有关。对于光纤传感器设计系统的补偿式传感探头，光纤芯径mm a 10=，距离平方差2122d d -≈23mm 均为

定值，因此21/I I 随位移x 单调增加，如图3（b ）所示。即比值I 2/I 1仅是距离x 的函数，而与光源的性质，反射体的反射率等因素无关，补偿了上述因素对光强的影响。

1．强度型光纤温度传感器

强度型光纤温度传感器的设计思想是利用光纤传感探头的位移敏感特性，利用温度敏感元件，将温度转化成位移，从而对温度进行测量。最长用的常用的温度—机械量转换元件为双金属片。

双金属片的工作原理是，双金属片在温度改变时，由于热膨胀系数不同，两面的热胀冷缩程度不同，因此在不同的温度下，其弯曲程度发生改变。如图4所示，当双金属片受热变形时， 其端部产生的位移量x 由下式给出

h

T l K x ∆⋅⋅=2 （7） 式中：T ∆——温度变化，l ——双金属片长度，K ——由两种金属热膨胀系数之差、弹性系数之比和宽度比所决定的常数，h ——为双金属片的厚度。

图4 双金属片受热引起形变的示意图

当温度变化时，利用双金属片的反转对称性，将双金属片的弯曲变形转换为自由端的线性位移，从而带动反射镜在水平方向上移动，调制反射接收光纤的光信号。从而实现了反射式光纤温度的测量。