第四章-强度调制型光纤传感器1

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在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述0cosEEkzt式中，为光波的常矢量振幅，为波数，为波长为，为频率，为初始相位。0E2kkzt光强、偏振态（的振动方向）、相位、波长、频率。20E0Ekzt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。信号入射光Iin光源SIDIouttIstIint探测器DID强度调制机理图t出射光Iout传感头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强度调制传感原理第四章强度调制型光纤传感器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内调型外调型（传光型或非功能型）（传感型或功能型）第四章强度调制型光纤传感器4.1强度调制传感原理第四章强度调制型光纤传感器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内调型外调型（传光型或非功能型）（传感型或功能型）4.1反射式强度调制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第四章强度调制型光纤传感器4.2反射式强度调制ad2rEmittingFiberReceivingFiber位移方向发射光纤像LDPINxzyo反射面确定传感器的响应（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1tan(sin)TNA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反射式强度调制当间距a2dT时，即ad/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a2dT-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，因此，在此间隙范围内光耦合系数为。2(2)sT2(2)rsT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。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反射式强度调制在线性近似条件下，可得到交叠面积1arccos11sinarccos1rrr由几何关系可得2dTarr其中，F被称为耦合效率。22oiPrFPrdT由接收光纤接收的光功率占入射光功率百分比为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。前坡，后坡：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：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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。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第四章强度调制型光纤传感器4.2反射式强度调制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。芯径不等式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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。芯径不等式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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。等芯错位式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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。等芯错位式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TF与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1，包层之间无间隙。等芯不等间距Ⅰ式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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。等芯不等间距Ⅱ式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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等芯不等间距式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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。等芯不等间距式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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。反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较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第四章强度调制型光纤传感器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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4.2反射式强度调制df2ard1αα2d发射光纤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第四章强度调制型光纤传感器4.2反射式强度调制特点：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。倾斜式光纤强度调制传感器光强调制特性曲线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。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反射式强度调制优点：针对不同的测量要求，可选择不同的参数，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