第四章强度调制型光纤传感器课件.ppt

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1、强度调制型光纤传感器的分类,1. 光强调制方式,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光吸收系数强度 调制等,2. 光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,4.3 透射式强度调制,调制原理：遮光,透射式,调制方法,光强调制特性曲线,典型透射式强度调制方式,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。,调制原理：,直接透射式,直接透射式,优点：结构简单,不足：灵敏度低、动态范围小,带有遮光屏

2、透射式,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。,组成,光闸形式,调制原理,发射光纤、受待测量控制的可动光闸和接收光纤,固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测物体本身等。,带有遮光屏透射式,带有遮光屏透射式,a. 带透镜结构 b. 不带透镜结构,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，灵敏度也降低一个数量级。,利用两个周期性结构的遮光屏改进传感器,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

3、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,调制原理：,利用两个周期性结构的遮光屏改进传感器,优点：,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。,应用实例,光纤甲烷气体传感器,甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线能力是一氧化碳的1530倍，占据整个温室贡献量的15%。,理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律,式中，I为光强， 为摩

4、尔分子吸收系数，C为气体浓度，L光和气体的作用长度。,遮光式光纤温度计,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1050的温度。检测精度约为0.5。,接收,光源,遮光板,双金属片,缺点： 输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,光纤位移传感器,移动球镜光学开关传感器,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

5、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。,光纤式光电开关,遮断型,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。,光纤式光电开关,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)。,检测生产流水线上瓶盖及商标,光纤式光电开关,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,光纤式光电开关,围墙监护警戒,库房卫士,安全警戒,光纤式光电开关,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片

6、引脚进行检测,光纤式光电开关,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。,编码盘装置,光纤式光电开关,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。,强度调制型光纤传感器的分类,1. 光强调制方式,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光吸收系数强度 调制等,2. 光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,4.4 光模式强度调制,传感头：多模光纤,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,机 理：芯模,

7、类 型：,传感头：多模光纤 机理：芯模 包层模 类型：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,传播常数是描述光纤中各模式传输特性的重要参数，决定光纤中各模式的传输或截止。,当 时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，即传导模截止，此时的模式称为辐射模。,光纤中传输的信息是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即,当 时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。,根据光纤的模式耦合理论，当光纤在轴向上发生周期性微弯时，光纤中的部分光会折射到包层中去，全反射被破坏，即部分导波模会转化

8、为辐射模，能量由纤芯转移到包层中，产生微弯损耗。因此，通过测量纤芯（亮场）或包层（暗场）中光的能量变化就可以测量如应力、重量、加速度和应变等物理量。也可以两场同时探测（相比）来补偿光源漂移的影响。,光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，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.,微弯光纤压力传感器,原来光束以大于临界角C的角度1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，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

9、或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。,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。,光模式强度调制的独特优点：,应用实例,光纤水听器,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,光纤灵巧结构与蒙皮,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

10、、层解等进行实行监测。,光纤灵巧结构与蒙皮,光纤智能地毯、坐垫,光纤压力传感器,光纤液位传感器,在建筑结构监测中的应用,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。,基本原理:,在建筑结构监测中的应用,强度调制型光纤传感器的分类,1. 光强调制方式,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光吸收系数强度 调制等,2. 光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,4.5 折射率强度调制,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,分类：,利用光纤折

11、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；,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；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；,传输波损耗变化型,一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 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,根据传输功率的变化可确定温度的变化。,

12、传输波损耗变化型,当Tn2，光在光纤中传输；当TT1时，n1n2，光传输条件被破坏，不能发生全反射，损耗增大，产生报警信号；,传输波损耗变化型,特点： 电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等。,应用： 大型电机、液化天然气及火警等报警系统。,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；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；,渐逝波耦合度变化型,若使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就能穿过间隙，使反射光减弱，这一过程称为受抑全反射。,当光在纤芯和包层分界面处发

13、生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长，这种现象称为渐逝场。,渐逝波耦合度变化型,原理：利用受抑全反射原理，当包层完全或部分去掉的两根单模或多模光纤相互靠近一定距离时，光将能从一根光纤耦合进另一根光纤中去，构成渐逝波耦合度光纤传感器。,应用：水听器、光扫描隧道显微镜,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；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；,光纤光强反射系数改变型,原理：利用光纤（或其他光学元件如棱镜）的反射端面的反射系数随被测参数变化而达到

14、调制光强的目的。,临界角强度调制,临界角强度调制型光纤传感器,调制机理：,由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束器偏转到到光电探测器;,光纤右端有两个相互搭接的反射面，其中底面为全反射面（镀膜而成），斜面反射面与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去;,光波在入射平面上的光强分配由菲涅尔公式描述,式中，R为平行偏振方向的强度反射系数，R为垂直偏振方向的强度反射系数；n=n3n1 ，为入射光波在界面上的入射角。,当光波以大于临界角（ ）的角入射到n1、n3介质的界面上时，若n3介质由于压力或温度的变

15、化引起n3微小变化，则会导致反射系数的变化，从而导致反射光强的改变。,应用：温度或压力传感器。,强度调制型光纤传感器的分类,1. 光强调制方式,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光吸收系数强度 调制等,2. 光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,4.6 光吸收系数强度调制,利用光纤的吸收特性进行强度调制,原理：辐射引起光纤吸收损耗增加，输出功率下降 敏感源：x 射线 、 射线 、 中子射线,特点：灵敏度高 、 线性范围大、有 记忆 性,利用光纤的吸收特性进行强度调制,应用：,改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。例如铅玻璃光纤对

16、X、射线和中子射线特别灵敏，并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。,既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。,利用半导体的吸收特性进行强度调制,发生本征吸收的条件：,半导体的本征吸收：当一束光经过半导体时，低于某波长 的光被半导体吸收而高于该波长将透过半导体。,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即：,工作原理：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的 相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。,半导体透射测量

17、原理,半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度的上升而增大。,4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术,由于采用光强信号变化作为信息的载体，反射式强度调制光纤传感器不可避免地要受光源功率波动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移以及环境杂散光等因素的影响。所以，要想获得高精度和高稳定性的测量，必须采取有效措施克服这些因素对测量的影响。,基本思想：通过参考光路引进参考信号，以补偿非传感因素引起的光强变化。,1. 双波长补偿法,基本思想：在传感器中采用不同波长的两个光源，这两个波长不同的光信号在传感头中受到不同的调制，对它进行一定的信号处理，就可达到系统补偿的目的。,1. 双

18、波长补偿法,由光源S1和S2分别发出波长为1和2的单色光，并在传感头SH处受到不同调制，再由探测器D1和探测器D2接收。,双波长补偿法光路图,1. 双波长补偿法,设D1接受光强信号为I1，D2接受光强信号为I2，则,S为光源输出功率，L为光纤透过率，M为传感头对光信号的强度调制函数 ，D为探测器的灵敏度。,1. 双波长补偿法,设D1接受光强信号为I1，D2接受光强信号为I2，则,补偿后的输出为,优点：消除了光纤传输损耗对测量结果的影响；不足：无法消除光源波动和探测器特性漂移的影响,1. 双波长补偿法改进型,目的：为了消除光源波动和探测器特性漂移的影响 基本思想：在光源S和传感头SH之间增加了一

19、个X形光纤耦合器C，以便监测光源功率的波动起伏，再用分时的方法监测S1和S2的信号。,1. 双波长补偿法改进型,四个探测信号,C1、C2为X形光纤耦合器分别对波长1和2的透过率,1. 双波长补偿法改进型,四个探测信号,补偿后的输出为,优点：,可消除光源功率波动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移等影响因素引起的误差，输出信号由强度调制函数M唯一决定；,1. 双波长补偿法改进型,四个探测信号,补偿后的输出为,不足：,无法消除由两光源光谱特性的变化、X型耦合器分光比的变化引起的误差，同时由于双波长光在光纤中传输的差异，该方法并不适合远程测量。,2. 旁路光纤监测法,基本思想：参考光纤和信号传输光纤的长度相同，经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影响，只是在传感头SH处，参考光纤从旁路通过，不受被测量调制。,光源,SH,探测器1,耦合器,2. 旁路光纤监测法,探测信号,优点：结构简单，消除光源功率波动的影响 ；不足：无法消除光纤损耗、探测器灵敏度漂移等因 素的影响。,The End,