第四章 強度調(diào)制型光纖傳感器1

第四章強度調(diào)制型光纖傳感器光源傳感頭光電探測器信號處理光纖（光纖或非光纖）（信號接收）光纖傳感器的組成光纖傳感器是將被測參量轉(zhuǎn)換為可測的光信號參數(shù)變化的裝置；被測參量在光纖中傳輸?shù)睦硐肫矫娌捎萌缦路匠堂枋鍪街?，為光波的常矢量振幅，為波?shù)，為波長為，為頻率，為初始相位。光纖中光波調(diào)制原理五個參數(shù)：光強、偏振態(tài)（的振動方向）、相位、波長、頻率。強度調(diào)制型光纖傳感器利用對外界因素引起光纖中光強的變化來探測外界物理量及其變化量的光纖傳感器。定義：原理簡單、體積小、價格低廉、帶寬高、頻率響應(yīng)快;易受光源、光纖、光纖器件（耦合器、連接器等）以及光探測器等引起的光強變化的影響強度調(diào)制型光纖傳感器1.優(yōu)點2.缺點強度調(diào)制型光纖傳感器的分類1.光強調(diào)制方式反射式強度調(diào)制透射式強度調(diào)制光模式強度調(diào)制折射率強度調(diào)制光吸收系數(shù)強度調(diào)制等2.光纖在傳感器中的作用內(nèi)調(diào)型外調(diào)型（傳光型或非功能型）（傳感型或功能型）發(fā)射光纖接收光纖反射式光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)光源、傳輸光纖（發(fā)射與接收）、反射面以及光電探測器非功能型基本結(jié)構(gòu)：調(diào)制原理：

發(fā)射光纖將光源發(fā)出的光射向被測體表面，再從被測面反射到接收光纖，并由探測器接受；探測器接收到的光強大小隨被測面與光纖間的距離變化而變化。反射式強度調(diào)制光纖傳感器強度調(diào)制特性曲線反射式光纖傳感器強度調(diào)制特征參數(shù)起始距離d0：接收光纖開始能接收到由發(fā)射光纖發(fā)出并經(jīng)反射面反射的光時所對應(yīng)的反射面到光纖端面之間的距離，其中區(qū)間[0,d0]稱為死區(qū)。峰值距離dp

：當接收光纖接收到的由發(fā)射光纖發(fā)出并經(jīng)反射面反射的光信號達到最大值時，光纖端面與反射面之間的距離稱為峰值距離dp。前坡，后坡

：位于[d0,dp]的特性曲線段稱為前坡；位于[dp,∞]的特性曲線段稱為后坡。

接收光纖接受的強度調(diào)制特性不但與光源、光纖到反射面的距離、反射面的特性（反射率、斜度等）有關(guān)，而且與光纖的數(shù)值孔徑（NA）、纖芯、光纖的數(shù)目及端面的排列方式以及光接收器性能及其與光纖的耦合等密切相關(guān)。反射式強度調(diào)制光纖傳感器的優(yōu)點：原理簡單、體積小、性能可靠、設(shè)計靈活、價格低廉、帶寬高、頻率響應(yīng)快等獨特優(yōu)點，在要求成本和采樣速率的高精度、非接觸式測量領(lǐng)域更具吸引力;應(yīng)用范圍廣，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于位移、振動、壓力、應(yīng)變、角位移、表面粗糙度、溫度等物理量的測量。在光纖傳感領(lǐng)域中占據(jù)十分重要的位置反射式強度調(diào)制光纖傳感器的缺點：靈敏度和線性測量范圍相互制約嚴重；前坡靈敏度好，分辨力高，線性較好，但其線性范圍小，只適用于測量微小位移變化；后坡曲線的斜率為負，雖然線性范圍大，但靈敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移測量。

反射式強度調(diào)制光纖傳感器的缺點：提高穩(wěn)定性、增強靈敏度、擴大線性范圍等成為反射式強度調(diào)制光纖傳感器的研究熱點抗干擾能力差。因為以光強變化來獲取被傳感參量變化的信息，測量結(jié)果極易受光源、光纖等引起的光強波動以及探測器和后續(xù)電路產(chǎn)生的電子噪聲的影響，存在較大測量誤差。

研究表明，環(huán)境光干擾、光源的功率波動、光纖的特性變化、被測面的反射率變化等是影響傳感器精度和穩(wěn)定性的主要因素?；舅枷耄河脙筛?或兩組)光纖分別接收測量光，利用兩組測量信號的相關(guān)性與差異性并進行適當?shù)臄?shù)據(jù)處理，便可以達到補償?shù)哪康摹?.三光纖補償法改善調(diào)制特性技術(shù)采用適當形式的三光纖傳感器不但可以改善傳感器的線性范圍和線性度，而且可有效的消除光功率波動和反射面反射率的變化等因素對測量精度的影響；采用三光纖結(jié)構(gòu)時應(yīng)首選芯徑不等式或等芯不等間距Ⅰ式。反射式強度調(diào)制三光纖傳感器調(diào)制特性比較

在實際設(shè)計中，為了增大發(fā)射亮度和接收光通量，往往不用單根發(fā)射光纖和接收光纖，而采用多根光纖集合成的發(fā)射光纖束和接收光纖束，將發(fā)射光纖束的發(fā)射端和接收光纖束的接收端集合在一起，構(gòu)成Y型光纖探頭。這種結(jié)構(gòu)可有效地減少光源波動的影響，減少不同反射面反射率差異的影響，以及分散結(jié)構(gòu)存在的接收元件、放大電路和光纖微彎損耗不匹配的影響，起到很好的補償作用。2.多光纖法3.光纖傾斜式傳統(tǒng)反射式強度調(diào)制光纖傳感器的缺點：絕大數(shù)含有傳感信息的調(diào)制光損耗在光纖傳感頭和反射面之間，僅有很小一部分調(diào)制光被接受光纖接受并傳輸至探測器；靈敏度較低，存在較大測量死區(qū)，而且過小的光纖間距也不易調(diào)整，限制了光纖傳感器的應(yīng)用。

優(yōu)點：

針對不同的測量要求，可選擇不同的參數(shù)，對工作距離沒有限制。這些特點使該類型傳感器在在線檢測和過程控制方面有著廣泛的應(yīng)用前景。由于測量時的入射光是平行光束，使得輸出信號增強；在這種結(jié)構(gòu)傳感器中，兩光纖間距d和入射角都是可調(diào)節(jié)的。

反射面可以是專設(shè)的平面鏡或棱鏡，也可以是一般物體的反射面或漫射面。4.不同反射面設(shè)置方式

反射面與接收光纖的軸線垂直，外界信號通過控制反射面相對接收光纖入射端口的軸向線位移對進入接收光纖的光強進行調(diào)制。為了擴大其動態(tài)范圍，可在光纖端部增加一個透鏡組。A.正鏡式光強調(diào)制B.斜鏡式光強調(diào)制5.強度補償技術(shù)

由于采用光強信號變化作為信息的載體，反射式強度調(diào)制光纖傳感器不可