第四章 強度調制型光纖傳感器1

第四章強度調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換為可測的光信號參數變化的裝置；被測參量在光纖中傳輸的理想平面波可用如下方程描述式中，為光波的常矢量振幅，為波數，為波長為，為頻率，為初始相位。光纖中光波調制原理五個參數：光強、偏振態（的振動方向）、相位、波長、頻率。強度調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制型光纖傳感器1.優點2.缺點強度調制型光纖傳感器的分類1.光強調制方式反射式強度調制透射式強度調制光模式強度調制折射率強度調制光吸收系數強度調制等2.光纖在傳感器中的作用內調型外調型（傳光型或非功能型）（傳感型或功能型）發射光纖接收光纖反射式光纖傳感器的基本結構光源、傳輸光纖（發射與接收）、反射面以及光電探測器非功能型基本結構：調制原理：

發射光纖將光源發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。反射式強度調制光纖傳感器強度調制特性曲線反射式光纖傳感器強度調制特征參數起始距離d0：接收光纖開始能接收到由發射光纖發出并經反射面反射的光時所對應的反射面到光纖端面之間的距離，其中區間[0,d0]稱為死區。峰值距離dp

：當接收光纖接收到的由發射光纖發出并經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，而且與光纖的數值孔徑（NA）、纖芯、光纖的數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。反射式強度調制光纖傳感器的優點：原理簡單、體積小、性能可靠、設計靈活、價格低廉、帶寬高、頻率響應快等獨特優點，在要求成本和采樣速率的高精度、非接觸式測量領域更具吸引力;應用范圍廣，已經廣泛應用于位移、振動、壓力、應變、角位移、表面粗糙度、溫度等物理量的測量。在光纖傳感領域中占據十分重要的位置反射式強度調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。

反射式強度調制光纖傳感器的缺點：提高穩定性、增強靈敏度、擴大線性范圍等成為反射式強度調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，測量結果極易受光源、光纖等引起的光強波動以及探測器和后續電路產生的電子噪聲的影響，存在較大測量誤差。

研究表明，環境光干擾、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定性的主要因素。基本思想：用兩根(或兩組)光纖分別接收測量光，利用兩組測量信號的相關性與差異性并進行適當的數據處理，便可以達到補償的目的。1.三光纖補償法改善調制特性技術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；采用三光纖結構時應首選芯徑不等式或等芯不等間距Ⅰ式。反射式強度調制三光纖傳感器調制特性比較

在實際設計中，為了增大發射亮度和接收光通量，往往不用單根發射光纖和接收光纖，而采用多根光纖集合成的發射光纖束和接收光纖束，將發射光纖束的發射端和接收光纖束的接收端集合在一起，構成Y型光纖探頭。這種結構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，以及分散結構存在的接收元件、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.光纖傾斜式傳統反射式強度調制光纖傳感器的缺點：絕大數含有傳感信息的調制光損耗在光纖傳感頭和反射面之間，僅有很小一部分調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，而且過小的光纖間距也不易調整，限制了光纖傳感器的應用。

優點：

針對不同的測量要求，可選擇不同的參數，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；在這種結構傳感器中，兩光纖間距d和入射角都是可調節的。

反射面可以是專設的平面鏡或棱鏡，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制。為了擴大其動態范圍，可在光纖端部增加一個透鏡組。A.正鏡式光強調制B.斜鏡式光強調制5.強度補償技術

由于采用光強信號變化作為信息的載體，反射式強度調制光纖傳感器不可