强调制型光纤传感器
调制型光纤传感器的工作原理
调制型光纤传感器的工作原理调制型光纤传感器是一种利用光纤作为传感元件的传感器，它通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
光纤传输是调制型光纤传感器的基础。
光纤是一种具有非常低损耗的传输介质，其内部由一个或多个纤维芯和包围在外的包层组成。
通过光纤，光信号可以在纤芯中以全内反射的方式进行传输。
光纤的纤径一般非常小，通常为几个微米至几十个微米，因此可以方便地安装在不同的环境中。
光调制是调制型光纤传感器的关键步骤。
光调制是指通过改变光信号的某些特性来实现对外界物理量的测量。
常用的光调制方式有幅度调制、相位调制和频率调制等。
其中，幅度调制是最常用的方式，它通过改变光信号的强度来传递传感器所测量的物理量信息。
相位调制则是通过改变光信号的相位来传递信息，频率调制则是通过改变光信号的频率来传递信息。
这些调制方式可以根据具体的应用需求来选择。
光检测是调制型光纤传感器的最后一步。
光检测是指通过光电探测器将调制后的光信号转换为电信号，以便进一步处理和分析。
常用的光电探测器有光电二极管（PD）和光电倍增管（PMT）等。
光电探测器可以将光信号的强度、相位或频率等信息转换为电流或电压信号，进而实现对外界物理量的测量。
调制型光纤传感器的工作原理可以通过一个简单的温度测量实例来说明。
假设我们需要测量一个物体的温度，可以将一个光纤传感器安装在物体表面附近。
当物体的温度发生变化时，光纤传感器会受到温度的影响而发生形变，从而改变光纤中的传输特性。
例如，温度升高会导致光纤的折射率发生改变，进而改变光信号的传输速度。
通过对这种速度变化进行测量和分析，就可以得到物体的温度信息。
调制型光纤传感器通过调制光纤中的光信号来实现对外界物理量的测量。
它的工作原理主要包括光纤传输、光调制和光检测三个部分。
通过合理选择光调制方式和光电探测器，可以实现对各种物理量的测量，例如温度、压力、形变等。
第三章 强度调制型光纤传感器 2013
• 其他形式反射式强度调制
工业用内窥镜
微机控制的工业内窥镜
医用内窥镜
• 医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组 成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通 过传像束输出。 • 由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真 小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的 重要仪器。
透射型强度调制方法
1、动光纤式 一根为光的入射光纤，另一根为调制后的光的出射光纤。两根光纤的间 距为2—3μ m，端面为平面，两者对置。通常入射光纤不动，外界因素 如压力、张力等使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤 输出的光强被其位移所调制。
２、遮光屏
３、动光栅式
微弯损耗光强调制
1 E0 Es Er es cos20 t cost 2 1 E0 es cost 2
双光路微弱信号检测
单光路检测中，调制区输出光强实际上还包含有光源的光强波动，这 一波动信号与外界被测信号很难区分，为了消除光源影响，采用 双光路微弱信号检测。
1
2
2 m a M
2 2
1、对于梯度光纤
2, 2 / a
Δ β 与模序数无关，即在β 空间所有模间隔相等，假如一个导模能被耦合入 另一导模，则所有导模都被耦合如邻近导模。如果使一个导模泄漏为辐射模， 则很多模都泄漏为辐射模，从而达到模式间的最佳耦合。最佳微扰周期
第三章 强度调制型光纤传感器
光调制分类
光调制技术在光纤传感器中是非常重要的技术，各 种光纤传感器都不同程度地利用了光调制技术。 调制方式分类: 强度调制 波长调制 频率调制 相位调制 偏振调制 将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,而能完成 这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参 数随外加信号变化而改变，被信息调制的光波在光纤 中传输，然后再由光探测系统解调，将原信号恢复。
反射式光纤传感器
选择=结果
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实验测试结果表明, 测量精度达1. 5%FS
实例二
选取大芯径200μm的多模光 纤,按照图示排列,L1、L2为两组 探测器发光光路;PD1、PD2 为接 1工作,L2非工作时,探测器PD1和PD2同时接收光源L1的信号, 用X1、Y1表示： 在L2 工作,L1 非工作时,探测器PD1和PD2同时接收光源L2的信号, 用X2、Y2表示：
实例二
S为与液位成正比的信号,代表液位
从上述公式看出光功率P1和P2以及K1、K2、M1、M2全部消除, 克服了由于这些因素所造成的测量误差,提高了测量精度。
系统经实验能够测量油罐内液位0～3m,精度±1%
实例三
采用了两圈接收光纤围绕一根 发射光纤的结构，R1、R2都是接收 光纤，由于距离信息被多根光纤平 均，且果取IR2/IR1，此值仅与测量 距离有关，这样降低了信号噪声， 可测范围o～1000tun，分辨率超过 0.1um。
最大测量距离可以通过调整两圈 接收光纤之间的距离来调节
曲率检测法
光纤束截面上光纤排列成三层同心圆环，由中心向外依次为内接收层、投射层 和外接收层。
膜片不受压力时处于平直状态，此时内、外层接收的光强信号相等,在压力作 用下,膜片变形而在光线投射处有一曲率,由此使得内接收层光强信号(Ii)大于或小 于外接收层光强信号（I0）。
国内从二十世纪八十年代始，不少学者也开始关注 RIM-FOS，并进行了广泛而深入的研究。
基本原理
光源发出的光经过发送光纤照射到反射面发生反射，反 射光进入接收光纤，最后由光电探测器接收。当反射面相 对于光纤端面的距离d发生变化时，反射回接收光纤的光 强也会发生变化，在其它参数不变的情况下，探测器接收 到的光功率Pr的大小取决于距离d。
2-1 强度调制型光纤传感器的原理
强度调制型光纤传感器原理《光纤传感技术》强度调制传感机理υ特点：简单，经济，可靠υ缺点：精度低入射光波出射光波I 1t I s t 强度调制区I D tI o t 信号信号强度调制方式υ反射式υ透射式υ光模式耦合υ折射率υ光吸收系数1. 反射式强度调制原理υ非功能型υ原理d < a/2T → a >2dT , 耦合至输出光纤的功率=0d > (a+2r)/2T → a <2dT-2r, 耦合系数=（r/2dT )2；a/2T ≤ d≤ (a+2r)/2T, 由重叠部分的面积确定a R R=r+2dTrδad 可移动反射镜Out In T=tg （sin -1NA)=a/2d 源光纤的像2d 2012P r F P r dT δα⎛⎫⎛⎫==⋅ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭1.1 反射式强度调制位移传感【例】已知：阶跃光纤F-d 曲线，2r ＝200μm ，NA ＝0.5，间距 a ＝100 μm, 则F 随d 变化速率0.005％/ μm问：系统分辨率10-7 ?(位移）A 20040050耦合效率/%反射位置600d=320μm 7.2%的效率Fd1.2 反射式光纤传感单元类型x x I TxI T 传光束型双光纤型单光纤型2. 透射式强度调制υ调制原理：遮光υ调制方法：芯径金属包层xD 入射光出射光发射光纤接收光纤-0.5D 0.51.00xI 0.5D -0.9D 0.9D 调制区域动纤式、遮光屏、吸收材料…2.1 透射强度调制类型υ光纤→光纤直接耦合：灵敏度低、动态范围小υ光纤→光纤透镜耦合：F 与反射式计算相同υ光栅遮光屏： 灵敏、简单、可靠dT d发射光纤接收光纤可移动遮光屏r δ发射光纤接收光纤透镜透镜移动光栅3. 光模式-受抑全内反射传感器υ传感头-多模光纤υ机理-芯模 包层模υ类型：υ透射式– 振动、位移υ缺点：需要精密机械调整和固定装置υ反射式υ无需精密调整装置υ应用：浓度、气/液二相流、温度等纤芯θ全内反射角位移x 固定光纤可动光纤入射光输出光3.1 光模式-微弯传感器υ传感头：多模光纤υ机理：芯模 包层模υ应用：压力、水声变形器光纤最小可测位移：0.01nm 动态范围：110dB4. 折射率υ光纤折射率变化型υ纤芯与包层折射率温度系数不同 测温υ主要应用：温度报警υ倏逝波耦合型υ边抛热敏光纤υMPDυ反射系数型—受抑全内反射型n2n3n15. 光吸收系数-辐射传感器υ光纤吸收特性υ辐射 吸收损耗增加，输出功率下降υ敏感源：x射线、γ射线、中子射线光纤υ特点：灵敏度高、线性范围大、有‘记忆’性（pp.58 图2-14）。
光纤传感原理及应用技术课件
8 A 0c
1
2
光纤耦合器
光纤陀螺是近20年来发展起来的一门新技术，除了在航空航天技术中用于导 航、制导、定位外，也可用于石油钻井中跟踪钻头位置、机器人控制、汽车 以及在其他测量角度的系统中应用。与传统的机电陀螺相比，光纤陀螺具有 启动快、体积小、成本低等优光纤点传，感原因理此及应它用更技具术课有件竞争力。
B-两束光波在相遇点的光程差不能太大。
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （1）迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪
LD 分光镜
固定反射镜
可移动 反射镜
光探测器
LD 光探测器
固定反射镜 3dB
可动端S(t)
2k0L
光纤干涉仪与普通的光学干涉仪相比，优点在于： （1）容易准直； （2）可以通过增加光纤长度来增加光程，以提高干涉仪的灵敏度； （3）封闭式的光路，不受外界干扰； （4）测量的动态范围大。
Fiber
Fiber
图3 光纤传感器传感探头具体的结构形式 Fig.3 Diagram of the fiber-optic temperature sensor probe
图416 光吸收系数强度调制辐射量传感器
射线辐射会使光纤材料的吸收损耗 增加，使光纤的输出功率降低，从 而构成强度调制辐射量传感器光。纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （4）法布里珀罗（FabryPerot）光纤干涉仪
(c)
光纤传感原理及应用技术课件
光纤传感原理 与应用技术
3、偏振调制型光纤传感器技术
强调制型光纤传感器
调制等
➢外调型
（传光型或非功能型）
➢内调型
（传感型或功能型）
4.3 透射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
➢调制原理：遮光 ➢调制方法
4.3 透射式强度调制
光强调制特性曲线
第四章 强度调制型光纤传感器
4.3 透射式强度调制
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。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.3 透射式强度调制
➢优点：结构简单 ➢不足：灵敏度低、动态范围小
x 2
(
y
do
)2
/
2
(
zd
)]
P2
P(x,
y, do )
P0rR2
2 (zd
)
exp[ x2
(y
do )2
/ 2 (zd
)]
PD P1 P2
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
灵敏度提高108%
第四章 强度调制型光纤传感器
可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
1
2
恶劣环境适应能 力强，可克服背 景气体、粉尘等 吸收干扰，测量 分辨力与精度高；
不需采样预处理 系统，节省了样 气预处理的时间 和样气在管道内 的传输时间，响 应速度快，可实 现工业过程实时 在线管理；
光纤传感器分为几大类
光纤传感器分为几大类
光纤传感器分类
根据光纤在传感器中的作用分
1、功能型（全光纤型）光纤传感器
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。
光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现“传”和“感”的功能。
因此，传感器中光纤是连续的。
由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。
2、非功能型（或称传光型）光纤传感器
光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。
光纤不连续。
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
光强调制型光纤传感器.
• 强度调制分为 – 非功能型光强调制 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上 受被测量调制。 – 功能型光强调制 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光 在光纤内受被测量调制。
光强度的外调制
外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传 光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常 用的调制器是反射器和遮光屏。
反射式强度调制型光纤传感器，简称RIM-FOS，具有结构
简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉等优点，而且可适用于 位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度等多种物 理量的测量。
光强调制型光纤传感器
光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化， 从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直 接用光电探测器进行检测。
应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
• 其基本结构主要由光源、调制区、光探测器三大部分组成 。
微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去 。
微弯损耗强度调制传感器原理图
功能型光强调制
• 变折射率型光强调制
液体芯光纤传感器探 头示意图
液体折射率随温度减小
液体光纤温度传感 器结构示意图
非功能型光强调制
• 非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦 合及ห้องสมุดไป่ตู้他物理效应，通过一定的方式使进入接收光纤的光 强随外界信号变化而改变。
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固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测 物体本身等。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
接收光纤1 接收光纤2 差动输出
P1
P(x,
y,
do
)
P0rR2
2 (zd
)
exp[
x 2
(
y
do
)2
/
2
(
zd
)]
P2
P(x,
y, do )
P0rR2
2 (zd
)
exp[ x2
(y
do )2
/ 2 (zd
)]
PD P1 P2
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
4.4 光模式强度调制
甲烷被认为是温室效应最主要的气体之一，其吸收红 外线能力是二氧化碳的15-30倍，占据整个温室气体 贡献量的15%，直接关系到人类健康生活。
甲烷与燃烧和推进联系非常紧密，其浓度测量直接与 对燃烧效率以及推进过程的分析有关。
Integrating … 为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，提高监控
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
入射光 接收光
I (r, z) P0 exp[r2 / 2 (z)] 2 (z)
(
z)
rE
[1
(
z rE
)
tan(arcsinNA)]
P(
x,
y,
do
)
P0rR2
2 (zd
)
exp
x2 ( y do )2 / 2 (zd )
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面存在偏移量 时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特 性曲线在形状上并没有改变，只是产生一定的相移。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.3 透射式强度调制
➢优点：结构简单 ➢不足：灵敏度低、动态范围小
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
组成
发射光纤、受待测量控制的可动光闸和接收光纤
调制原理
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。
利用响应误差信号的过零点作为绝对零点触发，可实现测微 和绝对跟踪能力，进而实现待测物的自动调整。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
4.4 光模式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
灵敏度提高108%
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
采用差动方式处理接收光强信号，可达到提高系统灵敏度、 抑制光源等光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪 声影响的目的
利用响应误差信号的双极性特点可准确判断角位移方向，并 通过响应误差信号的线性关系实现角位移的直接测量；
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。
缺点：
输出光强受壳
光源
体振动的影响，且
不需采样预处理 系统，节省了样 气预处理的时间 和样气在管道内 的传输时间，响 应速度快，可实在线高灵敏监 测，本质安全， 能耗低，抗电磁 干扰，便于复用 成网，并可与已 有监测网络联网。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
工业过程气体分析仪器应用领域及2010 年需求量
光纤
光纤 气室单元
光
信号预处
纤
理单元
激光器
激光器 控制单元
波形 发生器
温度控制
同步
锁相放大
显示与报警
数据处理 及显示
激光驱动与控制单元
信号处理与 显示单元
可调谐激光吸收光谱的光纤气体监测仪原理
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
1
2
恶劣环境适应能 力强，可克服背 景气体、粉尘等 吸收干扰，测量 分辨力与精度高；
降低一个数量级。
a. 带透镜结构 b. 不带透镜结构
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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
4.3 透射式强度调制
第四章 强度调制型光纤传感器
➢调制原理：遮光 ➢调制方法
4.3 透射式强度调制
光强调制特性曲线
第四章 强度调制型光纤传感器
4.3 透射式强度调制
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。
能力，研究实时在线高灵敏甲烷浓度的监测仪是十分必要的。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律
I I0 expLC
式中，I为光强， 为摩尔分子吸收系数，C为气体浓度，
L光和气体的作用长度。
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我 国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起的。瓦 斯的主要成分是甲烷，约占瓦斯气体的83%~89%。
油库、机库、动力室等大量使用的汽油等石油产品极 易挥发甲烷等气体。
Integrating … 当空气中的甲烷浓度约为5.3%到15%时，遇火源就会爆炸；在无火源 情况下，当空气中的甲烷浓度达到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。