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。
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
什么是光纤传感器_光纤传感器分类
光纤传感器简介光纤最早是应用于光的传输，适合长距离传递信息，是现代信息社会光纤通信的基石。
光波在光纤中传播的特征参量会因外界因素的作用而间接或直接地发生变化，由此光纤传感器就能分析探测这些物理量、化学量和生物量的变化。
光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。
其基本原理是将光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使入射光的某些光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。
光纤传感器的分类光纤传感器按结构类型可分两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能性（传光型）传感器。
（1）功能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）作为传感元件，对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，多采用多模光纤。
优点：结构紧凑，灵敏度高。
缺点：须用特殊光纤，成本高。
典型应用：光纤陀螺、光纤水听器等。
（2）非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上被测量调制。
优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。
缺点：灵敏度较低。
实用化的大都是非功能型的光纤传感器根据被调制的光波的性质参数不同，这两类光纤传。
传感器原理及应用期末考试试题库含答案
一：填空题（每空1分）1.依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件，转换元件，测量电路三个部分组成。
2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。
3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，根据光电效应可以分为外光电效应，内光电效应，热释电效应三种。
4.光电流与暗电流之差称为光电流。
5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。
6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应，可采用直线栅式应变计和箔式应变计结构。
7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系，在后坡区与距离的平方成反比关系。
8.根据热敏电阻的三种类型，其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器。
9.画出达林顿光电三极管内部接线方式：U10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。
其定义为：传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比，用公式表示k（x）=Δy/Δx 。
11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一种度量。
按照所依据的基准之线的不同，线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。
最常用的是最小二乘法线性度。
12.根据敏感元件材料的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。
13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。
14.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法电桥补偿法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。
15. 应变式传感器一般是由 电阻应变片 和 测量电路 两部分组成。
16. 传感器的静态特性有 灵敏度 、线性度、灵敏度界限、迟滞差 和稳定性。
17. 在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为 外光电效应 ，入射光强改变物质导电率的物理现象称为 内光电效应 。
18. 光电管是一个装有光电 阴极 和 阳极 的真空玻璃管。
19. 光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变化的关系，与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。
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
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。
光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
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强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
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强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。
第四章-强度调制型光纤传感器11
第四章 强度调制型光纤传感器
4.2 反射式强度调制
反射面
LD
Emitting Fiber x
发射光纤像
yo
z
a
2r
PIN
Receiving Fiber
位移方向
d
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T tan(sin1 NA)
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
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。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯错位式
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。
第四章 强度调制型光纤传感器
➢等芯不等间距式
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
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
4.2 反射式强度调制
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
强度调制型光纤液体浓度检测传感器研究
Ｋｅ ｒ ｓ ｙｗｏ ｄ ：Ｃｏ ｃ ｎ ｒｔ ｎ ｏ ｏｕ ｉｎ Ｐｒ ｃｐｅｏ ｏａ ｅ ｌｃ ｉ Ｆｒｓ ｅ ｏ ｍｕａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｆｓ ｌｔ ａｏ ｏ ｉ ｉｌ ｆ ｔＩ ｆ ｔ ｎ ｔ ｒ ｅ ｏｎ ｅ ｎ Ｉ ｒ ｌ ｆ Ｌ ｍｂ ｒ－ ｅｒ ｗ Ｏｐｉａ ｉｒ ｅ ｓ ｒ ａ ｅ Ｂｅ ’ ｌ ｔ ｓａ ｔ ｌ ｂ ｅｓ ｎ ｏ ｃ ｆ
２ 光 纤传感 原理
２ １ 折 射 损 失 ．
强度调制型光纤传感器 的调制原理如 图 １ 所示 。
计测量含糖液体的浓度 。 ｎ ｔ［提 出用光纤来传送 Ｍｉａｏ ］ 。
光 信 号 的 透 射 式 盐 度 传感 器 。 ｒ ｍａ ［ 】 Ｂｅ ｇ ｎ 制作 光 纤
探头来检测各种液体的盐度。 ｏ ｇｉ［在 １ Ｌ ｎｔ ｎ】 个矩形单
不毛 ｜ 斜 ２ ０ 第２卷 第１ ０年 １ ９ 期
Ｓ ｎｈ ｎ ｒ ｍｎ ｌＳｅ ｅ ｈ ｇａ Ｅｖｏ ｅａ ｃ ｃ ａ ｉ ｉｎ ｔ ｉ ｓ ｎ
强度调制型光纤液体浓度检测传感器研究
Ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆ Ｉ ｅ ｓｔ ｄ ｌｔｄ Ｏｐ ｉａ Ｆｂｅ Ｓ ｎ ｏ ｏ ｅｅｍ ｉ ｔ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｏ ｎ ｎ ｉ Ｍｏ ｕａｅ ｔ ｌ ｉｒ ｅ ｓ ｒ ｆｒ Ｄ ｔｒ ｎ ｉ ｔ ｙ ｃ ａｏ
ｏ Ｓ ｕ ｉｎ ｆ ｏｌｔ ＣＯ ｃ ｎ ｒｔＯ ｏ ｎ ｅ ｔａ ｉｎ
焦 佳 尤 学一 （ 天津大学环境 科学与工程 学院， 天津 ３ ０ ７ ） ０ ０ ２
Ｊ ｏ ｉ Ｙ ｕ ｕｙ （ｃｏ ｌ ｆ ｎ ｉ ｎ ｅｔｌ ｃ ｎｅ ｎ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｉ ｊ ｎｖｒｉ ， ｉ ａ ｏ ｅｉ Ｓｈ ｏ ｏ ｖｒ ｍ ｎａ Ｓｉ ｃ ｄ ｇ ｅｒ ｇ Ｔａ ｉ Ｕ ｉｅ ｔ ａ Ｊ Ｘ Ｅ ｏ ｅ ａ Ｅ ｎ ｉ ｎｎ ｓｙ Ｔａｊ ００２ ｉｎｉ ３０７） ｎ
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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；
3
利用光纤实现远 程在线高灵敏监 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
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。
光闸形式
固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测 物体本身等。
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
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ห้องสมุดไป่ตู้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
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
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
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
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
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
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
4.4 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[
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
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
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；
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。
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。
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。
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
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%。
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
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℃。