强度调制传感器
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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。
光纤强度调制加速度传感器的研究
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Ｃｈ ｎ Ｔａ ＬｉＰｅｌ ， ｕ Ｊ ａ ｕ ｅ ｏ， ｉｉ Ｚｏ ｉ ｎｈ ａ
聚 焦 透 镜 ） 连 同护 套 承 担 ， 质 量 块 的 上 下 侧 原 理是 采 用 惯性 原 理 ， 利
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强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器
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关 系 。传 感 器 工作 时 ， 磁 场 中 的 圆盘 形 软 铁 受 到 通 电螺 旋 管 线 圈 磁 场 力 的作 用 ，引 起 矩 形 悬 臂 梁 变 形 ，从 『 ｆ 『 ｉ 导 致 粘 贴 在 悬 臂 梁侧 边 的 光 纤 布 拉 格 光 栅 的反 射 光 谱 带 宽 发 生 变 化 ； 利 用 光 谱 分 析 仪 ，通 过 检 测 光 纤 布 拉 格 光 栅 反 射 谱 带 宽 的
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关 系 。传 感 器 工作 时 ， 磁 场 中 的 圆盘 形 软 铁 受 到 通 电螺 旋 管 线 圈 磁 场 力 的作 用 ，引 起 矩 形 悬 臂 梁 变 形 ，从 『 ｆ 『 ｉ 导 致 粘 贴 在 悬 臂 梁侧 边 的 光 纤 布 拉 格 光 栅 的反 射 光 谱 带 宽 发 生 变 化 ； 利 用 光 谱 分 析 仪 ，通 过 检 测 光 纤 布 拉 格 光 栅 反 射 谱 带 宽 的
光纤传感原理及应用技术课件
2.2 四种常见的光纤干涉仪 （3）萨格纳克（Sagnac）光纤干涉仪
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
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
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(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
反射强度调制式光纤声音传感器优化设计与研究
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《强度调制传感器》课件
《强度调制传感器》PPT 课件
强度调制传感器是一种广泛应用于工业、医疗和环保领域的传感器。通过调 制传感器能够实时获取物体的强度信息，具有很高的精度和灵敏度。
什么是强度调制传感器？
强度调制传感器是一种能够测量物体强度的传感器。它通过调制技术实时获取物体的强度信息，从而可以监测 和控制各种应用中的强度变化。
1 优点
强度调制传感器具有高精度、高灵敏度和实时性强的特点，广泛应用于工业、医疗和环 保领域。
2 局限性
强度调制传感器对环境要求较高，受到外界光线等因素的干扰，需要在设计和使用时注 意。
3 前景与展望
随着科技的不断进步，强度调制传感器将在各个领域得到更广泛的应用，为社会进步和 发展做出贡献。
强度调制传感器的发展前景
市场需求
随着工业自动化、智能医疗和环保意识的增强，强度调制传感器的市场需求将持续增长。
技术瓶颈
目前强度调制传感器的主要技术瓶颈在于尺寸和功耗的优化，未来的发展重点将放在这两个 方面。
发展趋势
随着传感器技术和通信技术的进步，强度调制传感器将越来越小型化、智能化和集成化。
总结
强度调制传感器的构成
主要组件
强度调制传感器主要由发射 器和接收器组成，通过调节 发射器的强度来实现强度的 调制和传输。
工作原理
当物体与传感器发生相互作 用时，发射器的强度会发生 变化。接收器通过解调技强度调制传感器具有高灵敏 度、高精度、实时性强等特 点，适用于各种复杂环境和 场景。
强度调制传感器的应用领域
工业领域
在工业自动化控制中，强度调制传感器广泛应用于材料检测、机械监测和质量控制等方面。
医疗领域
强度调制传感器在医疗设备中常用于体内图像采集、病人监测和医学诊断等方面，帮助提高 治疗效果。
强度调制传感器是一种广泛应用于工业、医疗和环保领域的传感器。通过调 制传感器能够实时获取物体的强度信息，具有很高的精度和灵敏度。
什么是强度调制传感器？
强度调制传感器是一种能够测量物体强度的传感器。它通过调制技术实时获取物体的强度信息，从而可以监测 和控制各种应用中的强度变化。
1 优点
强度调制传感器具有高精度、高灵敏度和实时性强的特点，广泛应用于工业、医疗和环 保领域。
2 局限性
强度调制传感器对环境要求较高，受到外界光线等因素的干扰，需要在设计和使用时注 意。
3 前景与展望
随着科技的不断进步，强度调制传感器将在各个领域得到更广泛的应用，为社会进步和 发展做出贡献。
强度调制传感器的发展前景
市场需求
随着工业自动化、智能医疗和环保意识的增强，强度调制传感器的市场需求将持续增长。
技术瓶颈
目前强度调制传感器的主要技术瓶颈在于尺寸和功耗的优化，未来的发展重点将放在这两个 方面。
发展趋势
随着传感器技术和通信技术的进步，强度调制传感器将越来越小型化、智能化和集成化。
总结
强度调制传感器的构成
主要组件
强度调制传感器主要由发射 器和接收器组成，通过调节 发射器的强度来实现强度的 调制和传输。
工作原理
当物体与传感器发生相互作 用时，发射器的强度会发生 变化。接收器通过解调技强度调制传感器具有高灵敏 度、高精度、实时性强等特 点，适用于各种复杂环境和 场景。
强度调制传感器的应用领域
工业领域
在工业自动化控制中，强度调制传感器广泛应用于材料检测、机械监测和质量控制等方面。
医疗领域
强度调制传感器在医疗设备中常用于体内图像采集、病人监测和医学诊断等方面，帮助提高 治疗效果。
二光纤传感器原理
光纤多普勒系统
激光器 f0
f0
f0
f1
f0-f1
以速度v运动的被测物体
f0±Δf
混频
f1±Δf
Δf
v
典型应用
血液流动速度监测传感器 运动物体速度监测传感器
四．相位调制
概念 利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过测量光相位的变化来测量外界物理量。
分布式传感
分布式光纤传感技术是在70年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射(ＯＴＤＲ)技术的出现而发展起来的。在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前,这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。
原理图
特 点
测量各种辐射，例如x射线的大小。 灵敏度高、线性范围大。 实时性强。 典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。
其它强度调制方法 利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。 ........
光程差为： 相位差为： 出射光波的光强为： 由光强的变化可以测得外界参量的大小。 主要应用：光纤电压传感器
3.光弹效应 定义：当物质的某个方向存在压力或张力时，则物质在该方向上的折射率和其它方向的折射率不同，设该方向上的偏振光的折射率为ne, 与之垂直方向上的偏振光的折射率为no，则： Δn=no-ne=kP K为物质的压强光学系数，P为外加压强。
光纤强度调制传感器的原理图
特 点
技术简单，可靠，成本低。 可以采用多模光纤。 光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。 光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。
构成传感器探头的物理机理
第四章 强度调制型光纤传感器2.
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
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15~30倍，占据整个温室贡献量的15%。
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。
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
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
第四章 强度调制型光纤传感器
4.4 光模式强度调制
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
第四章 强度调制型光纤传感器
检测生产流水线上瓶盖及商标
第四章 强度调制型光纤传感器
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几种微弯 传感器的 结构图
• 用高热膨胀的弯曲机械装置引起曲率半径随温度的变化,
这可获得灵敏的传感功能。很显然，相当小的曲率半径的
变化引起足够的损耗变化。如果设计一个连续多点测量传
感器，必须选择光纤和微弯传感头，以致局部过热时不会
折断整个光纤。Leabharlann 2021/2/722
位相调制光纤传感器
• 由于位相调制传感器具有非常高的灵敏度,它是所 有光纤传感器中最为人所知的。一般地说，这种 传感器运用一个相干激光光源和两个单模光纤。 光线被分束后入射到光纤。如果干扰影响两根相 关光纤的其中一根、就会引起位相差，这个位相 差可精确地检测出。位相差可用干涉仪测量。有 四种干涉仪结构。它们包括:马赫—泽德尔、迈克 尔逊、法布里—帕罗和赛格纳克干涉仪，其中马 赫—泽德尔和赛格纳克干涉仪分别在水听器和陀 螺上应用非常广泛 。
2021以物/2/7这过光程强 中是 的正 温比 度于测温量度。的。这种传感器只限于生 20
荧光传感头
• 荧光材料并不是反射光而是吸收入射光,然后激发出荧光
辐射。这种传感器用一根纯石英光纤，使得进入的紫外光
具有最大的透过率。光纤端面涂有一层荧光材料，并被密
封，整个传感器示于图 。
2021/2/7
21
(1) 用于偏振光光路中的光弹材料是对压力敏感的。
(2) 用于紫外光光路中的光色材料是对温度敏感的。
(3) 掺入具有强烈吸收带杂质的材料是对温度敏感的。
(4)其些光致发光材科在电场中透射率会发生改变。
2021/2/7
10
光纤荧光传感器
• 一种特别令人感兴趣的反射传感器利用了荧光,这 里指的是波长调制，这是由于调制光的波长比入 射光波长长。
2021/2/7
6
• 在玻璃中掺入杂货可以产生荧光,这件传感器可以 由两种不同的方法实现，一种是用光源来激发荧 光、但激发情况受温度影响。另一种是利用外辐 射激发光纤，然后检测荧光
• 折射率变化是通过改变光纤的数值孔径来实现改 变接收光量的，许多聚合包层材料的折射率随温 度变化，可用作温度传感器。
2021与/2/7探头距离的关系曲线,这条曲线符合距离r的平方反比律。
3
反射型强度调制光纤传感器
2021/2/7
4
微弯型强度调制光纤传感器
2021/2/7
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本征型强度调制光纤传感器
• 本征传感器利用返回光的光强的改变。不象 透射、反射和微弯传感器需要外界的变化, 它是利用光纤芯的化学性质（包层可以是玻 璃或塑料）来实现传感。基本机制有吸收、 散射、荧光、折射率变化或偏振等。
• 具有差分热膨胀的铝块和石英块,把光反射进出射
光纤，当二块板随温度相对移动时，将产生干涉
条纹的移动并被计数。反射型测温还具有数字显
示
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双折射晶体的反射型光纤温度传感器
• 双折射晶体式光学透明的,二个互相垂直的偏振光， 它的折射率是不同的。光通过入射光纤、起偏器 和晶体，从反射镜反射后再通过晶体，检偏器和 出射光纤而被探测。由于双折射特性是温度的灵 敏函数，而双折射的变化引起了光强的改变，所
强度调制传感器
强度调制传感器一般与位移或其他物理扰动 相联系,这种扰动与光纤发生作用，或与连
接于光纤的机械调制器作用，引起接收到的 光强发生改变。
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• 光损失可以是由于以下因素而引起:透射,反 射，微小弯曲或吸收，散射，荧光等
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透射型强 度调制光
纤传感器
图5-3-1（a）为轴向位移测量的探头结构。图5-3-1（c）为输出
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其它光效应的强度调制光纤传感器
• 在光纤端面上增加吸收光栅可以进一步提高透射 传感器的灵敏度。如图
20带21吸/2/7收光栅径向位移传感器
光纤旋转传感器
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光纤偏振旋转传感器
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• 透射传感器还可以在光路上和其他光学材科连接使 光强为环境因素的函数。如果在光路上的材料透过 率随环境改变突然发生改变,就可以实现开关功能， 液晶就可作为温度和压强的开关。环境状况连续改 变，较出量也连续改变，大多数材料可实现这批现 象，例如:
• 两个探头获得的输出差值要比任一单个探头的读数都大，因 而可提高探测灵敏度。此外，除了探测位移多少外还可获得
移动方向的信息。
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反射式传感器与不同焦距的透镜系统组合所对应的响应曲线
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传感器所采集的位移数据与目标反射率的变化及目标
板的倾斜程度都有关。在表征这一特性的实验过程中,
使用了一些精磨光的比较块，其表面加工成不同的粗
糙度。2L表面近似为镜面，表面粗糙度从4L到8L，
210261/2L/7逐渐增大，32L表面最粗糙。
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微弯型位移光纤传感器
• 微弯传感器可归于两类:亮场型和暗场型。亮
场传感器测量光纤中的传输光强,其光强变化
由微弯损耗决定。暗场传感器则测量通过包
层泄漏的光。
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应用2.光纤温度传感器
图示出了一种粘在一起的双金属片作为传感头构成双路反
射型光纤探头。这种双金属片被设计成在特定温度下产生
瞬时作用,从而相对于探头顶端产生突然移动，因此在一
组温度点产生开关作用。这种双金属片也能被设计成连续
移动，在模拟方式中产生正比于温度的移动。
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差分热膨胀式反射型光纤温度传感器
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应用（1）位移测量
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2RtanD
• 其中R为光纤探头和反射 面的间距, 为光纤出射端 面法线和出射光发散角边 缘的夹角，D为光斑直径
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返回
• 利用两个探头获得一平均输出可提高灵敏度。考察图所示的 装置,设定探头的初始位置，使得探头A和探头B的接收光强 分别处于峰值前沿和后沿并使二光强值相等。当目标移近时， 探头A的接收光强减小而B探头的接收光强增大。
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微弯传感器的一个主要应用是测量 位移。图所示即为在亮场传感测量 中透射率与位移的变化曲线。正如 第3节中讨论过的,该响应曲线具有 三个性质不同的区域。第一段中， 具有柔性的包层承受了起初的位移 运动，从而减缓了光纤弯曲。微小 的弯曲仅能使一些最易泄漏的模发 生辐射。第二段为线性响应区，约 占透射率测量段的60％多。通常 也正是利用这一段作传感测量。位 移量继续增大时，高阶模几乎全部 损耗，传感器的灵敏度大幅度下降。