反射式光纤传感器

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、 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 内接收层 外接收层。 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 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(I 大于或小 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 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 i)大于或小 于外接收层光强信号（I0）。 于外接收层光强信号（ 如果能选择膜片、光纤的特性参数并使之满足一定关系,则以内、外层信号 如果能选择膜片、光纤的特性参数并使之满足一定关系 则以内、 作为输出，能够有好的线性度。 之比的对数 ln (I0/Ii）作为输出，能够有好的线性度。对按这种方式工作的一个 实际传感器的标定结果,表明线性度达到 表明线性度达到0.25%左右。 左右。 实际传感器的标定结果 表明线性度达到 左右
实验测试结果表明, 测量精度达1. 实验测试结果表明 测量精度达 5%FS
实例二
选取大芯径200µm的多模光 的多模光 选取大芯径 按照图示排列,L1、 为两组 纤,按照图示排列 、L2为两组 按照图示排列 探测器发光光路;PD1、PD2 为接 探测器发光光路 、 收器接收反射光光路; 收器接收反射光光路 中间三根为 定位光纤。 定位光纤。
反射面偏转检测法
由弹性膜片直接作为反射面， 由弹性膜片直接作为反射面，膜片的变形只是带动一个专门的反射 表而产生偏转， 表而产生偏转，从而使接收光强发生变化这种工作方式的最大优点是能 获得很高的灵敏度。但是高频性能往往要降低。 获得很高的灵敏度。但是高频性能往往要降低。
实例一
单纯由最大光强输出 光纤来判别距离L有较大 光纤来判别距离 有较大 误差。 误差。为提高测量精度可 以通过选择外径较小的光 纤作反射光纤、离开中心 纤作反射光纤、 (入射 光纤一定距离排列 入射) 入射 反射光纤等方法实现。 反射光纤等方法实现。这 里提出通过计算两个最大 里提出通过计算两个最大 输出光强的比值方法来确 输出光强的比值方法来确 定反射面距反射光纤端面 的精确距离。 的精确距离。
M=Pr/Pt
基本原理
d<d0， d<d0，死区 d0<d<dp,前坡，灵敏度较高，线性较好dp为峰值距离 d0<d<dp,前坡，灵敏度较高，线性较好dp为峰值距离 前坡 dp 对应的Mp，称为峰值调制函数， 对应的Mp，称为峰值调制函数，当测量反射面粗糙度时 Mp 传感器应工作在峰值距离处 后坡,斜率为负， d>dp, 后坡,斜率为负，其调制函数基本上是光强平方的 倒数，后坡一般适用于低分辨率大量程的位移测量。 倒数，后坡一般适用于低分辨率大量程的位移测量。
光源 发射光纤
反射面
探测器 接收光纤 线位移
正镜式光强调制
发射光纤 光源
角位移
斜镜 探测器 接收光纤
斜镜式光强调制
基本原理
由于反射回光纤的强度信号容易受光源功率波动或传输光纤 损耗的影响, 损耗的影响 要直接从光强信号得到反射面到光纤端面的绝对距 离十分困难。 离十分困难。 光强调制函数M是 接收的光功率与 发送的光功率之比。 接收的光功率与TF发送的光功率之比 光强调制函数 是RF接收的光功率与 发送的光功率之比。 M反映的是传感器的强度调制特性，它是反射式强度调制型传感 反映的是传感器的强度调制特性， 反映的是传感器的强度调制特性 它是反射式强度调制型传感 进行测量的基础。 器进行测量的基础。 代表漫反射损耗部分， 阴影 I代表漫反射损耗部分，由于此时的漫散射角大于接收 代表漫反射损耗部分 光纤的数值孔径角，所以这部分的散射光不能被 接收;阴影部 不能被RF接收 光纤的数值孔径角，所以这部分的散射光不能被 接收 阴影部 代表漫反射有效部分， 分II代表漫反射有效部分，由于此时的漫散射角小于数值孔径角， 代表漫反射有效部分 由于此时的漫散射角小于数值孔径角， 因此这部分的散射光对接收光有贡献 对接收光有贡献。 因此这部分的散射光对接收光有贡献。所以实际的光强调制特性 曲线将从理想特性曲线A变到实际曲线 变到实际曲线B。 曲线将从理想特性曲线 变到实际曲线
系统经实验能够测量油罐内液位0～ 精度± 系统经实验能够测量油罐内液位 ～3m,精度±1% 精度
实例三
采用了两圈接收光纤围绕一根 发射光纤的结构， 、 都是接收 发射光纤的结构，R1、R2都是接收 光纤， 光纤，由于距离信息被多根光纤平 且果取IR2/IR1，此值仅与测量 均，且果取 ， 距离有关，这样降低了信号噪声， 距离有关，这样降低了信号噪声， 可测范围o～ 可测范围 ～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
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， 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。 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 发生变化时， 对于光纤端面的距离 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 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 的大小取决于距离d。 到的光功率 的大小取决于距离 。
在L1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 为与液位成正比的信号,代表液位 为与液位成正比的信号
从上述公式看出光功率P1和 以及 以及K1、 、 、 全部消除 全部消除, 从上述公式看出光功率 和P2以及 、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 提高了测量精度。 克服了由于这些因素所造成的测量误差 提高了测量精度。
多种光纤排布结构
多种光纤排布结构
典刑RIM-FOS的强度调制特性曲线 典刑RIM-FOS的强度调制特性曲线
实例一
耦合进反射光纤的光强随距离L的变化有上升和下降两个区 耦合进反射光纤的光强随距离 的变化有上升和下降两个区 光强最大值出现的位置仅由反射光纤端面与反射面的距离决 段, 光强最大值出现的位置仅由反射光纤端面与反射面的距离决 与光源功率的大小无关。 定, 与光源功率的大小无关。
反射式强度调制型光纤传感器
反射式强度调制型光纤传感器，简称 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 等优点Hale Waihona Puke Baidu 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、 位移、 且可适用于位移、转角、应变、压力、振动、温度、表 等多种物理量的测量。 面粗糙度等多种物理量的测量 面粗糙度等多种物理量的测量。 最早提出RIM-FOS结构并申请专利的是美国的 结构并申请专利的是美国的 最早提出 W.E.Frank和C.D.Kissinger等人和 等人和R.O.Cook等人，他 等人， 和 等人和 等人 们对该类传感器的频率响应 动态范围、线性区间、 频率响应、 们对该类传感器的频率响应、动态范围、线性区间、工 等重要问题取得了具有权威性的研究成果。 作距离等重要问题取得了具有权威性的研究成果 作距离等重要问题取得了具有权威性的研究成果。 国内从二十世纪八十年代始， 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。 ，并进行了广泛而深入的研究。