2022第四章-强度调制型光纤传感器12022课件.ppt

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4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器在光纤中传输的抱负平面波可用如下方程描述在光纤中传输的抱负平面波可用如下方程描述式中，式中，为光波的常矢量振幅，为光波的常矢量振幅，为波数，为波数，为波长为，为波长为，为频率，为频率，为初始相位；为初始相位；光强光强 、偏振态（、偏振态（的振动方向）、的振动方向）、相位相位 、波长、波长 、频率、频率 第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器利用对外界因素引起光纤中光强的变化来探利用对外界因素引起光纤中光强的变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器；测外界物理量及其变化量的光纤传感器；信号信号入射光入射光Iin光源光源SIDIouttIstIint探测器探测器DID强度调制机理图强度调制机理图t出射光出射光Iout传感头传感头第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器原理简洁，体积原理简洁，体积小，价格低廉，小，价格低廉，带宽高，频率响带宽高，频率响应快应快;易受光源，光纤，光纤器件（耦合器，连接器易受光源，光纤，光纤器件（耦合器，连接器等）以及光探测器等引起的光强变化的影响等）以及光探测器等引起的光强变化的影响第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器反射式强度调制反射式强度调制透射式强度调制透射式强度调制光模式强度调制光模式强度调制折射率强度调制折射率强度调制光吸取系数强度光吸取系数强度 调制等调制等内调型内调型外调型外调型（传光型或非功能型）（传光型或非功能型）（传感型或功能型）（传感型或功能型）第四章 强度调制型光纤传感器4.1 强度调制传感原理第四章 强度调制型光纤传感器反射式强度调制反射式强度调制透射式强度调制透射式强度调制光模式强度调制光模式强度调制折射率强度调制折射率强度调制光吸取系数强度光吸取系数强度 调制等调制等内调型内调型外调型外调型（传光型或非功能型）（传光型或非功能型）（传感型或功能型）（传感型或功能型）4.1 反射式强度调制第四章 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发射光纤接收光纤接收光纤反射式光纤传感器的基本结构反射式光纤传感器的基本结构光源，传输光纤（发射与接收），反射面以及光电探测器光源，传输光纤（发射与接收），反射面以及光电探测器 发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射到接收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被测到接收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被测面与光纤间的距离变化而变化；面与光纤间的距离变化而变化；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ad2rEmitting FiberReceiving Fiber位移方向位移方向发射光纤像发射光纤像LDPINxzyo反射面反射面确定传感器的响应（发射光纤确定传感器的响应（发射光纤-平面镜平面镜-接收光纤的光接收光纤的光路耦合）等效于运算虚光纤与接收光纤之间的耦合路耦合）等效于运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，且都具有阶跃型折射率分布，芯径为率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为，光纤数值孔径为NA，且，且第四章 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 当间距当间距a2dT时，即时，即ad/2T时，时，没有没有反射光进入接反射光进入接受光纤受光纤，即两光纤的，即两光纤的光耦合为零光耦合为零；当间距当间距a(a+2r)/2T时，接收光纤时，接收光纤与发射光纤的像的光椎底端相交，此时光椎的底端面与发射光纤的像的光椎底端相交，此时光椎的底端面积为积为 ，因此，在此间隙范围内光耦合系数为，因此，在此间隙范围内光耦合系数为 。

当间距当间距2dT-2r a 2dT 时，时，即即a/2T d (a+2r)/2T时，耦合到时，耦合到接收光纤光通量由发射光纤的像接收光纤光通量由发射光纤的像发出的光椎底面与接收光纤重叠发出的光椎底面与接收光纤重叠的面积确定；的面积确定；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 反射式强度调制性近似条件下，可得到交叠面积性近似条件下，可得到交叠面积由几何关系可得由几何关系可得其中，其中，F F 被称为耦合效率；被称为耦合效率；由接收光纤接收的光功率占入射光功率百分比为由接收光纤接收的光功率占入射光功率百分比为可用于反射式强度调制光纤传感器的简洁的设计与分析可用于反射式强度调制光纤传感器的简洁的设计与分析第四章 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 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线第四章 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 反射式强度调制反射式光纤传感器强度调制特点参数反射式光纤传感器强度调制特点参数起始距离起始距离d0：接收光纤开头能接收到由发射接收光纤开头能接收到由发射光纤发出并经反射面反射的光光纤发出并经反射面反射的光时所对应的反射面到光纤端面时所对应的反射面到光纤端面之间的距离，其中区间之间的距离，其中区间0,d0称为死区；称为死区；峰值距离峰值距离dp：当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面反射的光信号达到最大值时，光纤端面与反射面之反射的光信号达到最大值时，光纤端面与反射面之间的距离称为峰值距离间的距离称为峰值距离dp；前坡，后坡前坡，后坡：位于位于d0,dp的特性曲线段称为前坡；的特性曲线段称为前坡；位于位于dp,的特性曲线段称为后坡的特性曲线段称为后坡；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 接收光纤接受的强度调制特性不但与光接收光纤接受的强度调制特性不但与光源，光纤到反射面的距离，反射面的特性源，光纤到反射面的距离，反射面的特性（反射率，斜度等）有关，而且与光纤的数（反射率，斜度等）有关，而且与光纤的数值孔径（值孔径（NANA），纤芯，光纤的数目及端面的），纤芯，光纤的数目及端面的排列方式以及光接收器性能及其与光纤的耦排列方式以及光接收器性能及其与光纤的耦合等亲热相关；合等亲热相关；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 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的优点：反射式强度调制光纤传感器的优点：原理简洁，体积小，性能牢靠，设计灵敏，原理简洁，体积小，性能牢靠，设计灵敏，价格低廉，带宽高，频率响应快等特殊优价格低廉，带宽高，频率响应快等特殊优点，在要求成本和采样速率的高精度，非点，在要求成本和采样速率的高精度，非接触式测量领域更具吸引力接触式测量领域更具吸引力;应用范畴广，已经广泛应用于位移，振动，应用范畴广，已经广泛应用于位移，振动，压力，应变，角位移，表面粗糙度，温度压力，应变，角位移，表面粗糙度，温度等物理量的测量；等物理量的测量；在光纤传感领域中占据特殊重要的位置在光纤传感领域中占据特殊重要的位置第四章 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 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的缺点：反射式强度调制光纤传感器的缺点：灵敏度和线性测量范畴相互制约庄重；灵敏度和线性测量范畴相互制约庄重；前坡灵敏度好，辨论力高，线性较好，但其线性范畴小，前坡灵敏度好，辨论力高，线性较好，但其线性范畴小，只适用于测量微小位移变化；只适用于测量微小位移变化；后坡曲线的斜率为负，虽然线性范畴大，但灵敏度低，只后坡曲线的斜率为负，虽然线性范畴大，但灵敏度低，只能用于低辨论力大量程的位移测量；能用于低辨论力大量程的位移测量；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 反射式强度调制反射式强度调制光纤传感器的缺点：反射式强度调制光纤传感器的缺点：提高稳固性，增强灵敏度，扩大线性范提高稳固性，增强灵敏度，扩大线性范畴等成为反射式强度调制光纤传感器的畴等成为反射式强度调制光纤传感器的争论热点争论热点抗干扰才能差；抗干扰才能差；由于以光强变化来猎取被传感参量变化的信息，测量结由于以光强变化来猎取被传感参量变化的信息，测量结果极易受光源，光纤等引起的光强波动以及探测器和后果极易受光源，光纤等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差；续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差；争论说明，环境光干扰，光源的功率波动，光纤的特性争论说明，环境光干扰，光源的功率波动，光纤的特性变化，被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳固变化，被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳固性的主要因素；性的主要因素；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 反射式强度调制基本思想：用两根基本思想：用两根(或两组或两组)光纤分别接收测量光纤分别接收测量光，利用两组测量信号的相关性与差异性并光，利用两组测量信号的相关性与差异性并进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目的；的；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TF为发射光纤，为发射光纤，RF为接收光纤；为接收光纤；RF1与与TF相同，芯径为相同，芯径为r1，包层厚度为，包层厚度为t1；RF2与与TF不同，芯径为不同，芯径为r2，包层厚度为，包层厚度为t2；包层之；包层之间无间隙；间无间隙；芯径不等式芯径不等式第四章 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 反射式强度调制可抑制光源功率波动，反射率变化的影响，改善特可抑制光源功率波动，反射率变化的影响，改善特性曲线的线性范畴，线性度；性曲线的线性范畴，线性度；芯径不等式芯径不等式第四章 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TF 与与RF1，RF2均相同，芯径为均相同，芯径为r1，包层厚度为，包层厚度为t1，包层之间无间隙；，包层之间无间隙；TF反射端面与反射端面与RF1，RF2的接收端面间错位量分的接收端面间错位量分别为别为b1和和b2；等芯错位式等芯错位式第四章 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 反射式强度调制可抑制光源功率波动，反射率变化的影响，但对特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畴，灵敏度改善不明显；性曲线的线性范畴，灵敏度改善不明显；等芯错位式等芯错位式第四章 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TF 与与RF1，RF2均相同，芯径为均相同，芯径为r1，包层厚度，包层厚度为为t1，包层之间无间隙；，包层之间无间隙；等芯不等间距等芯不等间距式式第四章 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TF 与与RF1，RF2均相同，芯径为均相同，芯径为r1，包层厚度，包层厚度为为t1；TF与与RF1的包层之间无间隙，而与的包层之间无间隙，而与RF2的包层之的包层之间存在间隙间存在间隙p0；等芯不等间距等芯不等间距式式第四章 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 反射式强度调制光强调制特性本质上没有区分；光强调制特性本质上没有区分；式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距简洁式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距简洁精确确定，仅由光纤芯径和包层准备；精确确定，仅由光纤芯径和包层准备；。