《强度调制传感器》PPT课件.ppt

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 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 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）为输出与探头距离的关系曲线，这条曲线符合距离r的平方反比律 反射型强度调制光纤传感器 微弯型强度调制光纤传感器 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 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 带吸收光栅径向位移传感器 光纤旋转传感器 光纤偏振旋转传感器 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：(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 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应用（1）位移测量其中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 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 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 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，16L逐渐增大，32L表面最粗糙 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 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 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 差分热膨胀式反射型光纤温度传感器 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 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，所以这光强是正比于温度的这种传感器只限于生物过程中的温度测量 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 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 几种微弯传感器的结构图 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 马赫泽德尔光纤干涉仪 位相差是由传感光纤的折射率和长度引起的，如果传感光纤和参考光纤的路径相等或相差波长的整数倍，那么会聚的两束光相差相等成相差2的整数倍，光强也最强相反，如果两束光相差半个波长，那么会聚后的光强最弱光纤长度改变半个波长发生100的调制，这样的灵敏度可以检测出小至10-15米的移动 迈克尔逊干涉仪 对于迈克尔逊干涉仪，光纤长度相差/4时，由于反射的缘故会引起/2的光程差马赫泽德尔和迈克尔逊干涉仪相比，在某种程度上类似于透射和反射光强传感器，迈克尔逊干涉仪的优点在于减少了一个3dB耦合器但是，它的主要缺点在于要求耦合器同时将光耦合进探测器和激光器返回激光器的光是噪声源 法布里珀罗干涉仪 入射的相干光部分反射回激光器（通常是95反射，5透射），透射光进入相干腔，又部分反射（95）部分透射（5），经第一个镜透射的5的光在第二个镜上95被反射而5通过探测器，经多次的反射，检测到的光大约减少19（每两次反射的循环损失为5）在光纤中多次来回反射增大了位相差，从而获得了非常高的灵敏度，通常法布里一珀罗传感器比其他已讨论过的灵敏度高一倍。

赛格纳克干涉仪 光线入射进环状单模光纤两端，进入光纤的光既有顺时针也有逆时针传播，光纤环不动时，由于顺时针和逆时针的传播光程相同，不会引起位相差但是，如果光纤环以一定的方向转动（例如顺时针），对于顺时针的传播时间就会减少，另一方面，逆时针的传播时间就会增加，会聚的光束就会产生位相差这样就可以实现对转动的灵敏检测 位相检测为简单起见，只考虑相位只随波列长的变化 长度或折射率改变会引起相位变化，可由下列表示： 参考光纤和传感光纤传感光纤不受干扰时，两根光纤有相同的波列长度L，产生相长干涉，输出最大如果传感光纤由于机械或热效应产生应变，长度增加L，就会产生相消干涉，输出减少，相对位相差与强度关系曲线如图 如前所述，法布里珀罗干涉仪具有更高的灵敏度，其强度与相关的关系曲线如 图，在反射点（/4，7/4）处曲线斜率最大，有最大的灵敏度，为其他干涉仪灵敏度的一倍 作为灵敏度的例子，考虑利用1米长的光纤，在波长为820nm处的马赫泽德尔干涉仪的情况，如果传感器具有0.1%的分辨率，满刻度是/2，位移灵敏度就为10-10米，如果1千米的光纤受相同的干扰，那么光纤就有与1/1000的干扰相同的位相差，位移灵敏度为4.110-13米，这大概是所有文献报导的极限。

位相差和灵敏度关系曲线激光束等量地入射两根光纤参考光纤和传感光纤在图中已清楚地标出，参考臂有一个实现正交的相移器，两光束会聚后，可被检测出这两光束经累加、放大、反馈到产生位相信号的补偿电路 检测装置 外差检测装置 干涉型光纤温度传感器 干涉传感器对光纤长度和折射率的变化是敏感的如果敏感光纤的参数相对于参考光纤变化了，则发生相移对干涉温度传感器，相移是温度的函数，有 对高硅光纤， 项起主要作用，因为硅的热胀系数小，长度随温度变化是相对不灵敏的这种方法的灵敏度计算值可达10-8 在最新的集成光学技术中，干涉仪被沉积在一块基片上 温度传感器的应用是很广泛的，从较低温的生物过程监示到高温工程测量其中反射式双金属片传感器，荧光传感器和黑体辐射传感器具有最大的应用双金属片传感器在5300范围内是有效的它能被用在工程控制、空气压缩和工业处理的设备测温之中，其结构牢固，耐撞击和振动，但尺寸比光纤本征型大，这限制了它的动态响应荧光传感器没用金属元件，能被放在非常小的盒子中，携带方便，它尤其被用于要求抗电干扰的场合由于其准确度高、尺寸小，更适于生物和生理应用，它也能用于治癌时射频对局部组织进行加热的场合的测温之中，而且是很成功的。

任何使用较低温的场合（如食物处理和硫化橡胶处理），都可用这种传感器这种传感器在高压装置的医疗器械中也是很有用的黑体辐射温度传感器的测温范围为5002000，其尺寸小，响应快，因此在许多高温过程中得到应用，如在蒸汽机中监视热流本征（如吸收）型具有测温的敏感机理它可用于马达和变压器的绕组中，发出过热警告也能用于分布温度传感器中光纤压力传感器 压力测量中，传感器实际上是测量位移，如结合膜、波纹管和动弹性金属曲管式因此，光纤的光强调制的敏感方法对压力测量是有用的，这些方法包括：透射式、反射式和微弯式光纤压力传感器有尺寸小、抗电磁干扰和射频干扰，精度高和非接触性（如在反射式位移传感器中）等特点感兴趣的是，反射式传感器小的尺寸使它可能在医学中获得应用工业应用中，正在设计出强度调制型和相位调制型光纤压力传感器 透射型光纤压力传感器 图示出了一种透射式压力传感器快门挡住光路，所档光量通常正比于压强，使用参考和测量通道提供了比率信号，其满刻度精度为 透射式光纤压力传感器(快门调制光强) 二块光栅放在光路中，一块固定，另一块由于压力而移动，光栅间隙越小，灵敏度越高 (移动光栅调制光强) 反射式光纤压力传感器图示出了一个非常简单的压力敏感膜，它能相对于反射光纤探头移动，输出相对于压力的响应曲线示于图。

合理的电路、传感膜和光纤探头的仔细设计可校正非线性效应例如，膜型传感头具有线性响应特性和弱的滞后现象，典型的膜在500psi的压力范围内具有的移动反射式光纤压力传感器(膜调制) 参见反射式光纤位移传感器另一种能用作压敏的反射式传感器是接近于全内反射，即NTIR，结构图示于图单模光纤的一端以略小于临界角切削光在切削面和镜面被反射，返回光被测量压力不同程度地改变了折射率n1和n2，导致临界角的微移，使返回光有微小泄漏结果回来的光强被调制，它是压力的函数这种传感器结构很小，具有独特的优点 微弯型光纤压力传感器 微弯式已在 “位移传感器”中详述过由于是位移传感器，故也适于压力测量图5示出了一个微弯压力传感头已经报道过，这种传感器有高的灵敏度 本征型光纤压力传感器 本征型光纤压力传感器的机理是折射率随压力的依赖关系它既影响光纤的输出孔径，又影响光的相对偏振强度图示出了偏振压力传感器输入的激光束是一束 (45)方向偏振光，它透过有一段加有机械负载的单模光纤，光纤作为一双折射元件，偏振面发生转动，输出光强被调制压力值对应于偏振角，强度与cos2成正比 塑料包层石英光纤光强与压力的关系 干涉型光纤压力传感器 大多数干涉型压力传感器是迈克耳逊式的，示于图。

光速被分成敏感束和参考束，参考束由调制方式提供，敏感束来受压力调制，压力将影响光纤长度和折射率，光束重迭经调制的相位被检测 。