第四章 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器1

第四章強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器光源傳感頭光電探測(cè)器信號(hào)處理光纖（光纖或非光纖）（信號(hào)接收）光纖傳感器的組成光纖傳感器是將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為可測(cè)的光信號(hào)參數(shù)變化的裝置；被測(cè)參量在光纖中傳輸?shù)睦硐肫矫娌捎萌缦路匠堂枋鍪街?，為光波的常矢量振幅，為波?shù)，為波長(zhǎng)為，為頻率，為初始相位。光纖中光波調(diào)制原理五個(gè)參數(shù)：光強(qiáng)、偏振態(tài)（的振動(dòng)方向）、相位、波長(zhǎng)、頻率。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器利用對(duì)外界因素引起光纖中光強(qiáng)的變化來(lái)探測(cè)外界物理量及其變化量的光纖傳感器。定義：原理簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低廉、帶寬高、頻率響應(yīng)快;易受光源、光纖、光纖器件（耦合器、連接器等）以及光探測(cè)器等引起的光強(qiáng)變化的影響強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器1.優(yōu)點(diǎn)2.缺點(diǎn)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的分類1.光強(qiáng)調(diào)制方式反射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制光模式強(qiáng)度調(diào)制折射率強(qiáng)度調(diào)制光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制等2.光纖在傳感器中的作用內(nèi)調(diào)型外調(diào)型（傳光型或非功能型）（傳感型或功能型）發(fā)射光纖接收光纖反射式光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)光源、傳輸光纖（發(fā)射與接收）、反射面以及光電探測(cè)器非功能型基本結(jié)構(gòu)：調(diào)制原理：

發(fā)射光纖將光源發(fā)出的光射向被測(cè)體表面，再?gòu)谋粶y(cè)面反射到接收光纖，并由探測(cè)器接受；探測(cè)器接收到的光強(qiáng)大小隨被測(cè)面與光纖間的距離變化而變化。反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制特性曲線反射式光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制特征參數(shù)起始距離d0：接收光纖開(kāi)始能接收到由發(fā)射光纖發(fā)出并經(jīng)反射面反射的光時(shí)所對(duì)應(yīng)的反射面到光纖端面之間的距離，其中區(qū)間[0,d0]稱為死區(qū)。峰值距離dp

：當(dāng)接收光纖接收到的由發(fā)射光纖發(fā)出并經(jīng)反射面反射的光信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)，光纖端面與反射面之間的距離稱為峰值距離dp。前坡，后坡

：位于[d0,dp]的特性曲線段稱為前坡；位于[dp,∞]的特性曲線段稱為后坡。

接收光纖接受的強(qiáng)度調(diào)制特性不但與光源、光纖到反射面的距離、反射面的特性（反射率、斜度等）有關(guān)，而且與光纖的數(shù)值孔徑（NA）、纖芯、光纖的數(shù)目及端面的排列方式以及光接收器性能及其與光纖的耦合等密切相關(guān)。反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單、體積小、性能可靠、設(shè)計(jì)靈活、價(jià)格低廉、帶寬高、頻率響應(yīng)快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在要求成本和采樣速率的高精度、非接觸式測(cè)量領(lǐng)域更具吸引力;應(yīng)用范圍廣，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、角位移、表面粗糙度、溫度等物理量的測(cè)量。在光纖傳感領(lǐng)域中占據(jù)十分重要的位置反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的缺點(diǎn)：靈敏度和線性測(cè)量范圍相互制約嚴(yán)重；前坡靈敏度好，分辨力高，線性較好，但其線性范圍小，只適用于測(cè)量微小位移變化；后坡曲線的斜率為負(fù)，雖然線性范圍大，但靈敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移測(cè)量。

反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的缺點(diǎn)：提高穩(wěn)定性、增強(qiáng)靈敏度、擴(kuò)大線性范圍等成為反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的研究熱點(diǎn)抗干擾能力差。因?yàn)橐怨鈴?qiáng)變化來(lái)獲取被傳感參量變化的信息，測(cè)量結(jié)果極易受光源、光纖等引起的光強(qiáng)波動(dòng)以及探測(cè)器和后續(xù)電路產(chǎn)生的電子噪聲的影響，存在較大測(cè)量誤差。

研究表明，環(huán)境光干擾、光源的功率波動(dòng)、光纖的特性變化、被測(cè)面的反射率變化等是影響傳感器精度和穩(wěn)定性的主要因素?；舅枷耄河脙筛?或兩組)光纖分別接收測(cè)量光，利用兩組測(cè)量信號(hào)的相關(guān)性與差異性并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?.三光纖補(bǔ)償法改善調(diào)制特性技術(shù)采用適當(dāng)形式的三光纖傳感器不但可以改善傳感器的線性范圍和線性度，而且可有效的消除光功率波動(dòng)和反射面反射率的變化等因素對(duì)測(cè)量精度的影響；采用三光纖結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)首選芯徑不等式或等芯不等間距Ⅰ式。反射式強(qiáng)度調(diào)制三光纖傳感器調(diào)制特性比較

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了增大發(fā)射亮度和接收光通量，往往不用單根發(fā)射光纖和接收光纖，而采用多根光纖集合成的發(fā)射光纖束和接收光纖束，將發(fā)射光纖束的發(fā)射端和接收光纖束的接收端集合在一起，構(gòu)成Y型光纖探頭。這種結(jié)構(gòu)可有效地減少光源波動(dòng)的影響，減少不同反射面反射率差異的影響，以及分散結(jié)構(gòu)存在的接收元件、放大電路和光纖微彎損耗不匹配的影響，起到很好的補(bǔ)償作用。2.多光纖法3.光纖傾斜式傳統(tǒng)反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的缺點(diǎn)：絕大數(shù)含有傳感信息的調(diào)制光損耗在光纖傳感頭和反射面之間，僅有很小一部分調(diào)制光被接受光纖接受并傳輸至探測(cè)器；靈敏度較低，存在較大測(cè)量死區(qū)，而且過(guò)小的光纖間距也不易調(diào)整，限制了光纖傳感器的應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：

針對(duì)不同的測(cè)量要求，可選擇不同的參數(shù)，對(duì)工作距離沒(méi)有限制。這些特點(diǎn)使該類型傳感器在在線檢測(cè)和過(guò)程控制方面有著廣泛的應(yīng)用前景。由于測(cè)量時(shí)的入射光是平行光束，使得輸出信號(hào)增強(qiáng)；在這種結(jié)構(gòu)傳感器中，兩光纖間距d和入射角都是可調(diào)節(jié)的。

反射面可以是專設(shè)的平面鏡或棱鏡，也可以是一般物體的反射面或漫射面。4.不同反射面設(shè)置方式

反射面與接收光纖的軸線垂直，外界信號(hào)通過(guò)控制反射面相對(duì)接收光纖入射端口的軸向線位移對(duì)進(jìn)入接收光纖的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。為了擴(kuò)大其動(dòng)態(tài)范圍，可在光纖端部增加一個(gè)透鏡組。A.正鏡式光強(qiáng)調(diào)制B.斜鏡式光強(qiáng)調(diào)制5.強(qiáng)度補(bǔ)償技術(shù)

由于采用光強(qiáng)信號(hào)變化作為信息的載體，反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器不可