強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器

強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器第1頁/共86頁4.3透射式強(qiáng)度調(diào)制第2頁/共86頁調(diào)制原理：遮光透射式調(diào)制方法光強(qiáng)調(diào)制特性曲線第3頁/共86頁典型透射式強(qiáng)度調(diào)制方式

通常發(fā)送光纖不動(dòng)，而接收光纖可以作橫向位移、縱向位移或轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對發(fā)射光纖與接受光纖之間偶和效率的調(diào)制，改變光電探測器所接受的光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對位移(或角位移)、壓力、振動(dòng)、溫度等物理量的測量。調(diào)制原理：直接透射式第4頁/共86頁直接透射式優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單不足：靈敏度低、動(dòng)態(tài)范圍小第5頁/共86頁帶有遮光屏透射式在發(fā)送光纖和接收光纖之間加入一定形式的受待測量控制的可動(dòng)光閘，對進(jìn)入接收光纖的光束產(chǎn)生一定程度的遮擋，產(chǎn)生光強(qiáng)度調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量。組成光閘形式調(diào)制原理發(fā)射光纖、受待測量控制的可動(dòng)光閘和接收光纖固體材料、液體、遮光片、光柵、碼盤、待測物體本身等。第6頁/共86頁帶有遮光屏透射式第7頁/共86頁帶有遮光屏透射式a.帶透鏡結(jié)構(gòu)b.不帶透鏡結(jié)構(gòu)

不用透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)雖然簡單。只是接收光纖端面只占發(fā)射光纖發(fā)出的光錐底面的一部分，使光耦合系數(shù)減小，靈敏度也降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。第8頁/共86頁利用兩個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的遮光屏改進(jìn)傳感器遮光屏是由等寬度、交替排列的透明區(qū)和非透明區(qū)的光柵組成，其中一支為固定光柵，另一支為可移動(dòng)光柵。在此遮光屏的空間周期內(nèi)，光的透過率，從50％(兩屏完全重疊)變到零(兩屏完全交疊)。光柵遮光屏透射式強(qiáng)度調(diào)制原理調(diào)制原理：第9頁/共86頁利用兩個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的遮光屏改進(jìn)傳感器優(yōu)點(diǎn)：

在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的10-6數(shù)量級(jí)以內(nèi)，是構(gòu)成高靈敏度、簡單、可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。第10頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器入射光接收光第11頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器接收光纖接收端面相對于照明光纖出射端面存在偏移量時(shí)，傳感器光強(qiáng)調(diào)制特性曲線相對于沒有偏移量時(shí)的特性曲線在形狀上并沒有改變，只是產(chǎn)生一定的相移。

第12頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器接收光纖1接收光纖2差動(dòng)輸出第13頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器第14頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器靈敏度提高108%第15頁/共86頁透射式差動(dòng)光纖位移傳感器采用差動(dòng)方式處理接收光強(qiáng)信號(hào)，可達(dá)到提高系統(tǒng)靈敏度、抑制光源等光強(qiáng)波動(dòng)以及探測器和后續(xù)電路產(chǎn)生的電子噪聲影響的目的利用響應(yīng)誤差信號(hào)的雙極性特點(diǎn)可準(zhǔn)確判斷角位移方向，并通過響應(yīng)誤差信號(hào)的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)角位移的直接測量；利用響應(yīng)誤差信號(hào)的過零點(diǎn)作為絕對零點(diǎn)觸發(fā)，可實(shí)現(xiàn)測微和絕對跟蹤能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)待測物的自動(dòng)調(diào)整。第16頁/共86頁應(yīng)用實(shí)例第17頁/共86頁第18頁/共86頁第19頁/共86頁光纖甲烷氣體傳感器Integrating…油庫、機(jī)庫、動(dòng)力室等大量使用的汽油等石油產(chǎn)品極易揮發(fā)甲烷等氣體。瓦斯爆炸是影響煤礦安全重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦爆炸事故近80%是由瓦斯氣體爆炸引起的。瓦斯的主要成分是甲烷，約占瓦斯氣體的83%~89%。

當(dāng)空氣中的甲烷濃度約為5.3%到15%時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸；在無火源情況下，當(dāng)空氣中的甲烷濃度達(dá)到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。第20頁/共86頁光纖甲烷氣體傳感器Integrating…甲烷與燃燒和推進(jìn)聯(lián)系非常緊密，其濃度測量直接與對燃燒效率以及推進(jìn)過程的分析有關(guān)。甲烷被認(rèn)為是溫室效應(yīng)最主要的氣體之一，其吸收紅外線能力是二氧化碳的15-30倍，占據(jù)整個(gè)溫室氣體貢獻(xiàn)量的15%，直接關(guān)系到人類健康生活。

為了預(yù)防與控制事故的發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡，提高監(jiān)控能力，研究實(shí)時(shí)在線高靈敏甲烷濃度的監(jiān)測儀是十分必要的。第21頁/共86頁光纖甲烷氣體傳感器理論基礎(chǔ)：Lambert-Beer（郎伯-比爾）定律式中，I為光強(qiáng)，為摩爾分子吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L光和氣體的作用長度。第22頁/共86頁顯示與報(bào)警可調(diào)諧激光吸收光譜的光纖氣體監(jiān)測儀原理光纖甲烷氣體傳感器第23頁/共86頁1惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可克服背景氣體、粉塵等吸收干擾，測量分辨力與精度高；2不需采樣預(yù)處理系統(tǒng)，節(jié)省了樣氣預(yù)處理的時(shí)間和樣氣在管道內(nèi)的傳輸時(shí)間，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程實(shí)時(shí)在線管理；3利用光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線高靈敏監(jiān)測，本質(zhì)安全，能耗低，抗電磁干擾，便于復(fù)用成網(wǎng)，并可與已有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)。光纖甲烷氣體傳感器第24頁/共86頁工業(yè)過程氣體分析儀器應(yīng)用領(lǐng)域及2010年需求量第25頁/共86頁遮光式光纖溫度計(jì)利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測量10℃～50℃的溫度。檢測精度約為0.5℃。

接收光源遮光板雙金屬片缺點(diǎn)：輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長，一般需幾分鐘。第26頁/共86頁光纖位移傳感器移動(dòng)球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器光強(qiáng)為I0的光束,通過發(fā)送光纖照射到球鏡上。球透鏡把光束聚集列兩個(gè)接收光纖的端面上。當(dāng)球透鏡在平衡位置時(shí)，從兩個(gè)接收光纖得到的光強(qiáng)I1和I2是相同的；如果球透鏡在垂直于光路的方向上產(chǎn)生微小位移時(shí)，在兩個(gè)接收光纖上得到的光強(qiáng)I1和I2

將發(fā)生變化。光強(qiáng)比值I1/I2

的對數(shù)值與球透鏡位移x呈線性關(guān)系，但與初始光強(qiáng)無關(guān)。第27頁/共86頁光纖式光電開關(guān)遮斷型被記數(shù)工件隨傳送帶移動(dòng)，一個(gè)工件從光纖斷開處通過時(shí)，擋光一次，在光纖輸出端得到一個(gè)光脈沖，用記數(shù)電路和顯示裝肖將通過光纖的工件數(shù)顯示出來。第28頁/共86頁光纖式光電開關(guān)

除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測(如裝配體有沒有到位)、質(zhì)量檢查(如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等)。檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)第29頁/共86頁光纖式光電開關(guān)門窗防盜控制自動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停汽車通過檢測汽車噴涂控制第30頁/共86頁光纖式光電開關(guān)圍墻監(jiān)護(hù)警戒庫房衛(wèi)士安全警戒第31頁/共86頁光纖式光電開關(guān)

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC

芯片引腳進(jìn)行檢測第32頁/共86頁光纖式光電開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬盤上穿有透光孔。當(dāng)孔與光纖對齊時(shí)，在光纖輸出端就有光脈沖輸出，這是通過孔位的變化對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。編碼盤裝置第33頁/共86頁光纖式光電開關(guān)

利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。可用于對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。

浸液自聚透鏡光纖水銀水銀式光纖溫度開關(guān)第34頁/共86頁強(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）第35頁/共86頁4.4光模式強(qiáng)度調(diào)制第36頁/共86頁傳感頭：多模光纖透射式–

振動(dòng)、位移等缺點(diǎn)：需要精密機(jī)械調(diào)整和固定裝置反射式

無需精密調(diào)整裝置

機(jī)理：芯模類型：

第37頁/共86頁傳感頭：多模光纖機(jī)理：芯模包層模類型：光模式強(qiáng)度調(diào)制最小可測位移：0.01nm；動(dòng)態(tài)范圍：110dB可測壓力、水聲等第38頁/共86頁第39頁/共86頁光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖Λ第40頁/共86頁原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當(dāng)受力增加時(shí)，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ3第41頁/共86頁第42頁/共86頁機(jī)械一光學(xué)轉(zhuǎn)換效應(yīng)使得所需部件少，設(shè)備簡單，造價(jià)低，便于分布式沿線測量；容易機(jī)械裝配，不需要將光纖連接到其它部件中，從而避免了差熱膨脹問題；具有較高的可靠性和安全性；由于光纖的光路是完全封閉的，更適合在高溫高壓、易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)等惡劣環(huán)境下進(jìn)行測量。

光模式強(qiáng)度調(diào)制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：第43頁/共86頁應(yīng)用實(shí)例光纖水聽器結(jié)構(gòu)：多模光纖被繞制于開有縱向槽且?guī)в新菁y的鋁管螺紋內(nèi)第44頁/共86頁光纖靈巧結(jié)構(gòu)與蒙皮

在工程結(jié)構(gòu)或部件的制造過程中，在其內(nèi)部關(guān)鍵部位埋人光纖陣列，對材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變等物理狀態(tài)及由于外力、疲勞等產(chǎn)生的變形、裂紋、蠕變、層解等進(jìn)行實(shí)行監(jiān)測。第45頁/共86頁光纖靈巧結(jié)構(gòu)與蒙皮第46頁/共86頁光纖智能地毯、坐墊第47頁/共86頁光纖壓力傳感器第48頁/共86頁光纖液位傳感器第49頁/共86頁在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用

當(dāng)腐蝕傳感器處于腐蝕介質(zhì)中時(shí)，腐蝕“保險(xiǎn)絲”會(huì)生銹變細(xì)而斷裂，此時(shí)彎曲光纖的曲率將變小甚至為零，通過光纖的光能量會(huì)迅速增加?；驹?第50頁/共86頁在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用第51頁/共86頁強(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）第52頁/共86頁4.5折射率強(qiáng)度調(diào)制第53頁/共86頁折射率強(qiáng)度調(diào)制物理量引起光纖折射率的變化實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制的方式分類：利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；第54頁/共86頁折射率強(qiáng)度調(diào)制利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；第55頁/共86頁

傳輸波損耗變化型

一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。在溫度恒定時(shí)，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)，n2

、n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以某一溫度時(shí)接收到的光強(qiáng)為基準(zhǔn),根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。第56頁/共86頁

傳輸波損耗變化型當(dāng)T<T1時(shí)，n1>n2，光在光纖中傳輸；當(dāng)T>T1時(shí)，n1<n2，光傳輸條件被破壞，不能發(fā)生全反射，損耗增大，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；第57頁/共86頁

傳輸波損耗變化型特點(diǎn)：電絕緣性好、防爆性強(qiáng)、抗電磁干擾等。應(yīng)用：大型電機(jī)、液化天然氣及火警等報(bào)警系統(tǒng)。第58頁/共86頁折射率強(qiáng)度調(diào)制利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；第59頁/共86頁

漸逝波耦合度變化型

若使?jié)u逝場能以較大的振幅穿過光疏媒質(zhì)，并伸展到附近的折射率高的光密媒質(zhì)材料中，能量就能穿過間隙，使反射光減弱，這一過程稱為受抑全反射。

當(dāng)光在纖芯和包層分界面處發(fā)生全反射時(shí)，在光疏介質(zhì)中仍存在電磁場，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，透射深度一般約為幾個(gè)波長，這種現(xiàn)象稱為漸逝場。第60頁/共86頁

漸逝波耦合度變化型原理：利用受抑全反射原理，當(dāng)包層完全或部分去掉的兩根單模或多模光纖相互靠近一定距離時(shí)，光將能從一根光纖耦合進(jìn)另一根光纖中去，構(gòu)成漸逝波耦合度光纖傳感器。應(yīng)用：水聽器、光掃描隧道顯微鏡第61頁/共86頁折射率強(qiáng)度調(diào)制利用光纖折射率的變化引起傳輸波損耗變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起漸逝波耦合度變化的強(qiáng)度調(diào)制；利用光纖折射率的變化引起光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變的透射光強(qiáng)調(diào)制；第62頁/共86頁

光纖光強(qiáng)反射系數(shù)改變型原理：利用光纖（或其他光學(xué)元件如棱鏡）的反射端面的反射系數(shù)隨被測參數(shù)變化而達(dá)到調(diào)制光強(qiáng)的目的。光源探測器信號(hào)處理調(diào)制器臨界角強(qiáng)度調(diào)制第63頁/共86頁全反射面臨界角強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器調(diào)制機(jī)理：由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束器偏轉(zhuǎn)到到光電探測器;第64頁/共86頁光纖右端有兩個(gè)相互搭接的反射面，其中底面為全反射面（鍍膜而成），斜面反射面與折射率為n3的介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時(shí)能夠部分地透射到的介質(zhì)中去;光波在入射平面上的光強(qiáng)分配由菲涅爾公式描述式中，R∥為平行偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)，R⊥為垂直偏振方向的強(qiáng)度反射系數(shù)；n=n3／n1

，θ為入射光波在界面上的入射角。第65頁/共86頁當(dāng)光波以大于臨界角的角入射到n1、n3介質(zhì)的界面上時(shí)，光全部被反射回探測器；若n3介質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起n3微小變化，則會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的改變。應(yīng)用：溫度或壓力傳感器。第66頁/共86頁強(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）第67頁/共86頁4.6光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制第68頁/共86頁

利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制原理：輻射引起光纖吸收損耗增加，輸出功率下降敏感源：x射線、γ射線、中子射線

特點(diǎn)：靈敏度高、線性范圍大、有‘記憶’性

第69頁/共86頁

利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制應(yīng)用：

改變光纖材料成分可對不同的射線進(jìn)行測量。例如鉛玻璃光纖對X、γ射線和中子射線特別靈敏，并且這種材料的光纖在小劑量射線照射時(shí)，具有較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。

既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測，也可用于核電站、放射性物質(zhì)堆放處輻射量的大面積監(jiān)測。第70頁/共86頁

利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制發(fā)生本征吸收的條件：半導(dǎo)體的本征吸收：當(dāng)一束光經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)，低于某波長的光被半導(dǎo)體吸收而高于該波長將透過半導(dǎo)體。稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即：第71頁/共86頁工作原理：當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測溫度變化。相對發(fā)光強(qiáng)度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長半導(dǎo)體透射測量原理半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度的上升而增大。第72頁/共86頁4.7強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的補(bǔ)償技術(shù)第73頁/共86頁

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)制光纖傳感器不可避免地要受光源功率波動(dòng)、光纖傳輸損耗變化、光電探測器的特性漂移以及環(huán)境雜散光等因素的影響。所以，要想獲得高精度和高穩(wěn)定性的測量，必須采取有效措施克服這些因素對測量的影響。強(qiáng)度補(bǔ)償基本思想：通過參考光路引進(jìn)參考信號(hào)，以補(bǔ)償非傳感因素引起的光強(qiáng)變化。第74頁/共86頁1.雙波長補(bǔ)償法基本思想：在傳感器中采用不同波長的兩個(gè)光源，這兩個(gè)波長不同的光信號(hào)在傳感頭中受到不同的調(diào)制，對它進(jìn)行一定的信號(hào)處理，就可達(dá)到系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)哪康?。?5頁/共86頁1.雙波長補(bǔ)償法由光源S1和S2分別發(fā)出波長為λ1和λ2的單色光，并在傳感頭SH處受到不同調(diào)制，再由探測器D1和探測器D2接收。

雙波長補(bǔ)償法光路圖第76頁/共86頁1.雙波長補(bǔ)償法設(shè)D1接受光強(qiáng)信號(hào)為I1，D2接受光強(qiáng)信號(hào)為I2，則S為光源輸出功率，L為光纖透過率，M為傳感頭對光信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制函數(shù)，D為探測器的靈敏度。第77頁/共86頁1.雙波長補(bǔ)償法設(shè)