光纖傳感技術(shù)課件：強度調(diào)制型光纖傳感器

強度調(diào)制型光纖傳感器3.1強度調(diào)制傳感原理3.2強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù)3.3強度調(diào)制型光纖傳感器的類型及應(yīng)用實例

3.1強度調(diào)制傳感原理

強度調(diào)制型光纖傳感的原理（如圖3-1所示）為利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量。此類傳感器利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等可以構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。圖3-1強度調(diào)制型光纖傳感原理圖一般情況下，強度調(diào)制型光纖傳感器的價格要比干涉類型光纖傳感器少一個數(shù)量級；在各種調(diào)制方式中，強度調(diào)制型光纖傳感器約占其中的30%。強度調(diào)制型光纖傳感器也是最早進入實用化和商品化的光纖傳感器。

強度調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低等優(yōu)點；同時又存在測量精度較低、受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大的缺點。研究結(jié)果表明，測量精度較低的根本原因在于傳輸光纖中的各種擾動，包括光源與光源耦合的變化，光纖傳輸中的彎曲、擠壓等引起的損耗，以及光纖的連接損耗的變化，光電器件的特性漂移等因素帶來的影響不能被消除，從而限制了自身的發(fā)展。因此，研究強度調(diào)制型光纖傳感器的信號補償技術(shù)，消除擾動對傳感器的影響，是一個極其迫切的問題。這對于強度調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用和發(fā)展有著十分重要的意義。

3.2強度調(diào)制型光纖傳感器的補償技術(shù)

強度調(diào)制型光纖傳感器是直接利用被探測的光強與被測參量之間的關(guān)系實現(xiàn)的，傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性易受各種因素的影響，因此要想實現(xiàn)高精度測量，必須采取適當?shù)姆€(wěn)定性補償措施。國內(nèi)外學(xué)者為了尋求各種實用的補償方法，做了大量的研究工作，綜合起來主要有六種補償方法：光橋平衡法、雙光路法、雙波長法(雙頻法)、Culshaw網(wǎng)絡(luò)法、Beheim網(wǎng)絡(luò)法、四端網(wǎng)絡(luò)法。其中，光橋平衡法是補償技術(shù)中應(yīng)用較多的一種方法，并且隨著技術(shù)的進步，存在多種改良，下面主要介紹一下光橋平衡補償方法以及其余幾種補償技術(shù)。3.2.1光橋平衡補償技術(shù)及其改進方法

1.光橋平衡法原理介紹

光橋平衡法是基于具有兩個輸入和兩個輸出的四端網(wǎng)絡(luò)傳感頭結(jié)構(gòu)，兩個輸入端分別接兩個相同的發(fā)光二極管光源，兩個輸出端分別接兩個相同的光電探測器，兩個發(fā)光二極管光源采用時分調(diào)制或頻率劃分調(diào)制工作方式。1985年由英國CulShaw首先提出的光橋補償結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2光橋平衡補償結(jié)構(gòu)圖兩個光源S1和S2通過兩根入射光纖L1和L2與光橋的兩個輸入端相連；兩個光電探測器D1和D2通過兩根出射光纖L3和L4與光橋的兩個輸出端相連；Oij表示從第i個光源發(fā)出的光耦合進第j個光電探測器的傳輸函數(shù)；每個元件的標號S、L、M、D分別為每個元件相應(yīng)的傳輸函數(shù)。兩個光源采用時分調(diào)制方式交替發(fā)光、兩個探測器同時探測，得到四個信號：（3.2-1）（3.2-2）（3.2-3）（3.2-4）進行如下的運算，得到相應(yīng)的輸出為（3.2-5）可見，Q值僅與被測量和各個耦合器的耦合比有關(guān)。而實際上耦合器的耦合比明顯地依賴于入射光功率模式分布和光波長以及環(huán)境溫度的變化。雖然目前單模光纖耦合器的制作技術(shù)已趨于成熟，但多模光纖耦合器的穩(wěn)定性問題卻很難解決，國內(nèi)較好的多模光纖耦合器穩(wěn)定性也只有10%，這遠遠滿足不了系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的要求。這種方法的另一個缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為此，有必要尋求一種新型、高精度、高穩(wěn)定度的補償方法。目前，改進方案有：強度調(diào)制型光纖傳感器在穩(wěn)定性補償多采用光纖耦合器作為分光與合光元件，由于這種耦合器件很難實現(xiàn)穩(wěn)定分光，傳感器系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性均較差，因此，對高精度光纖傳感器，采用對光模式不敏感，分光比較穩(wěn)定的立方棱鏡分光結(jié)構(gòu)不失為一種很好的解決方法。1983年，Spillman在他改進的光纖壓力傳感器中使用了棱鏡偏振分光的方法，將通過傳感頭的入射光分成兩束差動光，實現(xiàn)了對光源光功率和入射光纖損耗的補償。但由于兩根接收光纖和探測器的影響尚未消除，致使系統(tǒng)仍不能長期穩(wěn)定地工作。

2.透射式光橋補償結(jié)構(gòu)

透射式光橋補償結(jié)構(gòu)采用分光棱鏡耦合的方法，將一束通過傳感頭的入射光分成兩束差動光，實現(xiàn)對光源光功率和入射光纖損耗的補償；將另一束光耦合進兩根接收光纖，實現(xiàn)對兩根接收光纖損耗和探測器響應(yīng)度的補償，成功地設(shè)計出一種雙光路、雙探測器的新型光橋補償結(jié)構(gòu)，達到較好的補償效果。圖3-3所示的透射式光橋補償結(jié)構(gòu)，采用雙光源交替發(fā)光、雙探測器同時探測的工作方式。光源S1發(fā)出的光經(jīng)傳感材料，帶有被測參量的信息，由偏振分光棱鏡P.S分成兩束偏振光，由D1和D2同時探測；光源S2發(fā)出的光不經(jīng)傳感材料，不帶有被測量的信息，直接由P.S分成兩束光，由D1和D2同時探測，從而得到四個信號：（3.2-6）（3.2-7）（3.2-8）（3.2-9）式中，元件標號S、L、D為每個元件相應(yīng)的傳輸函數(shù)；M1和M2為兩束偏振光的調(diào)制函數(shù)，M1=cos2（δ/2），M2=sin2（δ/2），δ為傳感材料在被測參量作用下引入的位相差，

僅與被測參量有關(guān)。進行如下的運算，得到相應(yīng)的輸出為（3.2-10）圖3-3透射式光橋補償結(jié)構(gòu)圖可見Q值與兩個光源發(fā)光功率、兩根輸入光纖損耗、兩根輸出光纖的損耗以及探測器響應(yīng)度無關(guān)，達到對這些不利因素的補償。采用這種補償結(jié)構(gòu)（基于光彈效應(yīng)）的光纖壓力傳感器系統(tǒng)，已成功地應(yīng)用于石油化工企業(yè)的油罐計量中，并獲得較好的測試結(jié)果，基本滿足現(xiàn)場要求，測量精度和長期穩(wěn)定性可達到±0.2%。上述運算是假設(shè)兩個發(fā)光二極管光源完全相同、偏振分光棱鏡看作理想偏振分光元件的情況下得到的理論結(jié)果。在實際應(yīng)用時，由于發(fā)光二極管光源中心波長隨環(huán)境溫度發(fā)生改變，約為0.3nm/℃；因此兩個發(fā)光二極管光源中心波長和光譜特性都不可能一致，這就引起光纖傳輸特性和探測器響應(yīng)度不一致。另外，偏振分光棱鏡分光比也隨環(huán)境溫度變化和光源中心波長的漂移而變化，這些給系統(tǒng)帶來一定的誤差。

3.反射式光橋補償結(jié)構(gòu)

為了進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小傳感頭的體積，降低造價，使系統(tǒng)更趨于實用化，人們又設(shè)計出了一種反射式光橋補償結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4反射式光橋補償結(jié)構(gòu)圖采用單光源通過光開關(guān)實現(xiàn)交替分時發(fā)光、雙探測器同時探測的工作方式，這樣可避免雙發(fā)光二極管光源特性不一致給系統(tǒng)帶來的不利影響。同一偏振分光棱鏡既作為偏振器，又作為檢偏器，同時將來自單光源的兩束入射光分光及合光，得到四個信號，即（3.2-11）（3.2-12）（3.2-13）（3.2-14）式中：元件標號S、L、LY、D為每個元件相應(yīng)的傳輸函數(shù)；M1和M2為兩束偏振光的調(diào)制函數(shù)，M1=cos2(δ/2);M2=sin2(δ/2)，δ為傳感材料在被測量作用下引入的位相差，僅與被測量有關(guān)；K為偏振分光棱鏡透反分光比。進行如下的運算，得到相應(yīng)的輸出為（3.2-15）由此可見，Q值不僅與光源發(fā)光功率、光纖傳輸損耗和探測器的響應(yīng)度無關(guān)，而且與分光棱鏡的分光比無關(guān)，達到了補償目的。

通過實驗對采用這種補償結(jié)構(gòu)(基于雙折射溫度效應(yīng))和未采用補償結(jié)構(gòu)的光纖溫度傳感器系統(tǒng)，進行測量精度和長期穩(wěn)定性測試，結(jié)果如圖3-5和圖3-6所示，采用補償結(jié)構(gòu)的測量精度和長期穩(wěn)定性均可達到0.1℃。圖3-5采用反射式光橋補償結(jié)構(gòu)的測量精度圖3-6采用反射式光橋補償結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性光橋平衡補償法是保證強度調(diào)制型光纖傳感系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的有效途徑之一。本節(jié)對其進行了較詳細的分析，介紹了透射式和反射式兩種光橋補償結(jié)構(gòu)。反射式光橋補償結(jié)構(gòu)存在突出優(yōu)點：一是采用單光源分時發(fā)光的工作方式，彌補了雙光源發(fā)光特性不一致造成的不利影響；二是傳感探頭采用反射式補償光路，不僅結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，而且使傳感系統(tǒng)的靈敏度提高了一倍；三是分時工作的兩路光都通過傳感探頭部分，從而系統(tǒng)輸出不僅對光源發(fā)光功率的波動、光纖傳輸損耗的變化和光電探測器響應(yīng)度漂移因素進行了補償，同時對傳感探頭分光棱鏡分光比、光學(xué)元件傳輸損耗的變化也進行了補償。實驗結(jié)果表明：采用這種反射式補償結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光纖傳感器系統(tǒng)具有較好的測量精度和長期穩(wěn)定性。由前面的分析計算可以看出，這種補償方法不但適用于基于光彈效應(yīng)、雙折射效應(yīng)的非功能型光纖傳感器，還適用于諸如普克爾電光效應(yīng)、法拉第磁光效應(yīng)等物理現(xiàn)象構(gòu)成的非功能型光纖傳感器的補償，對強度調(diào)制型光纖傳感器系統(tǒng)存在的測量精度低、長期穩(wěn)定性差問題的解決具有普遍意義。3.2.2雙光路法補償技術(shù)

雙光路法是傳統(tǒng)的強度調(diào)制型光學(xué)測量技術(shù)中行之有效的抗擾動方法。初期，人們簡單地將雙光路法直接引入強度調(diào)制型光纖傳感器中。雙光路法補償技術(shù)原理圖如圖3-7所示。這種方法有一定補償效果，簡單可行，但由于它沒有解決傳輸光纖中擾動這一關(guān)鍵問題，因此，對傳輸光纖的環(huán)境要求很嚴，實際應(yīng)用存在一定的局限性。而且，由于兩個光電接收器件的漂移影響不能克服，因此精度較低。目前，該方法在國內(nèi)部分強度調(diào)制型光纖傳感器中仍被采用，例如用于微位移測量的光纖傳感器。圖3-7雙光路法補償技術(shù)原理圖3.2.3雙波長法(雙頻法)補償技術(shù)

HomioInaba和W.B.Spillmafn等人對雙波長法進行了深入的研究。他們首先將這種方法用于大氣中有害氣體的檢測。雙波長法(雙頻法)補償技術(shù)原理圖如圖3-8所示，采用寬頻光源(或直接采用兩個不同頻率的光源)，經(jīng)過傳感器后，由于不同頻率具有不同的特性，因此可以在輸出端將兩種波長的光進行分離處理，從而達到補償?shù)哪康?。該方法目前多用于吸收式強度調(diào)制型光纖傳感器(例如甲烷氣體濃度)，還可用于光纖位移傳感器，其精度優(yōu)于測量范圍的0.1%。然而這種方法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時由于不同波長的光在光纖中傳輸特性的差異，因此一般不用于遙測，否則測量精度較低。圖3-8雙波長法(雙頻法)補償技術(shù)原理圖3.2.4Culshaw網(wǎng)絡(luò)法補償技術(shù)

目前，網(wǎng)絡(luò)法被認為是補償特性較為完善的方法。B.Culshaw首先提出了網(wǎng)絡(luò)的思想，并將它變?yōu)楝F(xiàn)實。圖

3-9所示為Culshaw補償網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖3-9Culshaw補償網(wǎng)絡(luò)原理圖來自不同光源的光經(jīng)L1和L2輸入，通過測量臂和橋臂，分別由L3和L4輸出，由接收器1和2接收，對接收到的信號進行分離及處理，得到被測信號。這種方法能消除光源的漂移、器件放大倍數(shù)的變化、光纖傳輸損耗的變化等因素的影響。全光纖的Culshaw補償網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出光纖擾動影響達

20dB的情況下，其穩(wěn)定性可達±1%。顯然，這個結(jié)果令人滿意。即使是實驗室結(jié)果，也部分地反映了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實際精度。目前國外采用該網(wǎng)絡(luò)思想用以消除擾動，提高測量精度的例子較多(例如用于測量壓力等)。3.2.5Beheim網(wǎng)絡(luò)法補償技術(shù)

Beheim網(wǎng)絡(luò)方案是在Culshaw網(wǎng)絡(luò)方案以后提出的一種新網(wǎng)絡(luò)，其原理圖如圖3-10所示。光源1(光源2)發(fā)出的光通過光纖、光纖耦合/分光器C/S1(C/S2)，分別由接收器1和2接收，對信號進行分離和處理，就可得到傳感信號。該方案設(shè)計思想優(yōu)于Culshaw方案，在一定條件下可以達到相當高的測量精度。然而，該方案實現(xiàn)起來比Culshaw方案復(fù)雜和困難得多，而且參數(shù)易發(fā)生變化。利用Beheim網(wǎng)絡(luò)方案進行微位移測量，取得了較好的效果。圖3-10Beheim補償網(wǎng)絡(luò)原理圖3.2.6四端網(wǎng)絡(luò)法補償技術(shù)

四端網(wǎng)絡(luò)法是由重慶大學(xué)鐘先信教授和李建蜀博士提出的，其原理圖如圖3-11所示。光源1和光源2發(fā)出的光經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)后，由接收器2接收，通過信號分離和處理，得到被測信號。網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能消除光源的不穩(wěn)定，光纖傳輸損耗的變化、光電器件及電路放大倍數(shù)的漂移等因素的影響；缺點是網(wǎng)絡(luò)約束條件多，要達到高測量精度存在一定困難。這種補償網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于光纖粉塵濃度傳感器中，并取得了良好的效果，研制成功的便攜式粉塵濃度檢測儀測量精度達±3%，1988年已通過能源部組織的專家鑒定。圖3-11四端網(wǎng)絡(luò)法補償技術(shù)原理圖

3.3強度調(diào)制型光纖傳感器的類型及應(yīng)用實例

3.3.1強度調(diào)制型光纖傳感器的類型

強度調(diào)制型光纖傳感器的類型如下：反射式強度調(diào)制、透射式強度調(diào)制、光模式（微彎）強度調(diào)制、折射率強度調(diào)制、光吸收系數(shù)強度調(diào)制等，下面將分別介紹這些不同類型的傳感器。

1.反射式強度調(diào)制傳感器

反射式強度調(diào)制傳感器是一種非功能型光纖傳感器，光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，亦可稱為發(fā)送光纖和接收光纖。這種傳感器的調(diào)制機理是輸入光纖將光源的光散射向被測物體表面，再從被測物體表面反射到另一根輸出光纖中，其接收到的光強大小隨被測物體表面與光纖間距離而變化。如圖3-12所示，在距光纖端面x的位置處放有反光物體，它垂直于輸入和輸出光纖軸移動，故在反光物體之后相距x處形成一個輸入光纖的虛像，因此確定調(diào)制器的響應(yīng)等效于計算虛光纖與輸出光纖之間的耦合。假設(shè)輸出光纖和輸入光纖的間距為d，且都具有階躍型折射率分布，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA。當x＜d/2T時，即d＞2xT(xT為發(fā)射光錐的底面半徑，且T=tan(arcsinNA)時，耦合進入光纖的光功率為零；當x＞(d+2r)2T時，輸出光纖與輸入光纖的像發(fā)出的光錐底端相交，其相交的面積恒為πr2，此光錐的底面積為π(xT)2，故在此范圍內(nèi)間隙的傳光系數(shù)為(r/xT)2；當d/2T≤x≤(d+2r)2T時，耦合到輸出光纖的光通量由輸入光纖的像發(fā)出的光錐底與輸出光纖相重疊部分的面積決定。利用線性近似法可以計算出重疊部分的面積，即光錐底面與出射光纖端面相交的邊緣用直線來進行近似。圖3-12光纖反射式強度調(diào)制原理示意圖如果δ是光錐邊緣與輸出光纖重疊的距離，如圖3-12(c)所示，在這種近似的前提下，利用幾何分析可給出輸出光纖端面受光錐照射的表面所占的百分比為

式（3.3-1）是一個很有用的函數(shù)，其曲線示于圖3-13中。由圖3-12（c）的幾何關(guān)系可以計算出δ/r的值為（3.3-1）（3.3-2）圖3-13輸出光纖端面受光錐照射百分比被輸出光纖接收的入射光功率百分數(shù)為（F被稱為耦合效率）（3.3-3）上述關(guān)系式可用于這種強度調(diào)制形式傳感器的設(shè)計與分析信息。例如，圖3-14表示一對階躍型光纖的耦合效率F與反射位置x之間的關(guān)系曲線。已知光纖芯直徑為2r=200μm，數(shù)值孔徑NA=0.5，光纖間距d=100μm。若取函數(shù)的最大斜率處(圖中A點，距離x為200μm)確定為該系統(tǒng)的靈敏度，則耦合功率隨x變化速率近似為0.005%μm。當x=320μm時，最大耦合系數(shù)Fmax=7.2%。假設(shè)采用LED做光源，探測器在10kHz帶寬范圍內(nèi)能獲得的總功率為10μW，并設(shè)探測器的負載電阻為10kΩ。在主要考慮熱噪聲影響的情況下，分辨率可達到10－7數(shù)量級，那么，可求出該傳感器的固有分辨率將優(yōu)于1nm。圖3-14傳感器的耦合效率與反射位置之間的關(guān)系計算曲線

2.透射式強度調(diào)制

光纖式光強調(diào)制模型用來測量位移、壓力、溫度等物理量。這些物理量的變化使接收光纖的軸線相對于發(fā)射光纖錯開一段距離，光強度調(diào)制器的線性度和靈敏度都很好。

透射調(diào)制光纖傳感器的工作原理（見圖3-15）是利用纖端光場在空間的分布特性，通過調(diào)制光纖的空間位置和方向或空間折射率來調(diào)制光強。最簡單的透射型調(diào)制方式是在發(fā)送光纖端，其光場分布為一立體光錐，當接收光纖置于發(fā)送光纖纖端光場中時，就接收到一定的光強值。圖3-15透射式光強調(diào)制原理圖通過改進，可以構(gòu)造出一個稍微復(fù)雜的傳感器，即在發(fā)射光纖和接收光纖之間加一面透鏡，使之結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。這樣看似可以增強接收光強，但實際從幾何光學(xué)成像的理論就可以知道，透鏡在壓縮光場的同時，也減小了發(fā)射光強的有效面積。也就是符合幾何光學(xué)中的原理，即角放大率與橫向放大率成反比，在物方和像方折射率相同的情況下，兩者互為倒數(shù)關(guān)系。那么加有透鏡的透射調(diào)制系統(tǒng)到底能發(fā)揮怎樣的作用呢？其實，定性的知道，光場的壓縮實際是使得徑向調(diào)制函數(shù)被壓縮了，這樣增加了傳感器的靈敏度，但同時又減小了量程。如果我們更加關(guān)心量程，則可以展寬光場，以損失靈敏度為代價來增加量程?？梢?，量程與靈敏度總是相互制約的。以下是幾種改良模型的介紹。采用雙透鏡系統(tǒng)（見圖3-16（a））使入射光纖在出射光纖上聚焦，遮光屏在垂直于兩透鏡之間的光傳播方向上下移動。這種傳感器光耦合計算方法與反射式傳感器是一樣的。在上述的簡化分析限定范圍內(nèi)，比值δ/r與可移動遮光屏及兩透鏡間半徑為r的光柱相交疊面積的百分比為α。圖3-16帶有遮光屏的透射式光強調(diào)制結(jié)構(gòu)雖然不用透鏡的兩光纖直接耦合系統(tǒng)（原理圖如圖3-16（b）所示）的結(jié)構(gòu)簡單，但它也能很好地工作。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，使得光耦合系數(shù)減小，靈敏度也降低一個數(shù)量級（r/dT）2。圖3-17所示的是利用兩個周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器，通過一對光柵遮光屏的透射率，從50％(當兩個屏完全重疊時)變到零(當一個屏的不透明條完全覆蓋住另一個屏的透明部分)。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的(10~6個）數(shù)量級以內(nèi)。這是構(gòu)成很靈敏、很簡單、高可靠的位移傳感器的基礎(chǔ)。圖3-17光柵遮光屏透射式強度調(diào)制原理圖

3.光模式（微彎）強度調(diào)制

當光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，這就是微彎損耗?？梢跃_地把它與引起微彎的器件的位置及壓力等物理量聯(lián)系起來構(gòu)成各種功能的傳感器。

圖3-18為光模式微彎強度調(diào)制原理圖。微彎變形器是由夾在兩塊具有周期性波紋微彎板之間的多模光纖構(gòu)成的。圖3-19為基于微彎損耗機理的強度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)，由光纖中光功率的數(shù)值可得到壓力、位移等被測量的大小。圖3-18光模式（微彎損耗）光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖3-19光模式微彎損耗強度調(diào)制原理圖選波紋的周期間隔為Λ(對應(yīng)空間頻率為f)，當光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時，會引起光纖中的模式耦合，其中有些導(dǎo)波模變成了輻射模，從而引起損耗，兩個模的傳播常數(shù)分別為β和β′，當

相位失配為零，模間耦合達到最佳。因此，波紋的最佳周期間隔取決于光纖的模式性能。變形器的位移改變了彎曲處模振幅，從而產(chǎn)生強度調(diào)制。（3.3-4）對于拋物線(或平方律或梯度)折射率分布的光纖，變形器的臨界空間周期為

其中，a為纖芯半徑，對于階躍光纖，可算出相鄰模耦合所需要的空間周期為

階躍多模光纖中相鄰芯模耦合時，模序數(shù)與周期的關(guān)系曲線如圖3-20所示。（3.3-5）（3.3-6）圖3-20階躍多模光纖中相鄰芯模耦合時，模序數(shù)與周期的關(guān)系曲線假設(shè)光纖微彎變形函數(shù)為正弦型,即

f(z)=D(t)sinqz

（3.3-7）

其中，D(t)為外界信號導(dǎo)致的彎曲幅度，q為空間頻率，z為變形點到光纖入射端的距離。

設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為

微彎損耗系數(shù)（3.3-8）其中，K為比例系數(shù)，L為光纖中產(chǎn)生微彎變形的長度，Δβ為光纖中光波傳播常數(shù)差。該式表明，α與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴重，損耗越高；α與光纖彎曲變形的長度成正比，作用長度越長，損耗越大；α還與光纖微彎周期有關(guān)，當q=Δβ時，產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，為獲得最高靈敏度的角度考慮，需選擇合適的微彎周期。當光纖由變形器引起微彎變形時，纖芯中的光有一部分逸出包層。若采取適當?shù)姆绞教綔y光強的變化，則可知道位移變化量，據(jù)此可以制作出溫度、壓力、振動、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。微變光纖硬度傳感器的優(yōu)點是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快。改變光纖傳播模式，還可以改變光纖模斑斑圖，依據(jù)模斑圖形的變化也可進行光模式強度調(diào)制。多模光纖出射的遠場光斑就像一個切開的“西瓜”，“亮”、“黑”無規(guī)則地相間變化，如圖3-21所示。當光纖受到外界各種因素(例如壓力等)影響時，多模光纖內(nèi)部眾多模式之間的耦合不斷發(fā)生變化；如果僅接受模斑中部分亮區(qū)并測出其強度的變化，那么就能測出外界物理量的大小。圖3-21光模式模斑斑圖強度調(diào)制原理圖依據(jù)模斑的圖形，一般有下列幾種調(diào)制方法：一是測量局部光斑的強度變化；二是二次曝光法，即分別測量前后兩次模斑圖形，然后進行比較、計算，就能獲得外界被測信息；三是雙模光纖，兩個模式光束之間存在受外界條件影響的延時差等，這就導(dǎo)致干涉斑圖強度的變化。

4.折射率強度調(diào)制

1）光纖折射率變化型

一般光纖的纖芯和包層的折射率溫度系數(shù)不同。當溫度恒定時，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當溫度變化時，n2和n1之間的差發(fā)生變化，從而改變傳輸損耗。因此，以在某一溫度接收到的光強為基準，根據(jù)傳輸功率的變化可確定溫度的變化。光纖材料的折射率隨溫度變化的關(guān)系如圖3-22所示。

圖3-22光纖材料的折射率隨溫度變化的關(guān)系

2）漸逝波耦合型

通常，當漸逝波在光疏媒質(zhì)中的深入距離有幾個波長時，能量就可以忽略不計了。如果采用一種辦法使?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，這一過程稱為受抑全反射。如圖3-23所示，L表示一對單?；蚨嗄９饫w的相互作用長度，d表示纖芯之間的距離。光纖包層被減薄或完全剝?nèi)ィ阋援a(chǎn)生漸逝場耦合。d、L或n2稍有變化，光探測器的接收光強就有明顯變化，從而實現(xiàn)光強調(diào)制。這一原理已應(yīng)用于水聽器。圖3-23漸逝場光強度調(diào)制光纖傳感器

3）反射系數(shù)型

反射系數(shù)型傳感器是利用不同材料的不同反射系數(shù)而設(shè)計的一種折射率強度調(diào)制型傳感器，其原理圖如圖3-24所示。圖3-24反射系數(shù)型強度調(diào)制光纖傳感器原理圖反射系數(shù)型傳感器的反射系數(shù)公式如下：

式中，R∥為平行偏振方向的強度反射系數(shù)，R⊥為垂直偏振方向的強度反射系數(shù)，n=n3/n1，θ為入射光波在界面上的入射角。(3.3-10)(3.3-9)

5.光吸收系數(shù)強度調(diào)制

光吸收系數(shù)強度調(diào)制傳感器分為以下兩類：利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制以及利用半導(dǎo)體的吸收特性進行強度調(diào)制。光纖吸收系數(shù)強度調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-25所示。圖3-25光纖吸收系數(shù)強度調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖

1）利用光纖的吸收特性進行強度調(diào)制

X射線、γ射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而構(gòu)成強度調(diào)制輻射量傳感器。改變光纖材料成分可對不同的射線進行測量，如選用鉛玻璃制成光纖，那么它對X射線、γ射線、中子射線最敏感，用這種方法制成的傳感器既可用于衛(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。光纖吸收系數(shù)強度調(diào)制的吸收曲線如圖3-26所示。圖3-26光纖吸收系數(shù)強度調(diào)制的吸收曲線

2）利用半導(dǎo)體的吸收特性進行強度調(diào)制

此類光纖傳感器是利用半導(dǎo)體的吸收特性來進行強度調(diào)制的。大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg都隨著溫度T的升高而幾乎線性地減小。它們的光吸收邊的波長將隨著T的升高而變化。半導(dǎo)體的光透射率特性曲線如圖3-27所示。圖3-27半導(dǎo)體的光透射率特性3.3.2強度調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用實例

以下簡要介紹一些強度調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用實例。1.以反射式強度調(diào)制光纖傳感器實現(xiàn)位移測量

在實際應(yīng)用中，可以通過使用反射式強度調(diào)制光纖傳感器來實現(xiàn)位移測量。位移測量基本公式為

2Rtanθ=D(3.3-11)

其中，R為光纖探頭和反射面的間距，

θ為光纖出射端面法線和出射光發(fā)散角邊緣的夾角，D為光斑直徑，其工作示意圖如圖3-28所示。圖3-28反射式強度調(diào)制光纖傳感器測位移工作示意圖利用兩個探頭獲得一平均輸出可提高靈敏度。如圖3-29所示，考察圖所示的裝置，設(shè)定探頭的初始位置，使得探頭A和探頭B的接收光強分別處于峰值前沿和后沿并使二光強值相等。當目標移近時，探頭A的接收光強減小而