第三章 强度调制型光纤传感器 2013

第三章强度调制型光纤传感器光调制分类光调制技术在光纤传感器中是非常重要的技术，各种光纤传感器都不同程度地利用了光调制技术。调制方式分类:强度调制波长调制频率调制相位调制偏振调制将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,而能完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波参数随外加信号变化而改变，被信息调制的光波在光纤中传输，然后再由光探测系统解调，将原信号恢复。利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。•当一恒定光源的光波Iin注入调制区,在外力场强Is的作用下，输出光波强度被Is所调制，载有外力场信息的射出光Iout的包络线与Is形状一样，光探测的输出电流ID(或电压)也作了同样的调制。同理．可以利用其他各种光强调制方式如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光．从而形成相应的调制器。•强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单、可靠、价格低。可采用多模光纤、光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源。探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。反射型强度调制•传光型设入纤和出纤间距a,阶跃分布,纤径2r)(sin2/1maxNAtgdatgT则ｄＴ为发射光锥底面积半径，TradTaTradTad2/)2(2/2/)2(2/利用直边模型近似，设δ是光锥边缘与出纤重叠距离，则出纤端面受光锥照射所占比例)1arccos(sin)1()1arccos(1rrr则由图几何关系可算出radTr2因此，被入纤和出纤接收光功率比22dTrrFPPio•若取maNAmr100,5.0,100取最大斜率处Ａ点为该系统的灵敏度，则耦合效率随ｄ变化速率近似为0.005%,当ｄ＝320µm时,最大耦合效率Fmax=7.2%•其他形式反射式强度调制工业用内窥镜微机控制的工业内窥镜医用内窥镜•医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。•由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。透射型强度调制方法1、动光纤式一根为光的入射光纤，另一根为调制后的光的出射光纤。两根光纤的间距为2—3μm，端面为平面，两者对置。通常入射光纤不动，外界因素如压力、张力等使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。２、遮光屏３、动光栅式微弯损耗光强调制根据模式理论，当光纤轴向受力而微弯时，光纤中的部分光会产生微弯损耗，将引起纤芯中的光强发生变化。因此，可以通过对纤芯或包层的能量变化来测量外界力如应力、重量、加速度等物理量。•微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成。其中一块活动，另一块固定。变形器—般采用有机合成材料如尼龙，有机玻璃等制成。•若在微弯作用下，导模γ和辐射模P的传输常数差/2P若光纤折射率分布2121)0()(arnrn则光纤中相邻模式2221122Mmann1、对于梯度光纤a/2,2Δβ与模序数无关，即在β空间所有模间隔相等，假如一个导模能被耦合入另一导模，则所有导模都被耦合如邻近导模。如果使一个导模泄漏为辐射模，则很多模都泄漏为辐射模，从而达到模式间的最佳耦合。最佳微扰周期aa2222、对于阶跃光纤，α=∞Mma2Δβ与m有关，因为辐射模与高阶导模耦合最易发生，当/,aMm高阶模和低阶模之间β相差大，Λ值相对小，变形齿可作成正弦或三角形。不同种类光纤最佳微扰周期不同，Λ偏离这个值，灵敏度下降。•Ⅰ区•Ⅱ区•Ⅲ区折射率强度调制1、光纤折射率变化＊选不同折射率温度系数材料做纤芯和包层，制成温度传感器。T＜T1，n1＞n2T＞T1，n1＜n2光传输条件被破坏，报警＊采用塑料包层，温度降低，折射率增高，做低温温度计2、渐逝波耦合型当光波由光密到光疏，发生全反射．存在透射光波，振幅随透入深度按指数衰减，但它不能把能量带出边界，通常深入距离几个波长时，能量就可以忽略不计了，这种波叫渐逝波．如果采用方法使渐逝场以较大振幅穿过光疏媒质，并伸展到附近光密媒质，能量就能穿过间隙－受抑全反射．将２根光纤去包层，近到足以产生渐逝场耦合，并把作用段封闭在折射率ｎ２（与包层同）的液体或可塑弹性体中，则ｄ、Ｌ、ｎ２变化，接收光强变化。实现光强调制。可用于水听器。1、利用光纤的吸收特性光吸收系数强度调制２、利用半导体的吸收特性光纤模斑斑图调制强度检测最基本的检测方法,偏振、相位都需要转换成强度。光电探测器有：光电二极管、光电三极管、光电池、APD、光电倍增管单光路微弱信号检测原理1,cos)cos(cos)(000rrrsseteEteEttSteEtteEEEssrscos21cos2cos21000双光路微弱信号检测单光路检测中，调制区输出光强实际上还包含有光源的光强波动，这一波动信号与外界被测信号很难区分，为了消除光源影响，采用双光路微弱信号检测。