第三章强度调制型光纤传感器.pptVIP

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 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 若取 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 1、对于梯度光纤 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＞n2 T＞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。 　　 光吸收系数强度调制 1、利用光纤的吸收特性 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 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。 * * * 则ｄＴ为发射光锥底面积半径， 则由图几何关系可算出 因此，被入纤和出纤接收光功率比 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% 若光纤折射率分布 则光纤中相邻模式 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 2、对于阶跃光纤，α=∞ Δβ与m有