光纤传感调制技术.docx

第8章光纤传感调制技术

一、传感器的定义

能够把特定的被测量信息〔如物理量﹑化学量、生物量等〕按肯定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。

所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。上述定义包含了以下含义：

传感器是测量装置，能完成检测任务；

其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；

其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物理量，如气、光、电量等输出量与输入输入有对应关系，并且具有肯定的准确度。

二、传感器的组成

一般由敏感元件和转换元件2局部组成

敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出与之成确定关系的某一另类物理量。转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。

有时还有转换电路和关心电源2局部

传统传感器是以电为根底的，是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接。

传统传感器

光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。

光纤传感器

因此，光纤传感技术是一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号〔被测量〕的传感技术。

它是伴随着光导纤维及光纤通信技术的进展而快速进展起来的型传感技术。光纤传感，包含对外界信号〔被测量〕的感知和传输两种功能。

在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：

E?E0cos??t???

所谓感知〔或敏感〕，是指外界信号依据其变化规律使光纤中传输的光波的参量发生变

化〔如强度〔功率，E2〕、波长、频率、相位和偏振态等〕，测量这些光参量的变化就是0

“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实施调制。所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进展检测，将外界信号从

光波中提取出来并按需要进展数据处理，也就是解调。

因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号〔被测量〕如何调制光纤中的光波参量的调制技术〔或加载技术〕及如何从已被调制的光波中提取外界信号〔被测量〕的解调技术〔或检测技术〕。

外界信号对传感光纤中光波参量进展调制的部位称为调制区〔即敏感元件所在区域〕。依据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。

一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接转变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型(FunctionalFiber，简称FF型〕或本征型光纤传感器，也称内调制型传感器，光纤同时具“传”和“感”两种功能。与光源耦合的放射光纤同与光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。

功能型特点：

光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：构造紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特别光纤，本钱高，

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型(NonFunctionalFiber，简称NFF型〕或非本征型光纤传感器，放射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器，也称传光型光纤传感器或外调制型光纤传感器。

非功能型

特点：

光纤在其中仅起导光作用，光照在光敏感元件上受被测量调制。优点：无需特别光纤及其他特别技术，比较简洁实现，本钱低。缺点：灵敏度较低。

有用化的大都是非功能型的光纤传感器。

拾光型光纤传感器〔属于非功能型，但光敏感元件不在回路上〕

拾光型

特点：

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：

光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器

光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为强度调制光纤传感器

相位调制光纤传感器频率调制光纤传感器偏振调制光纤传感器

波长(颜色)调制光纤传感器

由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态这四种光波物理参量，因此光的频率、波长、相位和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。

光强调制传感型光纤传感器

光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化。

光强调制型光纤传感器具有构造简洁，易于实现等优点。常用的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和缠绕型。

一、微弯型

当光纤处于微弯状态时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，能量辐射到光纤之外，从而引起损耗。

在无外力作用时，光纤输出端光强为一常量；当被测面受外力作用时，将产生变形，光纤的弯曲状况发生变化，光在光