光纤位移传感器工作特性大物论文73
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光纤位移传感器工作特性大物论文73
光纤位移传感器工作特性研究；胡基石；（山东大学机械工程学院，山东济南250002）；摘要：随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入；本文主要研究光纤位移传感器的工作特性；位移的函数，作出光纤位移传感器工作特性曲线，找出；关键词：光纤；传感器；线性区；工作特性；位移；1引言；光纤在通信、图像传输等方面有着广泛的运用；与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获
光纤位移传感器工作特性研究胡基石（山东大学机械工程学院，山东 济南 250002）摘要：随着光纤制造技术的迅速发展和光纤材料的深入研究，光纤传感技术也得到了快速发展。光纤传感器与传统的各类传感器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小，重量轻等一些列独特的优点。因此其在仪器及装置等领域有极好的应用前景。本文主要研究光纤位移传感器的工作特性。首先，根据光纤位移传感器的工作原理，测出它电压关于位移的函数，作出光纤位移传感器工作特性曲线，找出它的灵敏区并在灵敏区中测出线性区。其次，根据光纤位移传感器的工作特性，利用它在线性区的工作特点，设计并测量金属表面的不平度，同时根据这个原理测量纸张的厚度。关键词：光纤；传感器；线性区；工作特性；位移1引言光纤在通信、图像传输等方面有着广泛的运用。其实，光纤传感器在工农业、科研等领域有着更为广泛的应用。光纤位移传感器是利用光纤的转换功能或传输功能而研制的传感器。光纤的传输特性对某些外界条件的变换（如压力、应变、温度和电磁场等）较为敏感。。与其它机械量相比，位移是既容易检测又容易获得高精度的检测量，所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移来检测的方法。例如将压力转换成膜的位移；将加速度转换成重物位移等；而且这种方法结构简单，所以位移传感器是机械量传感器中的基本传感器。因此，利用具有独特优势的光纤传感技术的位移测量越来越受到人们的重视。2 光纤位移传感器光纤位移传感器可以分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器两类，我们研究的是传光型光纤传感器。2.1 光纤的基本结构单根光导纤维的结构如图所示，它由纤芯、包层及保护套组成。纤芯为直径很小的圆柱形透明电解质纤维（某种玻璃或塑料）制成。环绕纤芯的是一层圆柱1 形套层，称为包层。它由折射率与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成，然后用一层保护套将他们包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性能，光线的强度有保护套来维持，使用时将几根或多更光纤沿长度方向封装在一起，称为光缆。2.2 光纤位移传感器工作原理发射光束如图所示为光纤位移传感器测量原理图。一束多股光纤（光源光纤）将光源被测目标光源发出的光投射到被测物体表面上，另一束多股光纤（接收光纤）用于接收被测物体表面反射回来的光。两股光纤汇合处用有机玻璃固封，称作光纤位移传感器的光敏元件探头，反射光经接收光纤、光电转换元件转换成电压信号后输出。输出电压的强接收光束弱决定于反射光强的大小。当光纤位移传感器探头的端口紧贴反射面时，光纤光源的出光口被挡住，接收光纤接收不到反射光，因此无电压信号输出。随着反射面逐渐远离光纤探头端口，反射面被光纤发出的光照亮的区域越来越大，发射光锥与接收光锥重合的面积越来越大，因而接收光纤端口处被反射光照亮的区域越来越大。传输到光敏元件上的光强逐渐变大，传感器输探头到被测目标平面距离(a)光源光敏元件(b)出的电压信号也随之变大。当反射面移到某一位置时，接收光纤的整个端口被全部照亮，因而输出电压大最大值，称为“光峰点”。此后当反射面继续远离时，尽管接收光纤的整个端口仍然被全部照亮，由于单位面积内反射光的强度在减少，因此随距离的增大，传输到光敏元件上的光强越来越小，传感器输出的电压 2值也越来越小，输出电压与距离的关系如图所示，光峰点之前的区域称为上升沿，光峰点之后的区段称为下降沿，在上升沿和下降沿，各有一个区域，输出电压与位移呈线性关系。但上升沿斜率比较大，意味着电压对位移的变化比较敏感，灵敏度高，故本实验利用该区段测量微小直线位移。实际上输出电压的大小不仅与传感器端口到反射面的距离有关，还与光源的发光强度、反射物体表面的反射率、电路增益、光路效率、光电转换效率等因素有关。因此每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，不要互换使用。当上述因素一定待测物体表面的反射率一定时，电压的大小只是位移的函数。当传感器端口到反射面的距离保持一定时，输出电压与反射面的反光能力有关。比如不同粗糙度的表面、不同光泽度的表面，其表面反射光的能力不同，会得到不同的输出电压，因此，该类型的传感器还可以测量物体表面的粗糙度、光泽度等。3 关于实验3.1 实验器材CSY10型传感器系统实验仪，塞尺，待测工件，导线等。 3.2 实验内容（1）测定光纤位移传感器的工作特性曲线观察光纤位移传感器的结构，了解振动台在实验仪上的位置（实验仪台面上右边的圆盘）。将工件放到圆台上，其表面用作反光面。光纤传感器探头对准反光面后，固定在支架上。因为光电转换器已安好，所以可将电压信号直接送入电压/频率表，电压/频率表的切换开关置于2V挡，供电电压置于±2V挡，将光电变换器电路的增益调节到最大（顺时针向转动“增益”按钮），开启电源主副开关。使光纤传感器探头与反光面良好接触，尽量使电压表的读数为零。若读数过大，应调节探头的取向。此时，传感器端口与反射面的距离ΔX为零。顺时针方向旋转测微仪，每隔0.250mm读一次电压表的数值，将其填入表一，计算ΔV=Vi+1―Vi（2）测定仪器的灵敏区、线性区表一中，有几组ΔV的值比较大，表明该范围内电压对位移的变化敏感 3在仪器的灵敏区，每隔0.100mm重复实验内容一中的测量，将数据填入表二，若灵敏区比较小，可减小每步测量间隔，以获得比较多的数据。计算ΔV，找出其中线性好的区域。（3）测量工件表面高度差参见图，利用表二线性区里电压与位移的关系，测量工件表面的高度差。 固定探头高度将工件放到圆台上，由塞尺测量工件表面到传感器端口间的距离，调节测微仪，使该距离在上升沿灵敏区的线性范围内。读出电压值V1，保持圆台到传感器端口间的距离不变。将工件另一侧移至探头下方，工件的高度差会引起电压变化，记录此时的电压值V2。注意V2的值也应在上升沿灵敏区的线性范围内，可算出工件表面的高度差。关闭电源，把所有的旋钮复原到初始位置。 3.3 注意事项（1）实验室请保持反射面的清洁和与光纤探头端面的垂直度； （2）工作时光纤端面不宜长时间直接照射强光，以免内部电路受损； （3）注意背景光对实验的影响，避免强光直接照射反光表面造成测量误差； （4）切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损失；（5）每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换使用；（6）光纤探头在支架上固定式时，应保持气端口与反光面平行，切不可相
互摩擦，以免使光纤探头端面受损。3.4 实验结果 表（1） 4表（2） 3.5 实验分析1.用表一中数据在毫米坐标纸上作 V??X关系曲线，找出满足线性方程式V?k?X
的区域。 5包含各类专业文献、各类资格考试、应用写作文书、外语学习资料、光纤位移传感器工作特性大物论文73等内容。　
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3秒自动关闭窗口?反射式强度调制?透射式强度调制?光模式强度调制 ?折射率强度调制 ?光吸收系数强度 调制等?外调型（传光型或非功能型）?内调型（传感型或功能型）4.3 透射式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式
强度调制?调制原理：遮光 ?调制方法光强调制特性曲线第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式强度调制通常发送光纤不动， 而接收光纤可以作横向 位移、纵向位移或转动, 实现对发射光纤与接受 光纤之间偶和效率的调 制，改变光电探测器所 接受的光强度，从而实 现对位移(或角位移)、 压力、振动、温度等物 理量的测量。第四章 强度调制型光纤传感器4.3 透射式强度调制?优点：结构简单?不足：灵敏度低、动态范围小第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制?组成发射光纤、受待测量控制的可动光闸和接收光纤?调制原理在发送光纤和接收光纤之间加入一定形式的受待 测量控制的可动光闸，对进入接收光纤的光束产 生一定程度的遮挡，产生光强度调制，进而实现 测量。?光闸形式固体材料、液体、遮光片、光栅、码盘、待测 物体本身等。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制不用透镜的两光 纤直接耦合系统，结 构虽然简单。只是接 收光纤端面只占发射 光纤发出的光锥底面 的一部分，使光耦合 系数减小，灵敏度也降低一个数量级。a. 带透镜结构 b. 不带透镜结构第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制遮光屏是由等宽度、交替排列的透明区和非透明区 的光栅组成，其中一支为固定光栅，另一支为可移 动光栅。在此遮光屏的空间周期内，光的透过率， 从50％(两屏完全重叠)变到零(两屏完全交叠)。光栅遮光屏透射式强度调制原理第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制在此周期性结构范围内，光的输出强度 是周期性的。而且它的分辨率在光珊条纹间 距的10-6数量级以内，是构成高灵敏度、简单、 可靠的位移传感器的基础。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制甲烷是易爆气体，也是多种液体燃料的主要成分，同时也 被认为是温室效应最重要的气体之一，据报导甲烷吸收红外线 能力是一氧化碳的15~30倍，占据整个温室贡献量的15%。理论基础：Lambert-Beer（郎伯-比尔 ）定律式中，I为光强，? 为摩尔分子吸收系数，C为气体浓度， L光和气体的作用长度。I ? I0 exp ? ?? LC ?第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高 时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向 产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤 温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。 缺点： 输出光强受壳 体振动的影响，且 响应时间较长，一 般需几分钟。光源 遮 光 双金 板 属片接收第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制? 光强为I0的光束,通过发送光纤 照射到球镜上。球透镜把光束 聚集列两个接收光纤的端面上。? 当球透镜在平衡位置时，从两 个接收光纤得到的光强 I1 和 I2 是相同的；? 如果球透镜在垂直于光路的方 向上产生微小位移时，在两个 接收光纤上得到的光强 I1 和 I2 将发生变化。光强比值I1/I2 的 对数值与球透镜位移 x 呈线性 关系，但与初始光强无关。移动球镜光学开关传感器第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制遮断型 ? 被记数工件随传送带 移动，一个工件从光 纤断开处通过时，挡 光一次，在光纤输出 端得到一个光脉冲， 用记数电路和显示装 肖将通过光纤的工件 数显示出来。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到 位)、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。检测生产流水线上瓶盖及商标第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制门窗防盗控制自动扶梯自动启停汽车通过检测汽车喷涂控制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制围墙监护警戒库房卫士安 全 警 戒第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制采用遮 断型光纤光 电开关对 IC 芯片引脚进 行检测第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制? 转动的金属盘 上穿有透光孔。 当孔与光纤对 齐时，在光纤 输出端就有光 脉冲输出，这 是通过孔位的 变化对光强进 行调制。编码盘装置第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于 对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。浸液自聚 透镜光纤水银水银式光纤温度开关?反射式强度调制?透射式强度调制?光模式强度调制 ?折射率强度调制 ?光吸收系数强度 调制等?外调型（传光型或非功能型）?内调型（传感型或功能型）4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制传感头：多模光纤 机 理：芯模 类 型：?透射式– 振动 、位移等*缺点：需要精密机械调整和固定装置?反射式* 无需精密调整装置第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制传感头：多模光纤 机理：芯模? 包层模 类型：光模式强度调制?最小可测位移：0.01nm；动态范围：110dB ?可测压力、水声等第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制传播常数β是描述光纤中各模式传输特性的重要参 数，决定光纤中各模式的传输或截止。 2? ? ? kn1 cos? ? n1 cos? ?0 光纤中传输的信息是由传导模传送的。传导模的 传播常数是限制在纤芯到包层之间的，即k0 n2 ? ? ? k0 n1当 ? ? k0 n2 时，包层中的电磁场不再衰减，而成 为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传 播，即传导模截止，此时的模式称为辐射模。当 ? ? k0 n2 时，传导模处于临界截止状态，光线 在纤芯和包层的界面掠射。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制根据光纤的模式耦合理论，当光纤在轴 向上发生周期性微弯时，光纤中的部分光会 折射到包层中去，全反射被破坏，即部分导 波模会转化为辐射模，能量由纤芯转移到包 层中，产生微弯损耗。因此，通过测量纤芯 （亮场）或包层（暗场）中光的能量变化就 可以测量如应力、重量、加速度和应变等物 理量。也可以两场同时探测（相比）来补偿 光源漂移的影响。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从F 光纤 S变形器F光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿D Λ板受外力作用而产微弯光纤压力传感器生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输 为全反射；但在微弯处θ2&θ1，一部分光将逸出， 散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。θn0θ1θ3 θ2n2 n1第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制光模式强度调制的独特优点：机械一光学转换效应使得所需部件少，设备简单，造 价低，便于分布式沿线测量； 容易机械装配，不需要将光纤连接到其它部件中，从 而避免了差热膨胀问题； 具有较高的可靠性和安全性； 由于光纤的光路是完全封闭的，更适合在高温高压、 易燃易爆、腐蚀性介质等恶劣环境下进行测量。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制结构：多模光纤被绕制于开有纵向槽且带有螺纹的 铝管螺纹内第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制在工程结构或部件的制造过程中，在其内部关 键部位埋人光纤阵列，对材料及结构内的应力、应 变等物理状态及由于外力、疲劳等产生的变形、裂 纹、蠕变、层解等进行实行监测。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制基本原理:当腐蚀传感器处于腐蚀介质中时，腐蚀“保险 丝”会生锈变细而断裂，此时弯曲光纤的曲率将变 小甚至为零，通过光纤的光能量会迅速增加。第四章 强度调制型光纤传感器4.4 光模式强度调制?反射式强度调制?透射式强度调制?光模式强度调制 ?折射率强度调制 ?光吸收系数强度 调制等?外调型（传光型或非功能型）?内调型（传感型或功能型）4.5 折射率强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制折射率强度调制物理量引起光纤折射率的变化实现光强调制的方式分类：? 利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变化的强 度调制； ? 利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度变化的 强度调制；? 利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射系数改 变的透射光强调制；第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制折射率强度调制?利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；?利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制； ?利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改变的透射光强调制；第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 传输波损耗变化型一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数 不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折 射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时， n2 、 n1之间的差发生变化，从而改变传输损 耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准, 根据传输功率的变化可确定温度的变化。第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 传输波损耗变化型? 当T&T1时，n1&n2，光在光纤中传输；? 当T&T1时，n1&n2，光传输条件被破坏，不能发生 全反射，损耗增大，产生报警信号；第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 传输波损耗变化型特点：电绝缘性好、防爆性强、抗电磁干扰等。 应用：大型电机、液化天然气及火警等报警系统。第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制折射率强度调制?利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；?利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制； ?利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改变的透射光强调制；第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 渐逝波耦合度变化型当光在纤芯和包层分界面处发生全反射时，在 光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速 衰减，透射深度一般约为几个波长，这种现象称为 渐逝场。 若使渐逝场能以较大的振幅穿过光疏媒质，并 伸展到附近的折射率高的光密媒质材料中，能量就 能穿过间隙，使反射光减弱，这一过程称为受抑全 反射。第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 渐逝波耦合度变化型原理：利用受抑全反射原理，当包层完全或部分去掉 的两根单模或多模光纤相互靠近一定距离时，光将能 从一根光纤耦合进另一根光纤中去，构成渐逝波耦合 度光纤传感器。应用：水听器、光扫描隧道显微镜第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制折射率强度调制?利用光纤折射率的变化引起传输波损耗变 化的强度调制；?利用光纤折射率的变化引起渐逝波耦合度 变化的强度调制； ?利用光纤折射率的变化引起光纤光强反射 系数改变的透射光强调制；第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 光纤光强反射系数改变型? 原理：利用光纤（或其他光学元件如棱镜） 的反射端面的反射系数随被测参数变化而 达到调制光强的目的。探测器 信号处理 调制器 光源临界角强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制n2n1n3全反射面临界角强度调制型光纤传感器 调制机理：? 由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回，由分束 器偏转到到光电探测器;第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制? 光纤右端有两个相互搭接的反射面，其中底面为全 反射面（镀膜而成），斜面反射面与折射率为的介 质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后 能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射 面时能够部分地透射到的介质中去; ? 光波在入射平面上的光强分配由 菲涅尔公式描述? n 2 cos ? ? n 2 ? sin 2 ? 2 ? ? ? ? ? R ? ? n 2 cos ? ? (n 2 ? sin 2 ? ) 12 ? ? ? ? ?1 2? cos ? ? n2 ? sin 2 ? 2 ? ? ? ? ? R? ? ? cos ? ? (n2 ? sin 2 ? ) 12 ? ? ? ? ?12式中，R∥为平行偏振方向的强度反射系数，R⊥为垂 直偏振方向的强度反射系数；n=n3／n1 ，θ为入射光 波在界面上的入射角。第四章 强度调制型光纤传感器4.5 折射率强度调制?c ? arcsin ? n? ? arcsin ? n3 n1 ? ? 当光波以大于临界角（ ） 的角入射到n1、n3介质的界面上时，若n3介 质由于压力或温度的变化引起n3微小变化， 则会导致反射系数的变化，从而导致反射光 强的改变。? 应用：温度或压力传感器。?反射式强度调制?透射式强度调制?光模式强度调制 ?折射率强度调制 ?光吸收系数强度 调制等?外调型（传光型或非功能型）?内调型（传感型或功能型）4.6 光吸收系数 强度调制第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制? 利用光纤的吸收特性进行强度调制? 原理：辐射引起光纤吸收损耗增加，输出功率下降? 敏感源：x 射线 、 γ 射线 、 中子射线 ?特点：灵敏度高 、 线性范围大、有‘ 记忆’ 性第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制? 利用光纤的吸收特性进行强度调制改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。 例如铅玻璃光纤对X、γ射线和中子射线特别灵敏， 并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有 较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。? 应用：既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用 于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监 测。第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制? 利用半导体的吸收特性进行强度调制?半导体的本征吸收：当一束光经过半导体时，低 于某波长 ?g 的光被半导体吸收而高于该波长将透过 半导体。?g 称为半导体的本征吸收波长?发生本征吸收的条件： 光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即：hc h? ? Eg ??????? ? ? ?g ? Eg产生本征吸收的条件第四章 强度调制型光纤传感器4.6 光吸收系数强度调制?半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本 征吸收波长λg随温度的上升而增大。?工作原理：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方 向移动。若采用发射光谱与半导体的 ?g ?t ? 相匹配的发光 二极管作为光源， 半导体透射率 则透射光强度将随 相 LED发光光谱 对 透 着温度的升高而 发 T1&T2&T3 射 减小，即通过检 光 T1 率 强 测透射光的强度 T 度 T3 2 或透射率，即可 波长 检测温度变化。半导体透射测量原理4.7 强度调制型光纤 传感器的补偿技术第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术由于采用光强信号变化作为信息的载体，反射 式强度调制光纤传感器不可避免地要受光源功率波 动、光纤传输损耗变化、光电探测器的特性漂移以 及环境杂散光等因素的影响。所以，要想获得高精 度和高稳定性的测量，必须采取有效措施克服这些 因素对测量的影响。基本思想：通过参考光路引进参考信号， 以补偿非传感因素引起的光强变化。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法? 基本思想：在传感器中采用不同波长的两 个光源，这两个波长不同的光信号在传感 头中受到不同的调制，对它进行一定的信 号处理，就可达到系统补偿的目的。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法双波长补偿法光路图 ? 由光源S1和S2分别发出波长为λ1和λ2的单色光，并 在传感头SH处受到不同调制，再由探测器D1和探 测器D2接收。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法? 设D1接受光强信号为I1， D2接受光强信号为I2，则I1 ? S1L1M1L2 D1I 2 ? S2 L1M 2 L2 D2S为光源输出功率，L为光纤透过率，M为传感头对 光信号的强度调制函数 ，D为探测器的灵敏度。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法? 设D1接受光强信号为I1， D2接受光强信号为I2，则I1 ? S1L1M1L2 D1I 2 ? S2 L1M 2 L2 D2补偿后的输出为S2 D2 M 2 R? S1 D1 M 1? 优点：消除了光纤传输损耗对测量结果的影响； ? 不足：无法消除光源波动和探测器特性漂移的影响第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法改进型? 目的：为了消除光源波动和探测器特性漂移的影响 ? 基本思想：在光源S和传感头SH之间增加了一个X形 光纤耦合器C，以便监测光源功率的波动起伏，再用 分时的方法监测S1和S2的信号。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法改进型? 四个探测信号1 I R1 ? DRC1S1 , I M ? DM L2 M1L1C1S1 2 2 IR ? DRC2 S2 , I M ? DM L2 M 2 L1C2 S2C1、C2为X形光纤耦合器分别对波长λ1和λ2的透过 率第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法改进型? 四个探测信号1 I R1 ? DRC1S1 , I M ? DM L2 M1L1C1S1 2 2 IR ? DRC2 S2 , I M ? DM L2 M 2 L1C2 S2补偿后的输出为 ? 优点：1 2 IR IM M 2 R? 2 1 ? I R I M M1可消除光源功率波动、光纤传输损耗变化、光电探 测器的特性漂移等影响因素引起的误差，输出信号 由强度调制函数M唯一决定；第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术1. 双波长补偿法改进型? 四个探测信号1 I R1 ? DRC1S1 , I M ? DM L2 M1L1C1S1 2 2 IR ? DRC2 S2 , I M ? DM L2 M 2 L1C2 S2补偿后的输出为 ? 不足：1 2 IR IM M 2 R? 2 1 ? I R I M M1无法消除由两光源光谱特性的变化、X型耦合器分 光比的变化引起的误差，同时由于双波长光在光纤 中传输的差异，该方法并不适合远程测量。第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术2. 旁路光纤监测法? 基本思想：参考光纤和信号传输光纤的长度相同， 经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影 响，只是在传感头SH处，参考光纤从旁路通过，不 受被测量调制。光源 耦合器 SH 探测器2 探测器1第四章 强度调制型光纤传感器4.7 强度调制型光纤传感器的补偿技术2. 旁路光纤监测法? 探测信号 I M ? SCL1MD1 I R ? SCL2 D2补偿后的输出为I M L1D1 R? ? M I R L2 D2? 优点：结构简单，消除光源功率波动的影响 ； ? 不足：无法消除光纤损耗、探测器灵敏度漂移等因素的影响。The End
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