光纖傳感技術(shù)課件：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器3.1強(qiáng)度調(diào)制傳感原理3.2強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的補(bǔ)償技術(shù)3.3強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的類型及應(yīng)用實(shí)例

3.1強(qiáng)度調(diào)制傳感原理

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感的原理（如圖3-1所示）為利用被測(cè)對(duì)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(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)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(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)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(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。圖3-1強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感原理圖一般情況下，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的價(jià)格要比干涉類型光纖傳感器少一個(gè)數(shù)量級(jí)；在各種調(diào)制方式中，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器約占其中的30%。強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器也是最早進(jìn)入實(shí)用化和商品化的光纖傳感器。

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又存在測(cè)量精度較低、受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大的缺點(diǎn)。研究結(jié)果表明，測(cè)量精度較低的根本原因在于傳輸光纖中的各種擾動(dòng)，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(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)，消除擾動(dòng)對(duì)傳感器的影響，是一個(gè)極其迫切的問題。這對(duì)于強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的補(bǔ)償技術(shù)

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是直接利用被探測(cè)的光強(qiáng)與被測(cè)參量之間的關(guān)系實(shí)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(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，必須采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性補(bǔ)償措施。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了尋求各種實(shí)用的補(bǔ)償方法，做了大量的研究工作，綜合起來主要有六種補(bǔ)償方法：光橋平衡法、雙光路法、雙波長(zhǎng)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(bǔ)償技術(shù)中應(yīng)用較多的一種方法，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，存在多種改良，下面主要介紹一下光橋平衡補(bǔ)償方法以及其余幾種補(bǔ)償技術(shù)。3.2.1光橋平衡補(bǔ)償技術(shù)及其改進(jìn)方法

1.光橋平衡法原理介紹

光橋平衡法是基于具有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的四端網(wǎng)絡(luò)傳感頭結(jié)構(gòu)，兩個(gè)輸入端分別接兩個(gè)相同的發(fā)光二極管光源，兩個(gè)輸出端分別接兩個(gè)相同的光電探測(cè)器，兩個(gè)發(fā)光二極管光源采用時(shí)分調(diào)制或頻率劃分調(diào)制工作方式。1985年由英國(guó)CulShaw首先提出的光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2光橋平衡補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖兩個(gè)光源S1和S2通過兩根入射光纖L1和L2與光橋的兩個(gè)輸入端相連；兩個(gè)光電探測(cè)器D1和D2通過兩根出射光纖L3和L4與光橋的兩個(gè)輸出端相連；Oij表示從第i個(gè)光源發(fā)出的光耦合進(jìn)第j個(gè)光電探測(cè)器的傳輸函數(shù)；每個(gè)元件的標(biāo)號(hào)S、L、M、D分別為每個(gè)元件相應(yīng)的傳輸函數(shù)。兩個(gè)光源采用時(shí)分調(diào)制方式交替發(fā)光、兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)，得到四個(gè)信號(hào)：（3.2-1）（3.2-2）（3.2-3）（3.2-4）進(jìn)行如下的運(yùn)算，得到相應(yīng)的輸出為（3.2-5）可見，Q值僅與被測(cè)量和各個(gè)耦合器的耦合比有關(guān)。而實(shí)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)較好的多模光纖耦合器穩(wěn)定性也只有10%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)缺點(diǎn)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(bǔ)償方法。目前，改進(jìn)方案有：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器在穩(wěn)定性補(bǔ)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分光，傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性均較差，因此，對(duì)高精度光纖傳感器，采用對(duì)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(jìn)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(dòng)光，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源光功率和入射光纖損耗的補(bǔ)償。但由于兩根接收光纖和探測(cè)器的影響尚未消除，致使系統(tǒng)仍不能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

2.透射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

透射式光橋補(bǔ)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(dòng)光，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源光功率和入射光纖損耗的補(bǔ)償；將另一束光耦合進(jìn)兩根接收光纖，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩根接收光纖損耗和探測(cè)器響應(yīng)度的補(bǔ)償，成功地設(shè)計(jì)出一種雙光路、雙探測(cè)器的新型光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。圖3-3所示的透射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，采用雙光源交替發(fā)光、雙探測(cè)器同時(shí)探測(cè)的工作方式。光源S1發(fā)出的光經(jīng)傳感材料，帶有被測(cè)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(shí)探測(cè)；光源S2發(fā)出的光不經(jīng)傳感材料，不帶有被測(cè)量的信息，直接由P.S分成兩束光，由D1和D2同時(shí)探測(cè)，從而得到四個(gè)信號(hào)：（3.2-6）（3.2-7）（3.2-8）（3.2-9）式中，元件標(biāo)號(hào)S、L、D為每個(gè)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(cè)參量作用下引入的位相差，

僅與被測(cè)參量有關(guān)。進(jìn)行如下的運(yùn)算，得到相應(yīng)的輸出為（3.2-10）圖3-3透射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖可見Q值與兩個(gè)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(cè)器響應(yīng)度無關(guān)，達(dá)到對(duì)這些不利因素的補(bǔ)償。采用這種補(bǔ)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(jì)量中，并獲得較好的測(cè)試結(jié)果，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性可達(dá)到±0.2%。上述運(yùn)算是假設(shè)兩個(gè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于發(fā)光二極管光源中心波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度發(fā)生改變，約為0.3nm/℃；因此兩個(gè)發(fā)光二極管光源中心波長(zhǎng)和光譜特性都不可能一致，這就引起光纖傳輸特性和探測(cè)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(zhǎng)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小傳感頭的體積，降低造價(jià)，使系統(tǒng)更趨于實(shí)用化，人們又設(shè)計(jì)出了一種反射式光橋補(bǔ)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖采用單光源通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)交替分時(shí)發(fā)光、雙探測(cè)器同時(shí)探測(cè)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(shí)將來自單光源的兩束入射光分光及合光，得到四個(gè)信號(hào)，即（3.2-11）（3.2-12）（3.2-13）（3.2-14）式中：元件標(biāo)號(hào)S、L、LY、D為每個(gè)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(cè)量作用下引入的位相差，僅與被測(cè)量有關(guān)；K為偏振分光棱鏡透反分光比。進(jìn)行如下的運(yùn)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(cè)器的響應(yīng)度無關(guān)，而且與分光棱鏡的分光比無關(guān)，達(dá)到了補(bǔ)償目的。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)采用這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(基于雙折射溫度效應(yīng))和未采用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的光纖溫度傳感器系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果如圖3-5和圖3-6所示，采用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性均可達(dá)到0.1℃。圖3-5采用反射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度圖3-6采用反射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性光橋平衡補(bǔ)償法是保證強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，介紹了透射式和反射式兩種光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。反射式光橋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)存在突出優(yōu)點(diǎn)：一是采用單光源分時(shí)發(fā)光的工作方式，彌補(bǔ)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(bǔ)償光路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，而且使傳感系統(tǒng)的靈敏度提高了一倍；三是分時(shí)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(duì)光源發(fā)光功率的波動(dòng)、光纖傳輸損耗的變化和光電探測(cè)器響應(yīng)度漂移因素進(jìn)行了補(bǔ)償，同時(shí)對(duì)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(jìn)行了補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用這種反射式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光纖傳感器系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由前面的分析計(jì)算可以看出，這種補(bǔ)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(bǔ)償，對(duì)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器系統(tǒng)存在的測(cè)量精度低、長(zhǎng)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(bǔ)償技術(shù)

雙光路法是傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制型光學(xué)測(cè)量技術(shù)中行之有效的抗擾動(dòng)方法。初期，人們簡(jiǎn)單地將雙光路法直接引入強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器中。雙光路法補(bǔ)償技術(shù)原理圖如圖3-7所示。這種方法有一定補(bǔ)償效果，簡(jiǎn)單可行，但由于它沒有解決傳輸光纖中擾動(dòng)這一關(guān)鍵問題，因此，對(duì)傳輸光纖的環(huán)境要求很嚴(yán)，實(shí)際應(yīng)用存在一定的局限性。而且，由于兩個(gè)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(guó)內(nèi)部分強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器中仍被采用，例如用于微位移測(cè)量的光纖傳感器。圖3-7雙光路法補(bǔ)償技術(shù)原理圖3.2.3雙波長(zhǎng)法(雙頻法)補(bǔ)償技術(shù)

HomioInaba和W.B.Spillmafn等人對(duì)雙波長(zhǎng)法進(jìn)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(cè)。雙波長(zhǎng)法(雙頻法)補(bǔ)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(gè)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(zhǎng)的光進(jìn)行分離處理，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。該方法目前多用于吸收式?qiáng)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(cè)量范圍的0.1%。然而這種方法結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時(shí)由于不同波長(zhǎng)的光在光纖中傳輸特性的差異，因此一般不用于遙測(cè)，否則測(cè)量精度較低。圖3-8雙波長(zhǎng)法(雙頻法)補(bǔ)償技術(shù)原理圖3.2.4Culshaw網(wǎng)絡(luò)法補(bǔ)償技術(shù)

目前，網(wǎng)絡(luò)法被認(rèn)為是補(bǔ)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(shí)。圖

3-9所示為Culshaw補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖3-9Culshaw補(bǔ)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(cè)量臂和橋臂，分別由L3和L4輸出，由接收器1和2接收，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分離及處理，得到被測(cè)信號(hào)。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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出光纖擾動(dòng)影響達(dá)

20dB的情況下，其穩(wěn)定性可達(dá)±1%。顯然，這個(gè)結(jié)果令人滿意。即使是實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，也部分地反映了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)際精度。目前國(guó)外采用該網(wǎng)絡(luò)思想用以消除擾動(dòng)，提高測(cè)量精度的例子較多(例如用于測(cè)量壓力等)。3.2.5Beheim網(wǎng)絡(luò)法補(bǔ)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(duì)信號(hào)進(jìn)行分離和處理，就可得到傳感信號(hào)。該方案設(shè)計(jì)思想優(yōu)于Culshaw方案，在一定條件下可以達(dá)到相當(dāng)高的測(cè)量精度。然而，該方案實(shí)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(jìn)行微位移測(cè)量，取得了較好的效果。圖3-10Beheim補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖3.2.6四端網(wǎng)絡(luò)法補(bǔ)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(hào)分離和處理，得到被測(cè)信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)約束條件多，要達(dá)到高測(cè)量精度存在一定困難。這種補(bǔ)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(cè)儀測(cè)量精度達(dá)±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(bǔ)償技術(shù)原理圖

3.3強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的類型及應(yīng)用實(shí)例

3.3.1強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的類型

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的類型如下：反射式強(qiáng)度調(diào)制、透射式強(qiáng)度調(diào)制、光模式（微彎）強(qiáng)度調(diào)制、折射率強(qiáng)度調(diào)制、光吸收系數(shù)強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制傳感器

反射式強(qiáng)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(jī)理是輸入光纖將光源的光散射向被測(cè)物體表面，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射到另一根輸出光纖中，其接收到的光強(qiáng)大小隨被測(cè)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(dòng)，故在反光物體之后相距x處形成一個(gè)輸入光纖的虛像，因此確定調(diào)制器的響應(yīng)等效于計(jì)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(dāng)x＜d/2T時(shí)，即d＞2xT(xT為發(fā)射光錐的底面半徑，且T=tan(arcsinNA)時(shí)，耦合進(jìn)入光纖的光功率為零；當(dāng)x＞(d+2r)2T時(shí)，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(dāng)d/2T≤x≤(d+2r)2T時(shí)，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(jì)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(jìn)行近似。圖3-12光纖反射式強(qiáng)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(gè)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(jì)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?jǐn)?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(qiáng)度調(diào)制形式傳感器的設(shè)計(jì)與分析信息。例如，圖3-14表示一對(duì)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(diǎn)，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(dāng)x=320μm時(shí)，最大耦合系數(shù)Fmax=7.2%。假設(shè)采用LED做光源，探測(cè)器在10kHz帶寬范圍內(nèi)能獲得的總功率為10μW，并設(shè)探測(cè)器的負(fù)載電阻為10kΩ。在主要考慮熱噪聲影響的情況下，分辨率可達(dá)到10－7數(shù)量級(jí)，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(jì)算曲線

2.透射式強(qiáng)度調(diào)制

光纖式光強(qiáng)調(diào)制模型用來測(cè)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(duì)于發(fā)射光纖錯(cuò)開一段距離，光強(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)。最簡(jiǎn)單的透射型調(diào)制方式是在發(fā)送光纖端，其光場(chǎng)分布為一立體光錐，當(dāng)接收光纖置于發(fā)送光纖纖端光場(chǎng)中時(shí)，就接收到一定的光強(qiáng)值。圖3-15透射式光強(qiáng)調(diào)制原理圖通過改進(jìn)，可以構(gòu)造出一個(gè)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(qiáng)接收光強(qiáng)，但實(shí)際從幾何光學(xué)成像的理論就可以知道，透鏡在壓縮光場(chǎng)的同時(shí)，也減小了發(fā)射光強(qiáng)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(shí)，定性的知道，光場(chǎng)的壓縮實(shí)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(shí)又減小了量程。如果我們更加關(guān)心量程，則可以展寬光場(chǎng)，以損失靈敏度為代價(jià)來增加量程?？梢姡砍膛c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(dòng)。這種傳感器光耦合計(jì)算方法與反射式傳感器是一樣的。在上述的簡(jiǎn)化分析限定范圍內(nèi)，比值δ/r與可移動(dòng)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(qiáng)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(jiǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)（r/dT）2。圖3-17所示的是利用兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)的光柵遮光屏傳感器，通過一對(duì)光柵遮光屏的透射率，從50％(當(dāng)兩個(gè)屏完全重疊時(shí))變到零(當(dāng)一個(gè)屏的不透明條完全覆蓋住另一個(gè)屏的透明部分)。在此周期性結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，光的輸出強(qiáng)度是周期性的。而且它的分辨率在光珊條紋間距的(10~6個(gè)）數(shù)量級(jí)以內(nèi)。這是構(gòu)成很靈敏、很簡(jiǎn)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(qiáng)度調(diào)制原理圖

3.光模式（微彎）強(qiáng)度調(diào)制

當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)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(qiáng)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(jī)理的強(qiáng)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(cè)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(qiáng)度調(diào)制原理圖選波紋的周期間隔為Λ(對(duì)應(yīng)空間頻率為f)，當(dāng)光纖之間狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)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(gè)模的傳播常數(shù)分別為β和β′，當(dāng)

相位失配為零，模間耦合達(dá)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(qiáng)度調(diào)制。（3.3-4）對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(hào)導(dǎo)致的彎曲幅度，q為空間頻率，z為變形點(diǎn)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(zhǎng)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(yán)重，損耗越高；α與光纖彎曲變形的長(zhǎng)度成正比，作用長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損耗越大；α還與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng)q=Δβ時(shí)，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(dāng)光纖由變形器引起微彎變形時(shí)，纖芯中的光有一部分逸出包層。若采取適當(dāng)?shù)姆绞教綔y(cè)光強(qiáng)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(dòng)、位移、應(yīng)變等光纖傳感器。微變光纖硬度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jìn)行光模式強(qiáng)度調(diào)制。多模光纖出射的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑就像一個(gè)切開的“西瓜”，“亮”、“黑”無規(guī)則地相間變化，如圖3-21所示。當(dāng)光纖受到外界各種因素(例如壓力等)影響時(shí)，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(cè)出其強(qiáng)度的變化，那么就能測(cè)出外界物理量的大小。圖3-21光模式模斑斑圖強(qiáng)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(cè)量局部光斑的強(qiáng)度變化；二是二次曝光法，即分別測(cè)量前后兩次模斑圖形，然后進(jìn)行比較、計(jì)算，就能獲得外界被測(cè)信息；三是雙模光纖，兩個(gè)模式光束之間存在受外界條件影響的延時(shí)差等，這就導(dǎo)致干涉斑圖強(qiáng)度的變化。

4.折射率強(qiáng)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(dāng)溫度恒定時(shí)，包層折射率n2與纖芯折射率n1之間的差值是恒定的。當(dāng)溫度變化時(shí)，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(qiáng)為基準(zhǔn)，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(dāng)漸逝波在光疏媒質(zhì)中的深入距離有幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，能量就可以忽略不計(jì)了。如果采用一種辦法使?jié)u逝場(chǎng)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(duì)單?；蚨嗄９饫w的相互作用長(zhǎng)度，d表示纖芯之間的距離。光纖包層被減薄或完全剝?nèi)?，足以產(chǎn)生漸逝場(chǎng)耦合。d、L或n2稍有變化，光探測(cè)器的接收光強(qiáng)就有明顯變化，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。這一原理已應(yīng)用于水聽器。圖3-23漸逝場(chǎng)光強(qiáng)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(jì)的一種折射率強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度反射系數(shù)，R⊥為垂直偏振方向的強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制

光吸收系數(shù)強(qiáng)度調(diào)制傳感器分為以下兩類：利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制以及利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。光纖吸收系數(shù)強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖

1）利用光纖的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制

X射線、γ射線等輻射線會(huì)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(qiáng)度調(diào)制輻射量傳感器。改變光纖材料成分可對(duì)不同的射線進(jìn)行測(cè)量，如選用鉛玻璃制成光纖，那么它對(duì)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(cè)，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(cè)。光纖吸收系數(shù)強(qiáng)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(qiáng)度調(diào)制的吸收曲線

2）利用半導(dǎo)體的吸收特性進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行強(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例

以下簡(jiǎn)要介紹一些強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例。1.以反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過使用反射式強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器來實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。位移測(cè)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(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器測(cè)位移工作示意圖利用兩個(gè)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(qiáng)分別處于峰值前沿和后沿并使二光強(qiáng)值相等。當(dāng)目標(biāo)移近時(shí)，探頭A的接收光強(qiáng)減小而