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二.光纤传感器原理

外界参量光源信号光探测器信号光纤光纤调制处理

本讲提要n外界参数对光纤内传输光的作用方式，即各种调制的原理与方法。

n光纤对许多外界参数有一定的效应，研究光纤传感原理就是研究如何应用光纤的这些效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能，这是光纤传感器的核心，也是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。

n光纤传感器的调制区可能是光纤本身（内部调制），也可能是其他材料制成的敏感元件（外部调制），单就调制原理而言，仅研究外界因素引起光的性质的变化，不论是内部调制还是外部调制都是一样的。

一.强度调制----光纤传感器最早使用的调制方法n概念利用外界因素改变光纤中光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。

光纤强度调制传感器的原理图

特点n技术简单，可靠，成本低。n可以采用多模光纤。n光纤的连接与耦合容易，所使用的光纤连接器与耦合器已经商品化。n光源可以采用非相干光源，如输出稳定的LED等。

构成传感器探头的物理机理n（一）利用线性位移或角位移进行调制原理图

若输入输出为同一种单模光纤，S0为光纤中的光斑尺寸，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯型曲线，存在下列关系：T最佳传感区域d

特点n光纤间距离很小，约2-3μm。n入射光纤保持不动（除去差动法）。n出射光纤进行位移或转动。

n（二）光闸调制原理图

特点n入射光纤与出射光纤均保持不动，依靠遮光屏随外界因素影响而引起的运动来对出射光纤的输出光强进行调制。n遮光屏本身材料不限，可以是固体，也可以是液体。n入射光纤与出射光纤的端面要设置准直透镜。

n（三）反射式强度调制传光束双光纤单光纤原理图

特点n入射光纤与出射光纤可以是单根光纤、两根光纤也可以是光纤束。n非接触式，探头小，频响高，线性度好。n测量位移~100?m。

n（四）利用光纤微弯产生的损耗进行调制原理图

特点n当光纤受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模能量，通过测量包层模式的能量或芯模能量的变化，就可以测出外界物理量的大小。n主要应用于对应变等物理场的检测。分辨率可达0.1nm。

n空间周期?n选取适当的空间周期，使得它与光纤中适当选择的两个模式的传播常数差相匹配。则光纤中光功率的分布随着这个空间感应耦合而变，原来在纤芯中传播的某些光转移到包层中。n相位匹配条件?和?’为引起耦合的两个模式的传输常数。

n相邻的两个模式，其传输常数差为模式标号相对折射率差表征光纤折射率分布的参数纤芯半径总模式

梯度折射率光α=2变形器的最佳周期折射率光△为光纤芯子与包层之间的相对折射率差；a为纤芯半径；M是总模式；m是模式标号；

特点n可以采用多模光纤。n要达到引起耦合损耗的两模式间的耦合为最佳值，需要根据具体情况设计适当的调制周期。

（五）利用折射率的变化进行调制n特点：在光纤的纤芯折射率不变的情况下，通过外界因素的改变引起光纤包层折射率的大小发生变化，从而使得其中传输光的强度发生变化。

n典型图

（六）利用光纤的吸收特性进行调制利用射线的辐射使光纤的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成强度调制的测量辐射量的传感器。原理图

特点n测量各种辐射，例如x射线的大小。n灵敏度高、线性范围大。n实时性强。n典型应用：卫星外层空间剂量的监测；核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。

n其它强度调制方法利用光纤模斑斑图的强度随外界参数影响的变化，来测量待测物理量。........

二.波长调制---颜色调制n概念利用外界因素改变光纤中光的波长，通过测量光波长的变化来测量外界物理量。

特点n对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感。n解调技术复杂，常常需要分光仪。n通常采用比值测量（两个波长的测量值为基准），要求校准以建立比值测量所需要的参考点。n探测的波长范围有限。

典型应用n外界因素对传输光的光谱成分中，不同波长的光吸收特性不同。如：溶液浓度的化学分析等。n外界因素引起光的波长发生漂移。如：光纤光栅应力传感器，光纤光栅温度传感器等。

三．频率调制n概念利用外界因素改变光纤中光的频率，通过测量光频率的变化来测量外界物理量。

特点n外界因素以多普勒效应的形式影响光的频率。n适用于对运动目标的探测。n空间分辨率高，光束不干扰流动状态。

多普勒效应研究光源与观测者之间的相对运动对接收到的光的频率产生的影响。n如果频率为f的光入射到相对于探测器速度为v的运动物体上，则从物体上反射到探测器的光频率为：c为真空中的光速

光纤多普勒系统f1nf0f-f01激光器f0f±混频1Δff0以速度vf0±Δf运动的被测物体Δfv

典型应用n血液流动速度监测传感器n运动物体速度监测