第四章-强度调制型光纤传感器1.ppt

第四章强度调制型光纤传感器,光纤传感器的组成,在光纤中传输的理想平面波可用如下方程描述,式中，为光波的常矢量振幅，为波数，为波长为，为频率，为初始相位。,光纤中光波调制原理,强度调制型光纤传感器,利用对外界因素引起光纤中光强的变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。,定义：,原理简单、体积小、价格低廉、带宽高、频率响应快;,易受光源、光纤、光纤器件（耦合器、连接器等）以及光探测器等引起的光强变化的影响,强度调制型光纤传感器,1.优点,2.缺点,强度调制型光纤传感器的分类,1.光强调制方式,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,2.光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,强度调制型光纤传感器的分类,1.光强调制方式,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,2.光纤在传感器中的作用,内调型,外调型,（传光型或非功能型）,（传感型或功能型）,4.1反射式强度调制,反射式强度调制,反射式强度调制,反射式强度调制,反射式光纤传感器的基本结构,光源、传输光纤（发射与接收）、反射面以及光电探测器,基本结构：,调制原理：,发射光纤将光源发出的光射向被测体表面，再从被测面反射到接收光纤，并由探测器接受；探测器接收到的光强大小随被测面与光纤间的距离变化而变化。,a,d,2r,EmittingFiber,ReceivingFiber,位移方向,LD,PIN,x,z,y,o,反射面,确定传感器的响应（发射光纤-平面镜-接收光纤的光路耦合）等效于计算虚光纤与接收光纤之间的耦合,光纤对与镜面构成的传感头的耦合效率分析,分析条件：,假设发射光纤与接收光纤的间距为d，且都具有阶跃型折射率分布，芯径为2r，光纤数值孔径为NA，且,当间距a2dT时，即ad/2T时，没有反射光进入接受光纤，即两光纤的光耦合为零；,当间距a(a+2r)/2T时，接收光纤与发射光纤的像的光椎底端相交，此时光椎的底端面积为，因此，在此间隙范围内光耦合系数为。,当间距2dT-2ra2dT时，即a/2Td(a+2r)/2T时，耦合到接收光纤光通量由发射光纤的像发出的光椎底面与接收光纤重叠的面积确定。,在线性近似条件下，可得到交叠面积,由几何关系可得,其中，F被称为耦合效率。,由接收光纤接收的光功率占入射光功率百分比为,可用于反射式强度调制光纤传感器的简单的设计与分析,反射式强度调制光纤传感器强度调制特性曲线,反射式光纤传感器强度调制特征参数,起始距离d0：接收光纤开始能接收到由发射光纤发出并经反射面反射的光时所对应的反射面到光纤端面之间的距离，其中区间0,d0称为死区。,峰值距离dp：当接收光纤接收到的由发射光纤发出并经反射面反射的光信号达到最大值时，光纤端面与反射面之间的距离称为峰值距离dp。,前坡，后坡：,位于d0,dp的特性曲线段称为前坡；位于dp,的特性曲线段称为后坡。,接收光纤接受的强度调制特性不但与光源、光纤到反射面的距离、反射面的特性（反射率、斜度等）有关，而且与光纤的数值孔径（NA）、纤芯、光纤的数目及端面的排列方式以及光接收器性能及其与光纤的耦合等密切相关。,反射式强度调制光纤传感器的优点：,原理简单、体积小、性能可靠、设计灵活、价格低廉、带宽高、频率响应快等独特优点，在要求成本和采样速率的高精度、非接触式测量领域更具吸引力;应用范围广，已经广泛应用于位移、振动、压力、应变、角位移、表面粗糙度、温度等物理量的测量。,在光纤传感领域中占据十分重要的位置,反射式强度调制光纤传感器的缺点：,灵敏度和线性测量范围相互制约严重；,前坡灵敏度好，分辨力高，线性较好，但其线性范围小，只适用于测量微小位移变化；后坡曲线的斜率为负，虽然线性范围大，但灵敏度低，只能用于低分辨力大量程的位移测量。,反射式强度调制光纤传感器的缺点：,提高稳定性、增强灵敏度、扩大线性范围等成为反射式强度调制光纤传感器的研究热点,抗干扰能力差。,因为以光强变化来获取被传感参量变化的信息，测量结果极易受光源、光纤等引起的光强波动以及探测器和后续电路产生的电子噪声的影响，存在较大测量误差。研究表明，环境光干扰、光源的功率波动、光纤的特性变化、被测面的反射率变化等是影响传感器精度和稳定性的主要因素。,基本思想：用两根(或两组)光纤分别接收测量光，利用两组测量信号的相关性与差异性并进行适当的数据处理，便可以达到补偿的目的。,1.三光纤补偿法,改善调制特性技术,TF为发射光纤，RF为接收光纤。RF1与TF相同，芯径为r1、包层厚度为t1；RF2与TF不同，芯径为r2、包层厚度为t2；包层之间无间隙。,芯径不等式,可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，改善特性曲线的线性范围、线性度。,芯径不等式,TF与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1，包层之间无间隙；TF反射端面与RF1、RF2的接收端面间错位量分别为b1和b2。,等芯错位式,可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，但对特性曲线的线性范围、灵敏度改善不明显。,等芯错位式,TF与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1，包层之间无间隙。,等芯不等间距式,TF与RF1、RF2均相同，芯径为r1、包层厚度为t1；TF与RF1的包层之间无间隙，而与RF2的包层之间存在间隙p0。,等芯不等间距式,光强调制特性本质上没有区别。式由于光纤之间紧密排列，因而光轴间距容易准确确定，仅由光纤芯径和包层决定；式由于光纤包层之间存在间隙，因此光纤的间距不容易准确给定，容易引入测量误差；,等芯不等间距式,可抑制光源功率波动、反射率变化的影响，改善特性曲线的线性范围、线性度。,等芯不等间距式,采用适当形式的三光纤传感器不但可以改善传感器的线性范围和线性度，而且可有效的消除光功率波动和反射面反射率的变化等因素对测量精度的影响；采用三光纤结构时应首选芯径不等式或等芯不等间距式。,反射式强度调制三光纤传感器调制特性比较,在实际设计中，为了增大发射亮度和接收光通量，往往不用单根发射光纤和接收光纤，而采用多根光纤集合成的发射光纤束和接收光纤束，将发射光纤束的发射端和接收光纤束的接收端集合在一起，构成Y型光纤探头。这种结构可有效地减少光源波动的影响，减少不同反射面反射率差异的影响，以及分散结构存在的接收元件、放大电路和光纤微弯损耗不匹配的影响，起到很好的补偿作用。,2.多光纤法,Y型光纤探头,各种结构形式光纤传感器对照表,单根双向Y型光纤传感器：发射与接收光纤由同一根光纤实现。具有高的位移灵敏度，但测量范围很小；并行排列单向分离型光纤传感器：发射与接收光纤分开，成左右对称排列形式。具有大的测量范围和较低的位移灵敏度；随机排列单向分离型光纤传感器：多根发射与接收光纤混合随机地分布。具有较高的位移灵敏度和较小的测量范围；同心圆排列单向分离型光纤传感器：一根或多根发射光纤位于中心，周围是接收光纤。具有较大的测量范围和较高的位移灵敏度，其最大的优点是可以减小倾斜和转动的影响。,针对应用场合的不同，选择和设计不同的传感器结构。在测量小孔径、小被测表面的物体时选择(a)结构的传感器；在测量空间大、被测表面大物体时选择(d)结构的传感器。,光纤截面的不同排列方式示意图,增大发射亮度和接收光通量,3.光纤倾斜式,传统反射式强度调制光纤传感器的缺点：,绝大数含有传感信息的调制光损耗在光纤传感头和反射面之间，仅有很小一部分调制光被接受光纤接受并传输至探测器；灵敏度较低，存在较大测量死区，而且过小的光纤间距也不易调整，限制了光纤传感器的应用。,3.光纤倾斜式,倾斜式光纤强度调制传感器原理结构图,特点：发射光纤和接收光纤均与反射面的法线成一定角度,3.光纤倾斜式,特点：随着光纤倾角的增大，传感器的灵敏度增大，死区范围减小，但线性测量范围减小。,倾斜式光纤强度调制传感器光强调制特性曲线,光纤倾斜式改进型：,发射和接收光纤的端部各耦合一个渐变折射率光纤(GRIN)制成的透镜，该透镜可使光源发出的光会聚成一平行光束并以入射角照射到试件上。接收GRIN透镜放置在镜面反射的方向上。,若把试件置于某一特定位置DM，接收光纤能接收到所有入射光。当试件向测头移近或远离时，仅能接收到一部分光，也就是说，接收光强的大小取决于距离D，由此可求出测头到被测表面的距离D。,优点：,针对不同的测量要求，可选择不同的参数，对工作距离没有限制。这些特点使该类型传感器在在线检测和过程控制方面有着广泛的应用前景。,由于测量时的入射光是平行光束，使得输出信号增强；在这种结构传感器中，两光纤间距d和入射角都是可调节的。,反射面可以是专设的平面镜或棱镜，也可以是一般物体的反射面或漫射面。,4.不同反射面设置方式,正镜式光强调制,反射面与接收光纤的轴线垂直，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端口的轴向线位移对进入接收光纤的光强进行调制。为了扩大其动态范围，可在光纤端部增加一个透镜组。,A.正镜式光强调制,B.斜镜式光强调制,(a)(b),图a的特点是，反射面相对接收光纤倾斜一角度，外界信号通过控制反射面相对接收光纤入射端面的角位移对进入接收光纤的光强进行调制；,图b的特点是，接收光纤与发射光纤相对夹一定角度，反射面相对接收光纤的入射端口倾斜，外界信号通过控制反射面相对接收光纤的角位移对进入接收光纤的光强进行调制。,5.强度补偿技术,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。,最新研究动态：,1.单模光纤照射,传统反射式强度调制光纤传感器缺点：多采用LED作为照明光源和多模光纤作为发射光纤。,多模光纤能传输更多的光能量，但LED输出功率通常较小。,光源功率决定传感器的灵敏度等特性参数。因此，相对于LED，功率更高、更为稳定的相干激光更被期望用于反射式强度调制光纤传感器中。,1.单模光纤照射,相干激光+多模光纤,因为光纤内光线的多路径传播，极易在光纤的出射端面形成散斑场，而光纤的弯曲等极易改变散斑场的分布，从而引起耦合进接收光纤中光功率的波动，降低探测性能,相干激光+单模光纤,近年收到广泛关注,单模光纤作为发射光纤，可消除散斑影响,2.基于塑料光纤的强度调制传感器,耐用；芯径大，数值孔径大，可接受更多来自反射面的调制光；便于光耦合和安装。,3.差动式强度光纤线位移传感器,等芯错位式光纤位移传感器,接收光纤接收端面相对于照明光纤出射端面存在偏移量时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特性曲线在形状上并没有改变，只是产生一定的相移。,差动式光纤位移传感方法与技术提供了依据,3.差动式强度光纤线位移传感器,单模光纤照射的差动光纤传感技术的基本工作原理（国家发明专利授权）,在接收光路中，设置差动式双接收光纤，即接收光纤的接收端面不是位于发射光纤发射端面平面上，而是分别对称地位于发射端面平面之前和之后，通过对置于接收光纤后两探测器的探测信号求差值，给出光强调制误差信号。,3.差动式强度光纤线位移传感器,提高传感器的灵敏度；可抑制光源功率波动、探测器及电路电子噪声的影响；利用响应误差信号的双极性特点可准确判断位移方向，并利用过零点作为绝对零点触发，实现测微和绝对跟踪能力,差动光纤传感技术的光强调制特性曲线,4.差动式强度光纤角位移传感器,接收光纤光轴相对于照明光纤光轴存在偏移量时，传感器光强调制特性曲线相对于没有偏移量时的特性曲线在形状上并没有改变，只是产生一定的相移。,4.差动式强度光纤角位移传感器,应用实例,1.非接触式位移、振动测量,位移测量是反射式强度调制光纤传感器最基本也是最为成功的应用。,在1966年，美国的W.E.Frank首先将它应用于位移测量中。,在商业化的光纤位移传感器制造方面，美国的MTI公司和Oriel公司的光纤位移传感器的技术水平较高。,反射式光纤传感器应用图例,美国MTI公司的MTI-2100光纤测量系统,非接触式测量自动校正功能液晶（LCD）显示面板模拟量输出峰峰值（PK-PK）功能，高通/低通滤波功能最小探针外径0.17mm，可以订做弯曲探针高解析（可达2.5纳米）、高频率（可达500KHZ）可同时接两组探针，可更换探针，无须再校正,MTI公司的MTI-2100光纤测量系统产品特性：,被测位移量是根据接收光纤接收被测物的反射光通量来决定的。,测量原理：,测量过程：,当探针与被测物接触或零间隙时，全部发光量直接被反射至发射光纤，没有传输给接收光纤，输出信号为“零”。,当探针与被测物之间距离增加时，接收光纤接收的光量也随之增加，直到接收光纤全部被照明为止，此时距离也被称之为“光峰值距离”。,到达光峰值距离后，当探针与被测物之间距离继续增加时，将造成反射光扩散或超过接收端接收视场，使得输出信号与被测距离成反比例关系。,传感特性曲线,在曲线敏感、正斜率的部分（范围一），灵敏度以及分辨力都较高，适合微小位移测量；,在曲线不敏感、负斜率的部份(范围二)，灵敏度及分辨力都较低，适合较大位移测量。,光纤探头光纤分布,输入和接收光纤三种不同布局：不规则、半圆形及同心圆形状,基于不同探头的传感器性能指标,可作为探针设计方案参考,成功应用：,薄膜/压电材料振动测试,铁电材料振动测试,传动元件动态测试,同轴度测量,轴承马达回转测试,结构动态分析,表面轮廓测量,硬盘/光盘振动测试,往复动作分析,超声波换能器振动测试,焊线机磁嘴振动测试,边缘检测,超声波换能器振动测试,焊线机磁嘴振动测试,应用方案：,2.膜片反射式光纤压力传感器,在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,优点：结构简单、体积小、使用方便,缺点：光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。,当有力作用时，弹性元件发生变形，使得发送和接收光纤的端面与反射镜面之间的距离发生变化，进而接收光纤接收到的光强也随之发生变化。这种光纤触觉传感器的分辨率可达0.5%，并且抗干扰能力强、灵敏度高、稳定性好。,机器人触觉传感器,应用于传统的电声麦克风无法使用的环境和受到电磁十扰的环境，以及需要防止被窃听的场合。在机场、水下、医疗及军事上都受到了重视和广泛的应用。,光纤麦克风,3.油液污染度光纤传感器,理论基础：,根据Lambert-Beer（郎伯-比尔）定律，单色平行光通过一含有悬浮物质的介质后，其强度将发生衰减，不同污染度的油液对光线的衰减作用不同。,式中，I为光强，为摩尔分子吸收系数，C为油液浓度，L光和油液的作用长度。,光源发生的光，耦合进传光束后，经Y型耦合器3后，分别传输至入射光纤4和参考光纤5中，入射光纤4中信号经传感探头6、反射体7反射后，部分光由接收光纤8接收，探测器9所接收到的光功率信号的强度与测量区中的油液污染度有关;参考光纤5中信号经参考光纤传输至光电探测器9，该参考光路主要用于补偿光源波动等因素的影响。,测量原理：,4.液位控制光纤传感器,管道安装型：,光纤传感器,检测原理：,浸没型检测原理：,液位检测控制方案：,5.光电式开关,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤耦合器,传输光纤,出射光纤,5.光电式开关,产品计数,液位检测,检测有无盖,转速监测,6.微小内腔体尺寸测量,测头的直径为5mm，光纤选用NA=0.37的多模Y型光纤，光源为中心波长0.88m的LED，光电接收元件为PIN光电二极管。测量分辨力可达0.1m，孔径定位测量精度为1m，对孔径等内尺寸的测量范围大于6mm。,7.光纤图像传感器,光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l020m的光纤组成，每条光纤传送一个像素