反射式光纤传感器.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,反射式光纤传感器,反射式强度调制型光纤传感器，简称,RIM-FOS,，具有,结构简单、性能可靠、设计灵活、价格低廉,等优点，而且可适用于,位移、转角、应变、压力、振动、温度、表面粗糙度,等多种物理量的测量。,最早提出,RIM-FOS,结构并申请专利的是美国的,W.E.Frank,和,C.D.Kissinger,等人和,R.O.Cook,等人，他们对该类传感器的,频率响应、动态范围、线性区间、工作距离,等重要问题取得了具有权威性的研究成果。,国内从二十世纪八十年代始，不少学者也开始关注,RIM-FOS,，并进行了广泛而深入的研究。,反射式强度调制型光纤传感器,基本原理,光源发出的光经过发送光纤照射到反射面发生反射，反射光进入接收光纤，最后由光电探测器接收。当反射面相对于光纤端面的距离,d,发生变化时，反射回接收光纤的光强也会发生变化，在其它参数不变的情况下，探测器,接收到的光功率,Pr,的大小取决于距离,d,。,正镜式光强调制,斜镜式光强调制,基本原理,由于,反射回光纤的强度信号容易受光源功率波动或传输光纤损耗的影响,要直接从光强信号得到反射面到光纤端面的绝对距离十分,困难。,光强调制,函数,M,是,RF,接收的光功率与,TF,发送的光功率之比,。,M,反映的是传感器的强度调制特性，它是,反射式强度调制型传感器,进行测量的基础。,阴影,I,代表漫反射损耗部分，由于此时的漫散射角大于接收光纤的数值孔径角，所以这部分的散射光,不能被,RF,接收,;,阴影部分,II,代表漫反射有效部分，由于此时的漫散射角小于数值孔径角，因此这部分的散射光,对接收光有贡献,。所以实际的光强调制特性曲线将从理想特性曲线,A,变到实际曲线,B,。,M=Pr/Pt,dd0,，死区,d0ddp,后坡,斜率为负，其调制函数基本上是光强平方的倒数，后坡一般适用于低分辨率大量程的位移测量。,基本原理,多种光纤排布结构,多种光纤排布结构,典刑,RIM-FOS,的强度调制特性曲线,耦合进反射光纤的光强随距离,L,的变化有上升和下降两个区段,光强最大值出现的位置,仅由反射光纤端面与反射面的距离决定,与光源功率的大小无关。,实例一,实例一,单纯由最大光强输出光纤来判别距离,L,有较大误差。为提高测量精度可以通过选择外径较小的光纤作反射光纤、离开中心,(,入射,),光纤一定距离排列反射光纤等方法实现。这里提出通过,计算两个最大输出光强的比值,方法来确定反射面距反射光纤端面的精确距离。,实验测试结果表明,测量精度达,1.5%FS,实例二,选取大芯径,200m,的多模光纤,按照图示排列,L1,、,L2,为两组探测器发光光路,;PD1,、,PD2,为接收器接收反射光光路,;,中间三根为定位光纤。,在,L1,工作,L2,非工作时,探测器,PD1,和,PD2,同时接收光源,L1,的信号,用,X1,、,Y1,表示：,在,L2,工作,L1,非工作时,探测器,PD1,和,PD2,同时接收光源,L2,的信号,用,X2,、,Y2,表示：,实例二,S,为与液位成正比的信号,代表液位,从上述公式看出光功率,P1,和,P2,以及,K1,、,K2,、,M1,、,M2,全部消除,克服了由于这些因素所造成的测量误差,提高了测量精度。,系统经实验能够测量油罐内液位,0,3m,精度,1%,实例三,采用了两圈接收光纤围绕一根发射光纤的结构，,R1,、,R2,都是接收光纤，由于距离信息被多根光纤平均，且果取,IR2/IR1,，此值仅与测量距离有关，这样降低了信号噪声，可测范围,o,1000tun,，分辨率超过,0.1um,。,最大测量距离可以通过调整两圈接收光纤之间的距离来调节,曲率检测法,光纤束截面上光纤排列成三层同心圆环，由中心向外依次为,内接收层、投射层,和,外接收层,。,膜片不受压力时处于平直状态，此时内、外层接收的光强信号相等,在压力作用下,膜片变形而在光线投射处有一曲率,由此使得内接收层光强信号,(I,i,),大于或小于外接收层光强信号（,I,0,）。,如果能选择膜片、光纤的特性参数并使之满足一定关系,则,以内、外层信号之比的对数,ln(I,0,/I,i,）作为输出,，能够有好的线性度。对按这种方式工作的一个实际传感器的标定结果,表明线性度达到,0.25%,左右。,反射面偏转检测法,由弹性膜片直接作为反射面，膜片的变形只是带动一个专门的反射表而产生偏转，从而使接收光强发生变化这种工作方式的最大优点是能获得很高的灵敏度。但是高频性能往往要降低。,谢谢！,