光强度调制及其在传感器中的应用

光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，再通过光强的变化来测量外界物理量，其调制原理如图9.8所示。

图9.8　光强度调制原理

当一恒定光源的光波Iin注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波强度被Is所调制，载有外力场信息的射出光Iout的包络线与Is形状一样，光探测器的输出电流ID（或电压）也为同样的调制波。

强度调制是光纤传感器最早使用的调制方法，其特点是技术简单、可靠、价格低，可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。

1）小的线（角）位移外调制方式

外调制方式的调制环节通常在光纤外部，光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分，即发射光纤和接收光纤。如图9.9所示，发射光纤与接收光纤间的距离为2～3 μm，端面为平面。通常入射光纤不动，外界因素如压力、张力等使出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。

图9.9　光强小位移调制

如果入射和出射光纤均用同性能的单模光纤，径向位移d与功率耦合系数T之间有如下关系：

式中，S0为光纤中的光斑尺寸，T和d的关系为高斯形曲线。这种调制方法可以测量10 μm以内的位移。

反射式强度调制器的结构原理如图9.10所示。在光纤端面附近设有反光物体A，光纤射出的光被反射后，有一部分再返回光纤。通过测出反射光强度，就可知道物体位置的变化。为增加光通量，也可以采用光纤束。

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图9.10　反射式光强调制器

图9.11所示为遮光式光强度调制器原理。发送光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，使接收光纤只接收到发送光纤发送的一部分光，从而实现光强调制。

图9.11　遮光式光强度调制器原理

2）微弯损耗光强调制

根据模态理论，当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，光纤中的传输光有一部分会折射到纤芯包层中去，不产生全反射，导致纤芯中的光强发生变化。因此，可通过纤芯能量变化来测量外界力，如重力、应力、加速度等物理量。这样，就可制成光纤压力传感器或微弯传感器等。

图9.12是根据微弯损耗光强调制原理制成的微弯光纤压力传感器示意图。传感器由两块波形板（或圆形滚筒）构成，其中一块活动，一块固定，称为变形器，一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成，光纤从波形板之间通过。当活动板受到微扰（如位移、压力等）作用时，光纤发生周期性微弯曲，引起传输光的散射损耗，一部分光从纤芯（传播模）耦合到包层（辐射模）中。当微扰增加时，泄漏到包层中的散射光随之增大，光纤纤芯的输出光强度相应减小，于是光强度受到调制，通过检测光纤纤芯透射光强度的变化就能测出被测量的大小。

图9.12　微弯损耗光强调制原理图

扫描下图可浏览AR资源——光纤微弯损耗光强调制原理。

模态理论指出，引起耦合的两个模的有效传播常数之差为

3）吸收特性的强度调制

X、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而构成通过强度调制来测量辐射量的传感器。不同材料的光纤对不同射线的敏感程度不一样，可以鉴别不同的射线。例如，铅玻璃光纤对X、γ射线和中子射线特别灵敏，而且在小剂量射线时，有较好的线性关系，可以测量射线辐射剂量。