光纤强度调制检测

定义与基本关系

光纤强度调制检测属于强度调制型光纤传感器，其基本思想是：光源发出的光经光纤传输到调制区，被测量通过某种物理机制改变光在调制区的传输损耗、耦合效率或反射/透射比例，使到达光探测器的光强随被测量变化；光探测器将光强变化转换为电流或电压信号，经解调后得到被测量。

设光源输出光功率为 $P_0$，被测量为 $x$，则探测器接收光功率可一般地写为

其中 $T(x)$ 为调制区光功率传输系数，$0\le T(x)\le 1$。检测系统通过测量 $P(x)$ 或 $P(x)$ 的相对变化来确定 $x$。

外调制技术

外调制指被测量作用于光纤外部构件或光路，改变进入接收光纤的光量。

遮光式：发送光纤与接收光纤相对放置，中间设置可动光闸或可动光纤端面。被测量使光闸位移或使两光纤端面相对位移 $x$，改变光束在接收光纤端面的覆盖面积，从而改变耦合进接收光纤的光功率。若两光纤中心距为 $D$，相对位移 $x$ 相对于 $D$ 变化，则输出光强随 $x$ 变化；该变化关系取决于光斑分布、位移正负方向及两端面间隙，仅在选定的单调重叠区内输出光强随 $x$ 单调变化，不能认为任意 $x$ 相对 $D$ 都单调。

反射式：光源经光纤或耦合器投射到被测表面，反射光由同一或另一光纤接收。被测表面位移、振动或反射率变化使接收光强变化。可动反射器把光反射到出射光纤，反射面到入射光纤的距离受被测量控制，出射光纤收到的光强随距离变化。

吸收式：被测对象位于光路中，部分光被吸收，透射光强随被测对象吸收特性变化。透射式光电传感器即利用恒定光通量穿过被测对象，光敏器件输出光电流是被测对象吸收光通量的函数。

耦合式：利用发送光纤与接收光纤之间的相对运动、间隙或折射率匹配状态改变，使两光纤间的光耦合效率随被测量变化。

内调制技术

内调制指被测量直接作用于光纤本身，改变光纤的传光特性，使纤芯内传输的光强发生变化。

折射率调制：光纤纤芯折射率 $n_1$ 与包层折射率 $n_2$ 满足 $n_1>n_2$ 时，光在纤芯-包层界面发生全反射，光被限制在纤芯中传输。温度、湿度、压力等使纤芯或包层折射率改变，若 $n_1\le n_2$，全反射条件被破坏，光泄漏到包层，输出光强减弱。例如特选膨化材料包层在潮湿空气中吸附水分子膨胀，包层折射率降低，使光纤由漏光状态转为全反射状态，输出光强改变。

倏逝场耦合调制：光在纤芯-包层界面全反射时，在包层中存在倏逝场。若两根光纤的包层靠近或接触，或光纤弯曲使倏逝场延伸到外部介质，则一部分光功率可通过倏逝场耦合到另一根光纤或外部介质中，导致原光纤输出光强变化。被测量通过改变两光纤间距、包层厚度或外部介质折射率来调制耦合量。

微弯调制：光纤发生微小弯曲时，部分传播模式的光会从纤芯耦合到包层并辐射损耗，使输出光强减小。被测量通过微弯器使光纤产生周期性微弯，弯曲幅度或频率随被测量变化，输出光强随之变化。

技术关系与适用范围

强度调制光纤传感器的优点是结构简单、成本低、易于实现，可使用发光二极管 LED 或激光器 LD 作光源，可用多模光纤。其缺点是光强易受光源功率波动、光纤连接损耗、弯曲损耗和探测器灵敏度漂移影响，因此常需参考通道或比值测量来补偿共模干扰。强度调制适用于位移、压力、温度、湿度、转速、振动等物理量的测量，尤其适合对精度要求不很高但需要本征安全、抗电磁干扰的场合。