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传感器 光纤传感器第1页，共46页，编辑于2022年，星期四第第9章章 光纤传感器光纤传感器信息载体信息载体光光传递媒质传递媒质光纤光纤兼具兼具光纤光纤及及光学测量光学测量的特点。的特点。光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。光线传感器与以电为基础的传感器有本质区别。第2页，共46页，编辑于2022年，星期四光纤传感器的特点：光纤传感器的特点：优点：优点：l不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，不受电磁干扰，可绕曲，耐腐蚀，高绝缘强度，高绝缘强度，防爆性好，防爆性好，l灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。灵敏度高，能与数字通信系统兼容等。被测量范围广：被测量范围广：l温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、电、声和声和PH值等值等70多个物理量；多个物理量；应用领域：应用领域：自动控制、自动控制、在线检测、在线检测、故障诊断、安全报警等方面故障诊断、安全报警等方面第3页，共46页，编辑于2022年，星期四一、一、光纤光纤1、基本原理基本原理1）几何光学的基本定义和定律）几何光学的基本定义和定律l光在光在均匀介质均匀介质中：中：直线直线传播传播l在两介质在两介质1和和2的的界面界面上发生：上发生：反射角入射角反射角入射角1折射角折射角2=？反射反射折射折射第4页，共46页，编辑于2022年，星期四2）斯乃尔定律（）斯乃尔定律（Snells Law)折射定律折射定律l折射定律折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，折射光线和入射光线位于法线的两侧，l且满足：且满足：n1sin 1=n2sin 2光折射示意图光折射示意图 n1、n2 分别为介质分别为介质1、2的折射率的折射率第5页，共46页，编辑于2022年，星期四3）光的全内反射原理）光的全内反射原理（1）当光由）当光由光密介质光密介质（大折射率（大折射率n1）射向光疏介质射向光疏介质（小折射（小折射率率n2）时，）时，2 1（3）全反射：）全反射：当当 1 c，2 90，在界面上发生全反射，在界面上发生全反射（2）折射的临界状态：）折射的临界状态：使使 2 90的入的入射角射角 1 称为临界角称为临界角 c光折射示意图光折射示意图临界状态示意图临界状态示意图光全反射示意图光全反射示意图第6页，共46页，编辑于2022年，星期四2、光导纤维、光导纤维光纤光纤纤芯：纤芯：玻璃纤维，玻璃纤维，折射率折射率n1包层：包层：与纤芯同质，与纤芯同质，折射率折射率n2 90，则，则0c=arc sin NAl当当 2 c=arcsin NA，光线消失。，光线消失。l数值孔径的意义是：数值孔径的意义是：无论光源发射功率有多大，无论光源发射功率有多大，只有只有2c 张张角之角之内内的的光光功率功率被被光纤接受光纤接受传播传播。l数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。数值孔径是反映纤芯集光性能的主要参数。c=arc sin NA 为为“数值孔径数值孔径”NA(NumericalAperture)。光线刚好不发生折射，光线刚好不发生折射，即：即：2=90 则临界入射角：则临界入射角：第9页，共46页，编辑于2022年，星期四数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定数值孔径的大小由纤芯和包层材料性质决定v数值孔径数值孔径NA对光传输的影响：对光传输的影响：大大的数值孔径，有的数值孔径，有利于利于耦合效率耦合效率的提的提高高。但数值孔径大，但数值孔径大，光信号将产生大的光信号将产生大的“模色散模色散”会会使使信号信号发生严重发生严重畸变畸变典型的光纤典型的光纤10（sin 10 0.175）石英光纤的石英光纤的NA0.20.4第10页，共46页，编辑于2022年，星期四3）光纤的类型）光纤的类型（1）按折射率变化分类）按折射率变化分类a)阶跃型阶跃型（stepped）l纤芯与包层之间的折射率是突变的，纤芯与包层之间的折射率是突变的，b)渐变型渐变型（graded）l在纤芯横截面中心处折射率最大其值为在纤芯横截面中心处折射率最大其值为n1，由中心向外逐渐变小到与包层交界，由中心向外逐渐变小到与包层交界处折射率处折射率n2，l通常折射率变化为抛物线型式，又称通常折射率变化为抛物线型式，又称为梯度型。为梯度型。第11页，共46页，编辑于2022年，星期四（2）光纤按传输模式分类）光纤按传输模式分类a）多模光纤多模光纤纤芯直径在纤芯直径在50200m，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模，光信号在光纤中可多光线传输，以多个模式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和式同时传输，由于模间色散较大，限制了传输数字信号的频率和传输距离。可使用传输距离。可使用LED光源光源 b）单模光纤单模光纤l纤芯直径很小（纤芯直径很小（810m)，只能传输基模，只能传输基模(最低阶模最低阶模)，不存，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。需要用激光源。速传输是非常重要的。需要用激光源。现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。第12页，共46页，编辑于2022年，星期四3、光纤的特性指标光纤的特性指标评价信号通过光纤的评价信号通过光纤的损耗损耗和和色散色散1）损耗特性损耗特性评价指标：评价指标：光强的衰减系数光强的衰减系数aPi、Po入射端和出射端光功率，入射端和出射端光功率，L光纤长度（光纤长度（km）一般光纤传感器中的光纤一般光纤传感器中的光纤L4m，a10dB/km的光纤均可选用的光纤均可选用实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在纤在1.55m波长区的损耗可低到波长区的损耗可低到0.18dB/km第13页，共46页，编辑于2022年，星期四2）色散）色散l特别在特别在光纤通讯光纤通讯中，色散使中，色散使传输的信号脉冲发生畸变，传输的信号脉冲发生畸变，从而从而限制限制了光纤的传输了光纤的传输带宽带宽第14页，共46页，编辑于2022年，星期四3）光纤的分布类型）光纤的分布类型影响光纤传感器灵敏度的有：影响光纤传感器灵敏度的有：光纤束的数量、尺寸和分布光纤束的数量、尺寸和分布,以及每根光以及每根光纤的数值孔径纤的数值孔径(a)随机分布随机分布(b)半球形对开分布半球形对开分布(c)共轴内发射分布共轴内发射分布(d)共轴外发射分布共轴外发射分布第15页，共46页，编辑于2022年，星期四l塑料光纤塑料光纤l玻璃光纤玻璃光纤第16页，共46页，编辑于2022年，星期四常规光纤与纱芯光纤常规光纤与纱芯光纤217纱芯光纤直径纱芯光纤直径66 m613纱芯光纤直径纱芯光纤直径42 m第17页，共46页，编辑于2022年，星期四二、光纤传感器二、光纤传感器1、光纤传感器分类及其工作原理光纤传感器分类及其工作原理A）功能型（）功能型（元件型元件型）光纤传感器）光纤传感器l光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。光纤为敏感元件，光在光纤内受被测量调制。l此类传感器要求高、成本也高。此类传感器要求高、成本也高。光发光发送器送器光受信光受信器器光纤敏感元光纤敏感元件件被测物理量被测物理量调制光调制光第18页，共46页，编辑于2022年，星期四B）非功能型（）非功能型（传光型传光型）光纤传感器）光纤传感器l利用其他敏感元件感受被测量的变化，利用其他敏感元件感受被测量的变化，l光纤仅作为光传输介质，又称为光纤仅作为光传输介质，又称为传光型传光型光纤传光纤传感器感器光发光发送器送器光受光受信器信器传输传输光纤光纤被测物理量被测物理量调调制制光光敏感元敏感元件件第19页，共46页，编辑于2022年，星期四2、光调制解调技术光调制解调技术光的调制：光的调制：将信号叠加到光波上。将信号叠加到光波上。调制原理：调制原理：外界信号可引起光的外界信号可引起光的强度强度、波波长或长或频率频率、相位相位、偏振态偏振态等等光学性质光学性质的的变化，从而形成不同的调制：变化，从而形成不同的调制：分类分类：强度调制型、频率调制型、强度调制型、频率调制型、相位调制型、偏振调制型相位调制型、偏振调制型第20页，共46页，编辑于2022年，星期四3、几种常用的光强调制技术、几种常用的光强调制技术1）微弯调制微弯调制光纤的弯曲光纤的弯曲能够使能够使光光从纤芯射入包层而产生从纤芯射入包层而产生损耗损耗。l微弯光纤传感器微弯光纤传感器l敏感元件敏感元件变形器。变形器。l变变形形器器如如一一对对错错开开的的带带锯锯齿齿槽槽的的平平行行板板,能引起光纤产生微弯能引起光纤产生微弯第21页，共46页，编辑于2022年，星期四2）光强度的外调制）光强度的外调制v调制环节在外部，光纤只起传光作用。调制环节在外部，光纤只起传光作用。分为：分为：反射型反射型和和透光型透光型第22页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用1：反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器v工作原理：工作原理：根据被测目标表面光反射根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离变化来测量被测表面距离的变化。的变化。第23页，共46页，编辑于2022年，星期四输入输出特性输入输出特性:1)位移为零位移为零光纤探头端部紧贴被测件表面光纤探头端部紧贴被测件表面l发射光锥和接收光锥无重合面积发射光锥和接收光锥无重合面积,l接收光纤中无光信号接收光纤中无光信号;2)随着被测表面随着被测表面逐渐远离逐渐远离光纤探头光纤探头l发射光锥和接收光锥重合面积发射光锥和接收光锥重合面积B1增大增大,l接收光纤端面上被照亮的接收光纤端面上被照亮的B2区也增大区也增大,l有一个有一个线性增长线性增长的输出信号的输出信号;3)当接收光纤端面被全部照亮当接收光纤端面被全部照亮,输出信号输出信号达到达到了位移了位移-输出信号曲线上的输出信号曲线上的“光光峰点峰点”第24页，共46页，编辑于2022年，星期四4)当被测表面继续远离当被测表面继续远离l反射光面积反射光面积B2大于接收光大于接收光纤端面积纤端面积C,l光纤探头更加远离被测表光纤探头更加远离被测表面面l使使接收接收到的到的光强逐渐减小光强逐渐减小,l光敏输出器的光敏输出器的输出信号逐输出信号逐渐减弱渐减弱,进入曲线的进入曲线的后坡区后坡区,第25页，共46页，编辑于2022年，星期四位移位移-输出特性曲线输出特性曲线2)后坡区后坡区,l信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线可用于距离较远而灵敏度、线性度和性度和精度要求不高的测量精度要求不高的测量。3)光峰区光峰区,信号达到最大值信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对态。所以这个区域可用于对表面状态表面状态进行光进行光学学测量测量。1)前坡区前坡区输出信号的强度增加得非常快输出信号的强度增加得非常快,这这一区域可以用来进行一区域可以用来进行微米级微米级的的位位移测量移测量。第26页，共46页，编辑于2022年，星期四反射型光纤位移传感器的一个典型例子反射型光纤位移传感器的一个典型例子l发发射射、接接收收各各300根根光光纤纤组组成成一一根根0.762mm的的光缆光缆。l光光纤纤内内芯芯是是折折射射率率为为1.62的的火火石石玻玻璃璃，包包层层是折射率为是折射率为1.52的玻璃。的玻璃。l光光缆缆的的后后部部被被分分成成两两支支，一一支支用用于于发发射射光光，一支用于接收光。一支用于接收光。l光光源源是是2.5V的的白白炽炽灯灯泡泡，而而接接收收光光信信号号的的敏敏感感元件元件是是光电池光电池。l光光敏敏检检测测器器输输出出与与接接收收到到的的光光强强成成正正比比的的电电信信号号。对对于于每每0.25m位位移移产产生生1V的的电电压压输出输出,分辨率是分辨率是0.025m。第27页，共46页，编辑于2022年，星期四l在在压压力力的的作作用用下下，膜膜片片产产生生挠挠曲曲引引起起膜膜片片位位移移的的微微小小变变化化l光光通通量量是是膜膜片片的的形形状状尺尺寸寸以以及及探探头头到到膜膜片片的的平平均均距距离离的的函数函数。构成：构成：反射型光纤传感器的探头前面加上一个反射型光纤传感器的探头前面加上一个膜片膜片应用应用2：光纤测压传感器：光纤测压传感器第28页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用3：光纤麦克风光纤麦克风（光纤声音传感器）（光纤声音传感器）FOM1lFOM 基于独特的光学感应器技术。基于独特的光学感应器技术。一一个光束通过光纤被传送到个光束通过光纤被传送到MEMS 薄膜上。薄膜上。声音信号引起薄膜振动调整被反射的光的强声音信号引起薄膜振动调整被反射的光的强度度,然后被转换为电信号。然后被转换为电信号。第29页，共46页，编辑于2022年，星期四光纤加速度传感器l一个光束通过光纤被传送到硅膜上。一个光束通过光纤被传送到硅膜上。加速度或振动加速度或振动信号引起硅信号引起硅膜的膜的位置改变或位置改变或振动振动，从而反射光的强度发生，从而反射光的强度发生改变改变，通过检测，通过检测反射光反射光强强的的变化，可以检测出外界的加速度或振动信号。变化，可以检测出外界的加速度或振动信号。最后这些信号最后这些信号被转换为电被转换为电压压信号信号输出输出。第30页，共46页，编辑于2022年，星期四立体声光纤立体声光纤声音监听器声音监听器l立体声光纤监听器立体声光纤监听器应应用在穿过墙壁进行声用在穿过墙壁进行声音监听等智能战术应音监听等智能战术应用领域。用领域。专为特种部专为特种部队执行监测声音特队执行监测声音特殊的军事任务设计殊的军事任务设计第31页，共46页，编辑于2022年，星期四透光型：透光型：应用应用1：遮光式光强度调制器遮光式光强度调制器光强度位移变化曲线光强度位移变化曲线a）动光闸式）动光闸式b）动光纤式）动光纤式第32页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用2：移动光栅光纤传感器移动光栅光纤传感器l间间隙隙中中放放置置一一对对光光栅栅,光光栅栅由由等等宽宽的的全全透透射射和和全全反反射射(不不透透光光的的)平平行行线线无无交交替替形形成成的的栅格构成。栅格构成。移动光栅光纤传感器原理图移动光栅光纤传感器原理图当这当这两个光栅两个光栅发生发生相对移动相对移动时时,光的透光的透射强度就随之发生变射强度就随之发生变化。化。两根光纤的端面间相隔一微小间隙两根光纤的端面间相隔一微小间隙第33页，共46页，编辑于2022年，星期四l由由左左侧侧输输入入光光纤纤的的光光束束,经经一一小小段段渐渐变变折折射射率率自自聚聚焦焦透透镜镜准准直直后后,一一部部分分成成为为通通过过两两个个光光栅栅传传输输的的平平行行(准准直直)光光束束,再再经经第第二二个个自自聚聚焦焦透透镜镜,把把它它们聚焦到输出光纤中。们聚焦到输出光纤中。应用应用3：在水听器方面应用在水听器方面应用它的两光栅中有一个安装在外壳的刚性底板上它的两光栅中有一个安装在外壳的刚性底板上,而另而另一个光栅则与一块一个光栅则与一块弹性膜片弹性膜片相连。相连。第34页，共46页，编辑于2022年，星期四三、光纤光栅传感器三、光纤光栅传感器Brag光栅传感器光栅传感器lOFBGOFBGOptical fiber brag grating Optical fiber brag grating l光纤光栅：光纤光栅：一段光纤，其纤芯具有一段光纤，其纤芯具有周期性变化周期性变化的的折射率折射率：l其中：其中：光纤光栅的周期（栅距），光纤光栅的周期（栅距），n 纤芯的平均折射率纤芯的平均折射率lBragBrag波长：波长：b=2nl特性：特性：入射光中入射光中光光波長波長与与光光纤纤光柵的布拉格波長光柵的布拉格波長b相同的相同的分量分量会会被被光光纤纤光柵光柵反射反射第35页，共46页，编辑于2022年，星期四l光纤光栅特性光纤光栅特性第36页，共46页，编辑于2022年，星期四检测原理检测原理l当当光纤光纤受到受到轴伸长轴伸长时（受应力、温度）时（受应力、温度）l栅距栅距 0lb=2n（0）b0l其灵敏度：其灵敏度：1.2pm/l测测量反射光的波量反射光的波长长第37页，共46页，编辑于2022年，星期四检测原理l用用一一对对光耦合器接上波長光耦合器接上波長检测检测器來量測器來量測，可获得布拉格波长的变化，可获得布拉格波长的变化l利用光纤光栅布拉格波长随温度、应变变化特性，可进行温度、应变、应力、利用光纤光栅布拉格波长随温度、应变变化特性，可进行温度、应变、应力、压力等的变化。压力等的变化。第38页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用1：分布式光纤光栅多点测量分布式光纤光栅多点测量第39页，共46页，编辑于2022年，星期四参数规格第40页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用2：光纤光栅应变传感器光纤光栅应变传感器l为便于保护，传感器被封装于图示的盒子里，光纤从盒子的为便于保护，传感器被封装于图示的盒子里，光纤从盒子的两侧的小孔引出。两侧的小孔引出。l在图中，铜片上贴有光纤在图中，铜片上贴有光纤Bragg光栅的平面面向盒内，以便保护光栅的平面面向盒内，以便保护光纤光栅和光纤引线；而另一面则背向盒子，以便粘贴于被测物光纤光栅和光纤引线；而另一面则背向盒子，以便粘贴于被测物的表面。为防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅的表面。为防止潮湿对光纤的侵蚀和破坏，盒子内可注入柔性硅胶。胶。第41页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用3：光纤光栅温度传感器光纤光栅温度传感器l封装基本原理：将光纤封装基本原理：将光纤Bragg光栅与应变隔绝，光栅与应变隔绝，使之只能感受到环境温度的变化。使之只能感受到环境温度的变化。l制作方法首先是将光栅用外径为制作方法首先是将光栅用外径为1.2mm、内径、内径为为0.8mm的钢管套装；然后用环氧树脂将套管的钢管套装；然后用环氧树脂将套管与传输段光纤粘结在一起，使光栅的一端固定，与传输段光纤粘结在一起，使光栅的一端固定，一端自由；最后将套管的另一端密封。一端自由；最后将套管的另一端密封。第42页，共46页，编辑于2022年，星期四设计原理图设计原理图1 1 个固定在拉杆上的个固定在拉杆上的FBG 与气室相连。当气室感受到外部与气室相连。当气室感受到外部压压力力变化，通过变化，通过拉杆拉动拉杆拉动FBG 产生产生应力变化应力变化，2 1 个非受力个非受力FBG 作为温度补偿，抵消温度对测压作为温度补偿，抵消温度对测压FBG 的影响。的影响。应用应用4：FBG 液压传感器液压传感器第43页，共46页，编辑于2022年，星期四应用应用5：舰船推进器光纤传感系统舰船推进器光纤传感系统l使用了使用了FBG传感器阵列和传感器阵列和Flat-Pack，l21个应变传感器，个应变传感器，3个温度传感器，个温度传感器，l采样频率采样频率2KHz。第44页，共46页，编辑于2022年，星期四作业作业l5-1磁电式速度传感器工作原理。磁电式速度传感器工作原理。l思考题：分析磁电式与变磁阻式传感器的主思考题：分析磁电式与变磁阻式传感器的主要差别。可分别各举几个应用实例来说明。要差别。可分别各举几个应用实例来说明。l7-3热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点，热敏电阻与热电阻相比较有什么优缺点，用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什用热敏电阻进行线性温度测量时必须注意什么问题？么问题？l7-4利用热电偶测温必须具备那两个条件？利用热电偶测温必须具备那两个条件？第45页，共46页，编辑于2022年，星期四lend第46页，共46页，编辑于2022年，星期四
