現(xiàn)代傳感技術(shù)6講

1、第四章第四章 光纖傳感器光纖傳感器n抗電磁干擾抗電磁干擾; ;安全安全; ;靈巧輕便靈巧輕便; ;使用方便使用方便. .n功能型功能型(FF):(FF):傳光且敏感傳光且敏感( (傳感型傳感型) )n非功能型非功能型(NFF):(NFF):只傳光只傳光.(.(傳光型傳光型).).第一節(jié)第一節(jié) 光纖傳感原理光纖傳感原理 將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制區(qū)區(qū), ,在調(diào)制區(qū)內(nèi)在調(diào)制區(qū)內(nèi), ,外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的性質(zhì)如的光相互作用使光的性質(zhì)如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、，偏振態(tài)頻率、相位、，偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被等發(fā)

2、生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光敏器件、調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光敏器件、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。n電子傳感器電子傳感器:靠電阻靠電阻, ,電容電容, ,電感等電感等n光纖傳感器光纖傳感器:靠光特性靠光特性( (強(qiáng)度強(qiáng)度, ,顏色等顏色等) )n平面光波的波動(dòng)方程平面光波的波動(dòng)方程: E=Asin(kx-t+ ) (4-1)k=2/為空間頻率為空間頻率.光的基本特性光的基本特性:1)幅值幅值A(chǔ):振幅振幅, ,光強(qiáng)光強(qiáng), ,最大值最大值A(chǔ) A2 2.2)振動(dòng)方向振動(dòng)方向: 矢量矢量, ,有振動(dòng)方向有振動(dòng)方向( (偏振方向偏振方向). ).3)光的角頻率光的角頻率

3、 :受環(huán)境影響受環(huán)境影響, ,反映顏色反映顏色. .4)波長(zhǎng)波長(zhǎng):同樣光波在不同介質(zhì)中同樣光波在不同介質(zhì)中不同不同. .5)初始相位初始相位:反應(yīng)光波的光程反應(yīng)光波的光程. .一般測(cè)一般測(cè)光強(qiáng)光強(qiáng),其它要通過相應(yīng)手段其它要通過相應(yīng)手段.一、強(qiáng)度調(diào)制一、強(qiáng)度調(diào)制 利用外界物理量改變光纖中光的強(qiáng)利用外界物理量改變光纖中光的強(qiáng)度，通過測(cè)量度，通過測(cè)量光強(qiáng)變化光強(qiáng)變化來測(cè)量外界來測(cè)量外界物力物力量變化量變化的原理稱強(qiáng)度調(diào)制。的原理稱強(qiáng)度調(diào)制。特點(diǎn)：特點(diǎn)：技術(shù)簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低。技術(shù)簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低。使用多模光纖、使用多模光纖、LED等即可實(shí)現(xiàn)。等即可實(shí)現(xiàn)。傳感器探頭機(jī)理：傳感器探頭機(jī)理：反射、折射和

4、投射等。反射、折射和投射等。1.透射式強(qiáng)度調(diào)制透射式強(qiáng)度調(diào)制n光纖間距光纖間距23 m;斷面為平面斷面為平面.n圖圖b)中中,橫向位移橫向位移x與功率耦合系數(shù)與功率耦合系數(shù)T的關(guān)的關(guān)系如下系如下: T=exp(x2/s02) (4-2)s0為光斑尺寸為光斑尺寸;偏置點(diǎn)在圖偏置點(diǎn)在圖c)中中A點(diǎn)合適點(diǎn)合適;可可測(cè)距離測(cè)距離10 m.2.開關(guān)調(diào)制開關(guān)調(diào)制 入射和接收光纖不動(dòng)入射和接收光纖不動(dòng), ,當(dāng)外界物理量影當(dāng)外界物理量影響時(shí)響時(shí), ,利用擋板調(diào)制透光強(qiáng)度利用擋板調(diào)制透光強(qiáng)度. .原理見圖原理見圖4-3.4-3.n若光束半徑為若光束半徑為r,擋板位移擋板位移,則光纖端面所則光纖端面所引起的光強(qiáng)變

5、化與引起的光強(qiáng)變化與/r成正比成正比. 一般可測(cè)一般可測(cè)10 m.3.反射式強(qiáng)度調(diào)制反射式強(qiáng)度調(diào)制n測(cè)量范圍測(cè)量范圍100 m.4.折射率調(diào)制法折射率調(diào)制法n可測(cè)溫度、含油量、折射率和液面?？蓽y(cè)溫度、含油量、折射率和液面。二、偏振態(tài)調(diào)制法二、偏振態(tài)調(diào)制法n利用外界物理量改變光的偏振特性，通利用外界物理量改變光的偏振特性，通過檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來檢測(cè)各種物過檢測(cè)光的偏振態(tài)的變化來檢測(cè)各種物理量，稱為偏振態(tài)調(diào)制。理量，稱為偏振態(tài)調(diào)制。1.法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)(磁致旋光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)) 當(dāng)偏振光通過某種透明介質(zhì)當(dāng)偏振光通過某種透明介質(zhì)( (通常為磁通常為磁場(chǎng)場(chǎng)) )時(shí)時(shí), ,偏振態(tài)以光的傳播方向

6、為軸線偏振態(tài)以光的傳播方向?yàn)檩S線旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度一個(gè)角度. .原理見圖原理見圖4-6.na)中中, =VdLB (4-3) VdVd- -費(fèi)爾德常數(shù)費(fèi)爾德常數(shù);L-;L-距離距離;B-;B-磁感應(yīng)常數(shù)磁感應(yīng)常數(shù)nb)中中, =VdNI (4-4) N-N-光纖圈數(shù)光纖圈數(shù);I-;I-光纖中電流光纖中電流.2.克爾電光效應(yīng)克爾電光效應(yīng)n利用光的雙折射原理利用光的雙折射原理n構(gòu)成光纖電壓傳感器構(gòu)成光纖電壓傳感器3.光壓效應(yīng)光壓效應(yīng)n應(yīng)力雙折射原理應(yīng)力雙折射原理n可測(cè)量壓力、振動(dòng)、聲音、位移等可測(cè)量壓力、振動(dòng)、聲音、位移等三、相位調(diào)制法三、相位調(diào)制法n利用外界物理量改變光纖中光波的相位，利用外界物理

7、量改變光纖中光波的相位，通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量物理量通過檢測(cè)相位變化來測(cè)量物理量。n相位調(diào)制包括兩部分：相位調(diào)制包括兩部分： 1 1）相位變化的物理機(jī)理。）相位變化的物理機(jī)理。 2 2）光的干涉技術(shù)（）光的干涉技術(shù)（將相位變化轉(zhuǎn)為光將相位變化轉(zhuǎn)為光強(qiáng)變化強(qiáng)變化）。）。1.1.應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)光纖受到軸向的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)當(dāng)光纖受到軸向的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí), ,光纖的長(zhǎng)度、纖芯直徑、折射率都會(huì)變光纖的長(zhǎng)度、纖芯直徑、折射率都會(huì)變化，導(dǎo)致光纖中光的相位變化?；?，導(dǎo)致光纖中光的相位變化。n光波通過長(zhǎng)度光波通過長(zhǎng)度L的光線后，出射光波的相的光線后，出射光波的相位延時(shí)為：位延時(shí)為：= L （4-1

8、4） 為光波在光纖中的傳播系數(shù)為光波在光纖中的傳播系數(shù)。 當(dāng)光纖的長(zhǎng)度或傳播速度變化時(shí)，相位當(dāng)光纖的長(zhǎng)度或傳播速度變化時(shí)，相位變化為：變化為： = 1+ 2+ 3 （4-15） 長(zhǎng)度長(zhǎng)度 折射率折射率 直徑直徑( (可忽略可忽略) )其余公式見書。其余公式見書。2.溫度應(yīng)變效應(yīng)溫度應(yīng)變效應(yīng)n若光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中若光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中,將溫度場(chǎng)將溫度場(chǎng)變化等效為作用力變化等效為作用力F,則相位延遲則相位延遲: dn dL-=k0(L-+n-) (4-17) T dT dT 折射率折射率 長(zhǎng)度長(zhǎng)度特點(diǎn)特點(diǎn):相位靈敏度高相位靈敏度高.應(yīng)用應(yīng)用:壓力傳感器壓力傳感器.四、頻率調(diào)制法四、頻率調(diào)

9、制法n當(dāng)光接收元件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)光接收元件與光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件接收到的光頻率光敏器件接收到的光頻率fs與光源頻率與光源頻率f不同（多普勒效應(yīng)）。不同（多普勒效應(yīng)）。 fs=f/（1-/c）（1+ /c）f （4-20）應(yīng)用：應(yīng)用：測(cè)量速度、流量等測(cè)量速度、流量等。 實(shí)際檢測(cè)實(shí)際檢測(cè) ，分，分零差法零差法和和外差法外差法。見圖（見圖（4-9） （外差法）。（外差法）。外差法：外差法：n參考光束參考光束:R= 0- 1n測(cè)量光束測(cè)量光束:s= 0 1.零差法零差法n參考光束參考光束:R= 0;無聲光調(diào)制器無聲光調(diào)制器.n用指數(shù)形式表示用指數(shù)形式表示: Es(t)=e0e-jst ER(t)=e0e-j0t (4-21) 干涉光的振幅干涉光的振幅: E(t)=ES(t)+E0(t)干涉光的光強(qiáng)干涉光的光強(qiáng): I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos t) (4-22)特點(diǎn)特點(diǎn):余弦函數(shù)為偶函數(shù)余弦函數(shù)為偶函數(shù), ,測(cè)大小不能測(cè)方向測(cè)大小不能測(cè)方向2.外差法外差法增加了增加了聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器 R= 0- 1 s= 0- (4-23) Es(t)=e0e-jst ER(