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), ,外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)外界被測參數(shù)與進入調(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)如強度、波長、強度、波長、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)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光敏器件、調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光敏器件、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。解調(diào)器而獲得被測參數(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( (強度強度, ,顏色等顏色等) )n平面光波的波動方程平面光波的波動方程: 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, ,光強光強, ,最大值最大值A(chǔ) A2 2.2)振動方向振動方向: 矢量矢量, ,有振動方向有振動方向( (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)波長波長: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:反應光波的光程反應光波的光程. .一般測一般測光強光強,其它要通過相應手段其它要通過相應手段.一、強度調(diào)制一、強度調(diào)制 利用外界物理量改變光纖中光的強利用外界物理量改變光纖中光的強度，通過測量度，通過測量光強變化光強變化來測量外界來測量外界物力物力量變化量變化的原理稱強度調(diào)制。的原理稱強度調(diào)制。特點：特點：技術(shù)簡單、可靠、價格低。技術(shù)簡單、可靠、價格低。使用多模光纖、使用多模光纖、LED等即可實現(xiàn)。等即可實現(xiàn)。傳感器探頭機理：傳感器探頭機理：反射、折射和

4、投射等。反射、折射和投射等。1.透射式強度調(diào)制透射式強度調(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;偏置點在圖偏置點在圖c)中中A點合適點合適;可可測距離測距離10 m.2.開關(guān)調(diào)制開關(guān)調(diào)制 入射和接收光纖不動入射和接收光纖不動, ,當外界物理量影當外界物理量影響時響時, ,利用擋板調(diào)制透光強度利用擋板調(diào)制透光強度. .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變

5、化與引起的光強變化與/r成正比成正比. 一般可測一般可測10 m.3.反射式強度調(diào)制反射式強度調(diào)制n測量范圍測量范圍100 m.4.折射率調(diào)制法折射率調(diào)制法n可測溫度、含油量、折射率和液面?？蓽y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，通過檢測光的偏振態(tài)的變化來檢測各種物過檢測光的偏振態(tài)的變化來檢測各種物理量，稱為偏振態(tài)調(diào)制。理量，稱為偏振態(tài)調(diào)制。1.法拉第效應法拉第效應(磁致旋光效應磁致旋光效應) 當偏振光通過某種透明介質(zhì)當偏振光通過某種透明介質(zhì)( (通常為磁通常為磁場場) )時時, ,偏振態(tài)以光的傳播方向

6、為軸線偏振態(tài)以光的傳播方向為軸線旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)一個角度一個角度. .原理見圖原理見圖4-6.na)中中, =VdLB (4-3) VdVd- -費爾德常數(shù)費爾德常數(shù);L-;L-距離距離;B-;B-磁感應常數(shù)磁感應常數(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.克爾電光效應克爾電光效應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.光壓效應光壓效應n應力雙折射原理應力雙折射原理n可測量壓力、振動、聲音、位移等可測量壓力、振動、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，通過檢測相位變化來測量物理量通過檢測相位變化來測量物理量。n相位調(diào)制包括兩部分：相位調(diào)制包括兩部分： 1 1）相位變化的物理機理。）相位變化的物理機理。 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)為光強變化強變化）。）。1.1.應力應變效應應力應變效應 當光纖受到軸向的機械應力作用時當光纖受到軸向的機械應力作用時, ,光纖的長度、纖芯直徑、折射率都會變光纖的長度、纖芯直徑、折射率都會變化，導致光纖中光的相位變化?；?，導致光纖中光的相位變化。n光波通過長度光波通過長度L的光線后，出射光波的相的光線后，出射光波的相位延時為：位延時為：= 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)。 當光纖的長度或傳播速度變化時，相位當光纖的長度或傳播速度變化時，相位變化為：變化為： = 1+ 2+ 3 （4-15） 長度長度 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.溫度應變效應溫度應變效應n若光纖放置在變化的溫度場中若光纖放置在變化的溫度場中,將溫度場將溫度場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 長度長度特點特點:相位靈敏度高相位靈敏度高.應用應用: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當光接收元件與光源之間有相對運動時，當光接收元件與光源之間有相對運動時，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）。不同（多普勒效應）。 fs=f/（1-/c）（1+ /c）f （4-20）應用：應用：測量速度、流量等測量速度、流量等。 實際檢測實際檢測 ，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測量光束測量光束: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)干涉光的光強干涉光的光強: I(t)=E(t)E*(t)=I0(1+cos t) (4-22)特點特點:余弦函數(shù)為偶函數(shù)余弦函數(shù)為偶函數(shù), ,測大小不能測方向測大小不能測方向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(