第4章 光纤传感器2
传感器第四章 光电式传感器原理与应用
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2．ຫໍສະໝຸດ 基本特性1． 工作原理 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
光敏晶体管
与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信 号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
第4章 光电式传感器原理与应用
4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器
光电式传感器
工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
通过光电转换元件变换成电信号。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
传感器技术与应用(第2版) 第4章 光电式传感器
I = F1（f ）
或
S = F2（f ）
称为频率特性。以光生伏打效应原理工作的
光敏元件（如光电池）频率特性较差，
以内光电效应原理工作的光敏元件（如 光敏电阻）频率特性更差。
图4 -11各种光敏元件的频率响应
(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光敏三极管
5.温度特性
部分光敏器件输出受温度影响较大。
光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大， 灵敏度下降。
光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响 非常大，并且是非线性的，给微光测量带来 较大误差。
光电池受温度的影响主要表现在开路电压 随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓 慢增加。
第4章 光电式传感器
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
光电效应 光电器件 红外线传感器 色彩传感器 CZG－GD－500系列紫外火焰传感器 光纤传感器 光传感器应用实例 实训
4.1 光电效应
4.1 光电效应
光电元件的理论基础是光电效应。
红外线传感器可以检测到这些物体发射出 的红外线，用于测量、成象或控制。
用红外线作为检测媒介，来测量某些非电 量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其 优越性表现在：
(1) 红外线（指中、远红外线）不受周围可见 光的影响，故可在昼夜进行测量。
(2) 由于待测对象发射出红外线，故不必设光 源。
图 4 -14 热释电红外传感器等效电路
4.PVF2 热释电红外传感器 PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经
过特殊加工的塑料薄膜。
基于光纤传感器的电力设备在线监测技术研究
基于光纤传感器的电力设备在线监测技术研究第一章绪论随着电力行业的迅速发展，现代电力设备正面临着日益复杂的运行环境和越来越严格的安全要求。
同时，电力设备的故障和损耗也成为影响电力系统安全稳定运行的重要因素之一。
因此，开发一种高效且精确的在线监测技术已经成为电力行业的热点和难点问题之一。
随着传感技术的快速发展，基于光纤传感器的电力设备在线监测技术成为电力行业研究的重点之一。
光纤传感技术具有传感范围广、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、无电磁干扰等优点。
这种技术可广泛应用于电力设备的在线监测，实现电力设备的全程实时监测及智能化管理。
本文将围绕基于光纤传感器的电力设备在线监测技术展开论述，分析其工作原理、技术特点以及案例应用，从而探索其在电力设备在线监测领域的潜在应用价值。
第二章光纤传感器技术概述2.1 光纤传感器基本原理光纤传感器是利用光学原理实现的一种传感器。
其基本构成由光源、光纤、光变迁器、检测器组成，通过利用驰豫段光纤的相应特性（如群速度色散、菲涅尔反射和布拉格反射等）进行光学测量的一种传感技术。
2.2 光纤传感器的分类光纤传感器可分为单参量传感器和多参量传感器两种。
单参量传感器测量单个物理量，如温度、应力、压力和形变等；多参量传感器同时测量多个物理量，如温度-形变、压力-温度等。
2.3 光纤传感器特点（1）光纤传感技术具有高灵敏度。
光纤的直径很小，甚至小于人类头发的直径，因此对外界的物理量变化非常敏感，灵敏度非常高。
（2）抗电磁干扰能力强。
光纤传感器不受电磁场干扰，不会因外部电磁现象而产生误差或损耗。
（3）可靠性高。
光纤传感器的工作寿命长、耐磨、不易老化、不易损坏。
（4）传感范围广。
光纤传感器可广泛应用于单参量和多参量测量，适用于测量多种物理量，如温度、压力、形变等。
第三章基于光纤传感器的电力设备在线监测技术3.1 电力设备在线监测技术概述电力设备在线监测技术是通过传感器和通讯技术将电力设备的各项运行参数进行实时监测和数据传输的技术。
传感器 课后题及答案
第1章传感器特性1．什么是传感器？（传感器定义）2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？4．解释下列名词术语：1)敏感元件;2)传感器; 3)信号调理器;4)变送器。
5．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？6．某传感器精度为2%FS ，满度值50mv ，求出现的最大误差。
当传感器使用在满刻度值1/2和1/8 时计算可能产生的百分误差，并说出结论。
7．一只传感器作二阶振荡系统处理，固有频率f0=800Hz，阻尼比ε=0.14，用它测量频率为400的正弦外力，幅植比，相角各为多少？ε=0.7时，，又为多少？8．某二阶传感器固有频率f0=10KHz，阻尼比ε=0.1若幅度误差小于3%，试求：决定此传感器的工作频率。
9. 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV,求其灵敏度。
10. 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、S2=2.0V/mV、S3=5.0mm/V，求系统的总的灵敏度。
11．测得某检测装置的一组输入输出数据如下：a)试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度；b)用C语言编制程序在微机上实现。
12．某温度传感器为时间常数 T=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的1/3和1/2所需的时间。
13．某传感器为一阶系统，当受阶跃函数作用时，在t=0时，输出为10mV;t→∞时，输出为100mV;在t=5s时，输出为50mV,试求该传感器的时间常数。
14．某一阶压力传感器的时间常数为0.5s,若阶跃压力从25MPa,试求二倍时间常数的压力和2s后的压力。
15．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
传感器与检测技术第四版 第四章
要求各个码道刻划精确，彼此对准，给码盘制作造成很大困难 有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差
消除粗大误差方法： (1) 双读数头法，循环码代替二进制码
六位循环码码盘
特点：
(1) n位循环码码盘具有2n种不同编码；
(2) 循环码码盘具有轴对称性， 其最高位相反，其余各位相同
二进制码转换为循环码的电路
循环码转变为二进制码的电路
循环码是无权码，直接译码有困难， 一般先转换为二进制码再译码
单盘与多盘编码器：
单盘编码器： 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便
多盘编码器： 几个码盘通过机械传动装置连成一起，可大大提高分辨率
4.2.4 光电码盘的应用
光学码盘测角仪
脉冲当量变换
(3) 循环码为无权码 (4) 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，
不会产生粗误差
4.2.3 二进制码与循环码的转换
十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7
二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
循环码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
阻挡层光电效应(光生伏特效应)： 在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。 如光电池、光敏晶体管
4.1.1 光电管
4.1.2 光电倍增管
特点：放大光电流。 结构：光电阴极+若干倍增极+阳极 工作原理： 二次电子发射系数 σ =二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1.3 光敏电阻
4.1.6 光电式传感器的应用
1. 模拟式光电传感器的应用 原理： 光电器件的光电流随光通量而变化，是光通量的函数。 光通量随被测非电量而变化，这样光电流就是被测非电量的函数 光电比色高温计
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
光纤传感器及其应用技术
和民用两大应用领域， 其中包括： 国土安全防卫系统、 大型构件的健康诊断系统、 电力工业的 安全检测系统以及用于石油化工、 生物医学和环境等领域的光纤检测系统。 我国虽然早已 园世纪 苑 园年代末期开始了光纤传感技术的研究工作 ， 于圆 但是由于受到制造工艺、 器件和配 园年， 套电子技术的制约， 一直未能进入大规模工程应用阶段。 直到最近 员 随着光纤技术的
光纤传感器及其应用技术
黎敏 摇 廖延彪 摇 编著
武汉大学出版社
内 容 简 介
作为现代传感技术的重要分支，光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、 弥补 传感领域空白的先天优势。本教材以光纤传感器为核心，着重详细讨论了强度调制型、 相 位调制型、 波长调制型和偏振态调制型四大类型传感器以及分布式光纤传感器的原理 、 技术 — —网络技术和封装技术； 和设计方法； 有选择地介绍了光纤传感的两项核心技术 — 首次将光 — —聚合物光纤传感器、 纤传感最新研究方向新材料光纤传感器 — 光子晶体光纤传感器以及 微米和纳米光电传感器纳入教材。 教材内容覆盖了光纤传感领域的方方面面 ，特别是对传感器的讨论细致、 深入，并列 举了大量的应用设计实例。由于有教学科研的相辅相长，对学科最新技术和进展的介绍全 面、 贴近工程应用实际。可作为电子信息类相关专业的教材，同时对相关领域的科研及实 际工作者了解学科的前沿动态、 启发创新思维有较高的参考价值 。
摇摇员 援 源 援 缘 摇光调制器 ………………………………………………………………………… 源 猿 摇摇员 援 缘 援 员 摇光纤传感器的定义和分类 ……………………………………………………… 源 苑 摇摇员 援 缘 援 圆 摇光纤传感器的特点 ……………………………………………………………… 源 愿 摇习题与思考 ………………………………………………………………………………… 源 愿 园 第 圆章摇强度调制型光纤传感器 …………………………………………………………… 缘 摇圆 援 员 摇摇强度调制传感原理 ………………………………………………………………… 缘 园 摇员 援 缘 摇摇光纤传感器的定义、 苑 分类及特点 ………………………………………………… 源
光纤传感作业答案
第一章：概述1、进一步对比光纤传感器与其它传感器，总结出光纤传感器的独特性质。
答：（1）与传统的各类传感器相比，光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，有一系列独特的优点。
电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
（2）特点如下：a、灵敏度较高；b、几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；c、可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；d、可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；e、而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。
2、查资料，解释“The Hype Cycle”，并举例说明技术发展的规律。
答：中文名：发展规律周期Hype cycle描述了一项技术从诞生到成熟的过程，并将现有各种技术所处的发展阶段标注在图上，为一些行业的发展作出很好的预测。
分为以下几个阶段：上升期和快速发展期、下降期、爬坡期、稳定应用期。
3、试总结光纤传感技术的发展历史1975年军用及工业应用开发1976年光纤陀螺概念提出；光时域反射计提出1977年美国FOSS计划1979年第一只光纤光栅1980年实验室级别设备1982年光纤水听器海上试验1985年军事传感器开发1987年光子晶体光纤概念出现1990年第一代工业设备1995年石油和天然气首次实地实验2001年首套石油和天然气光纤测试系统2005年全光纤分布式系统出现2011年国产光纤陀螺在天宫一号空间站应用附加：1、数值孔径计的物理意义答：描述光纤收集从光源发出的光的能力，以及利用内反射将光保持在光纤中的能力。
2、光纤中引起损耗的主要因素答：光纤中金属离子和OH-离子引起的吸收损耗；紫外线和红外线引起的本征吸收损耗；制作缺陷导致的散射损耗；本征散射。
1、试说明模式的含义及其特点，并比较光纤中的模式和自由空间的场解。
传感器技术与系统(李川等)PPT模板
13.2 温度
13.5 密度
13.3 压力
13.6 物位
第三篇应 用
第13章热工参量
01
13.7黏 度
02
参考文 献
第三篇应 用
第14章电磁参量
14.1 引言
14.4电磁 兼容性
14.2电 学单位
14.5磁 学单位
14.3 电参量
14.6 电磁场
第三篇应用
第14章电磁参量
01
14.7光学
02
14.8电离辐射
9.4纳 米操作
9.2纳米 科学与技
术
9.5纳米 传感器
9.3纳米 测量技术
参考文 献
第二篇系 统
第10章智能传感器
10.1 引言
10.4模糊 传感器
10.2数 据处理
10.5智能 变送器
10.3智能 信息处理
10.6虚 拟仪器
第二篇系统
第10章智能传感器
10.7软测 量
10.8多传 感器的数
据融合
05 第三篇应用
第三篇应用
第12章机械参量 第13章热工参量 第14章电磁参量 第15章化学参量 第16章物联网中的传感器技术与 系统
第三篇应 用
第12章机械参量
12.1 引言
12.2几何 量与运动
量
12.3 力学量
12.4 声学量
参考文 献
第三篇应 用
第13章热工参量
13.1 引言
13.4流量 和流速
第3章半导体传感器
3.8陶瓷传感 器
1
2
3
3.7生化敏半 导体传感器
参考文献
第一篇原理
第4章光纤传感器
06
测试技术复习资料传感器第四章 考试重点
测试技术传感器第四章题型小结一、选择题1. 电涡流式传感器是利用什么材料的电涡流效应工作的。
（ A ）PVFA. 金属导电B. 半导体C. 非金属D.22. 为消除压电传感器电缆分布电容变化对输出灵敏度的影响，可采用（B ）。
A. 电压放大器B. 电荷放大器C. 前置放大器D. 电容放大器3. 磁电式绝对振动速度传感器的数学模型是一个（B ）。
A. 一阶环节B. 二阶环节C. 比例环节D. 高阶环节4. 磁电式绝对振动速度传感器的测振频率应（A ）其固有频率。
A. 远高于B. 远低于C. 等于D. 不一定5. 随着电缆电容的增加，压电式加速度计的输出电荷灵敏度将（C ）。
A. 相应减小B. 比例增加C. 保持不变D. 不确定6. 压电式加速度计，其压电片并联时可提高（B ）。
A. 电压灵敏度B. 电荷灵敏度C. 电压和电荷灵敏度D. 保持不变7. 调频式电涡流传感器的解调电路是（C ）。
A. 整流电路B. 相敏检波电路C. 鉴频器D. 包络检波电路8. 压电式加速度传感器的工作频率应该（C ）其固有频率。
A. 远高于B. 等于C. 远低于D. 没有要求9. 下列传感器中哪个是基于压阻效应的？（ B ）A. 金属应变片B. 半导体应变片C. 压敏电阻D. 磁敏电阻10. 压电式振动传感器输出电压信号与输入振动的（B ）成正比。
A. 位移B. 速度C. 加速度D. 频率11. 石英晶体沿机械轴受到正应力时，则会在垂直于（B ）的表面上产生电荷量。
A. 机械轴B. 电轴C. 光轴D. 晶体表面12. 石英晶体的压电系数比压电陶瓷的（C ）。
A. 大得多B. 相接近C. 小得多D. 不确定13. 光敏晶体管的工作原理是基于（ B ）效应。
A. 外光电B. 内光电C. 光生电动势D. 光热效应14. 一般来说，物性型的传感器，其工作频率范围（A ）。
A. 较宽B. 较窄C. 较高D. 不确定15. 金属丝应变片在测量构件的应变时，电阻的相对变化主要由（B ）来决定的。
传感器与自动检测技术重难点学习指导
《传感器与自动检测技术》重难点及学习指导第一章传感器与自动检测技术的基本概念重难点：测量误差与精度学习指导：掌握绝对误差和相对误差的定义和物理意义，理解精度等级的确定，能对测量误差进行估算和对仪表的精度等级及量程进行正确的选用。
第二章电阻式传感器重难点1：应变效应和桥式测量转换电路学习指导：在理解纵向应变和横向应变的基础上掌握应变效应，理解各类电桥工作方式和性能，注意“相邻臂相减、相对臂相加”的原则，通过不同的组合方式，可提高灵敏度，消除非线性误差及温度效应的影响。
重难点2：压阻式传感器测量转换电路与温度补偿学习指导：测量转换电路恒压源与恒流源供电方式的比较，选择合适的供电方式；提高测量精度减小零点漂移和灵敏度温度漂移的问题，进行零点温度补偿和灵敏度温度补偿。
第三章变阻抗式传感器重难点1：差分变压器的工作原理和测量转换电路的作用学习指导：差分变压器把被测位移量转换为线圈间的互感变化，输出交流电压，通过测量转换电路，可消除零点残余电压，并判别位移方向。
重难点2：电涡流式传感器的工作原理学习指导：在理解涡流效应的基础上，掌握传感器把被测量转换为线圈的阻抗，最大特点是非接触测量。
重难点3：电容式传感器的测量电路学习指导：变间隙式电容传感器采用差分接法的桥式电路（即变压器电桥电路）后，位移量与电容的非线性关系转换为位移量与输出交流电压的线性关系，但还应经过相敏检波才能判别位移方向；脉冲宽度调制电路的输出直流电压与电容变化量成线性关系，不论是对于变面积式或变极距式电容传感器均能获得线性输出，也能判别位移方向。
第四章光电式传感器重难点1：光电效应和光电传感器的工作原理学习指导：理解光电效应和对应光电元件的特性及使用场合，掌握光电传感器的四种应用类型，注意光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，及在模拟量的检测中如何削弱或消除背景光及温度等因素的影响。
重难点2：光纤传感器的工作原理及使用学习指导：了解光纤的传光原理，功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器的区别，光纤传感器的实际应用。
光纤光学第三版
光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。
随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。
本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。
1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。
光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。
1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。
芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。
光纤的结构对光的传播特性有重要影响。
1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。
拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。
第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。
本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。
2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。
主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。
2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。
主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。
2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。
主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。
第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。
本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。
3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。
3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。
光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。
第4章-波长调制型光纤传感器
E＝86.5×109
E＝90×109
E＝110×109
E＝120×109
1.02
1.04
1.06
1.08
0 2 4 6 8 10 ×103 涂层厚度（μm）
应力灵敏度系数 (10-11/(N/m2))
光纤光栅传感器 优点： 抗干扰能力强，稳定、可靠 传感头结构简单、体积小 测量重复性好 可实现绝对测量 便于规模生产、成网 不足：解调系统昂贵、动态范围受限
光纤的光敏性
历史 1978年，加拿大K.O.Hill，488nm 1989年，美国G.Meltz，244nm（倍频）,通信窗口的FBG 载氢掺锗 光敏性的解释：色心模型紫外辐射玻璃的压缩 光敏性类型： I型光栅－通信锗硅光纤，Δn>0 IIA型光栅－重掺锗光纤，I型被擦除后，负调制折射率深度 II型光栅－透射谱为高通，温度稳定性高，擦除800℃ 光栅的生命周期与稳定性
光纤传感器用于智能结构的一些问题
光纤传感器的复用 由多个点式传感器和（或）多个积分式传感器，和（或）多个分布式传感器构成的一个复杂的传感系统 与智能结构的兼容性 在智能结构中的分布 在智能结构中应用的工艺研究
传光型波长调制光纤传感器
荧光、磷光光谱 关键 光源和频谱分析器的性能系统的稳定性和分辨率 光源：白炽灯、汞弧灯 频谱分析仪：光栅、棱镜分光计；干涉和染料滤光器 稳定性: 比值运算，补偿系统误差 主要应用-医学、化学等领域。 人体血气的分析、pH值检测 指示剂溶液浓度的化学分析 磷光和荧光现象分析 黑体辐射分析 法布里一帕罗滤光器等
弹光效应
弹性变形
横向应力作用
纵向应力作用
5.5 波长调制机理
灵敏度：1 1pm 测量范围：1％ 频率响应：可达1MHz
光纤传感器在地质灾害监测中的应用研究
光纤传感器在地质灾害监测中的应用研究光纤传感器是一种新型的传感器，它是通过光的散射和反射来进行测量的。
在地质灾害监测方面，光纤传感器的应用越来越广泛。
本文将介绍光纤传感器在地质灾害监测中的应用研究。
第1章绪论目前世界各地都存在着各种各样的地质灾害，如山体滑坡、泥石流、地震等，这些灾害严重影响着人们的生命和财产安全。
因此，如何及时有效地监测地质灾害，成为了一个重要的研究课题。
光纤传感器是一种无源、无电、抗干扰能力强，能够实时反映环境变化的新型传感器。
它的基本原理是将一根光纤作为传感器，通过光的散射和反射来测量物理量的变化。
因为光纤传感器具有高精度、高稳定性和高可靠性等优点，所以在地质灾害监测中有着广泛的应用前景。
第2章光纤变形传感器在监测山体滑坡方面的应用山体滑坡是一种常见的地质灾害，是由于岩土体内部的水分变化、地震、降雨等因素引起的。
如何及早发现和预防山体滑坡对于防范山体滑坡灾害具有重要的意义。
光纤变形传感器在山体滑坡的监测中具有广泛的应用。
它能够测量地表和地下的形变情况，通过对测量数据的分析，可以判断山体滑坡的发生和演变趋势，提供科学的依据和技术支持。
第3章光纤光学传感器在监测泥石流方面的应用泥石流是一种大规模的地质灾害，是由于山体滑坡、岩崩、暴雨等因素引起的。
泥石流在形成时速度快、冲力大，对人类和物质造成了极大的危害。
因此，及时对泥石流进行监测和预警，是防止泥石流灾害的重要手段。
光纤光学传感器具有高精度、高灵敏度、高稳定性和高可靠性等优点，在泥石流监测中有着广泛的应用。
它能够实时测量泥石流的速度、体积、浓度等参数，对泥石流进行精确的监测和预警，为防止泥石流灾害提供科学依据和技术支持。
第4章光纤传感器在地震监测中的应用地震是世界各国都面临的自然灾害之一，它对人们的生命和财产安全造成了极大的威胁。
如何及时有效地监测地震的发生和变化情况，对于减轻地震灾害的损失具有重要的意义。
光纤传感器在地震监测中具有广泛的应用。
实训指导书 亚龙YL-239型自动生产线实训装置
档案编号位置编号产品名称自动生产线实训装置产品型号YL-239产品编码资料类型说明书编写:校对:审核:批准:日期:亚龙科技集团有限公司全国机电一体化产品的装配与调试竞赛指定产品亚龙YL-239型自动生产线实训装置实训指导书亚龙科技集团有限公司前言亚龙YL-239型自动生产线实训装置既包含了机电一体化专业所涉及的基础知识、专业知识和基本的机电技能要求，也体现了当前先进技术在生产实际中的应用。
它为学生提供了一个典型的、可进行综合训练的工程环境，为学生构建了一个可充分发挥学生潜能和创造力的实践平台。
在此平台上可实现知识的实际应用、技能的综合训练和实践动手能力的客观考核。
本实训指导书主要阐述亚龙YL-239型自动生产性实训装置的基本结构、工作原理、工作过程和典型产品（PLC、变频器和伺服电机）的使用说明。
期望读者能对照实物，搞清它们的基本结构、动作流程、控制方式和工作原理，能顺利完成考核要求。
由于我们的经验不足，还殷切希望各院校老师和同行专家提出改进建议。
亚龙科技集团目录第1章亚龙YL-239型自动生产线料实训系统 (1)1.1外观 (1)1.2概述 (1)1.3装置特点 (1)1.4实训项目 (2)1.5配置 (2)1.6配置清单 (3)1.7技术参数 (3)第2章亚龙YL-239型自动生产线实训装置机构说明 (4)2.1系统工作的主要流程 (4)2.2工作原理 (5)2.3送料单元 (5)2.4直线搬运单元 (6)2.5加工单元 (7)2.6成品分拣及存储单元 (8)2.8控制模块介绍 (8)2.8.1 PLC模块 (8)2.8.2 控制模块 (9)2.8.3 电源及指示报警显示 (9)2.9西门子I/O分配图 (9)第3章S7-200 PLC的脉冲输出功能 (10)1、概述 (10)2. 使用位控向导编程 (13)3、项目组件 (18)第4章气动元件及传感器应用 (21)4.1气动元件 (21)4.2气缸电控阀使用 (21)4.3传感器应用说明 (23)4.3.1常用传感器的使用说明 (23)4.3.2磁性开关的使用说明 (23)第5章认知伺服电机及伺服放大器 (25)5.1永磁交流伺服系统概述 (25)5.1.1、交流伺服电机的工作原理 (25)5.1.2、交流伺服系统的位置控制模式 (26)5.1.3、位置控制模式下电子齿轮的概念 (26)2、参数设置方式操作说明 (29)3、部分参数说明 (30)第6章变频器的应用 (32)6.1MM420变频器的安装和接线 (32)6.2MM420变频器的BOP操作面板 (34)6.3MM420变频器的参数 (36)6.4MM420变频器的参数访问 (37)6.5常用参数设置举例 (38)第7章附录 (43)7.1端子接线图 (43)7.2控制原理图 (44)7.3伺服驱动器 (45)7.4伺服电机接线图 (46)第1章亚龙YL-239型自动生产线实训系统1.1 外观图片只供参考，以实物为准1.2 概述该装备为机械、现代自动化控制、传感器应用技术等技术应用、研发方向的学生、研究生及老师，提供一个开放性、技术实操性强的实训平台。
微弯型光纤传感器
微弯型光纤传感器原理及应用第一章光纤传感器光纤传感器的原理光纤传感系统一般由光源、引导光纤、光纤传感器、光电探测器及信号处理部分组成。
由于光纤对外界环境因素很敏感，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波参量，如光强、相位、频率、偏振态等的变化。
所以利用光纤的这一特性，研究出了利用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。
光纤传感器就是依据某些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。
光纤传感器的分类按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器可以分为功能型和非功能型两大类。
在功能型光纤传感器中，光纤本身作为敏感元件，当光纤与被测对象相互作用时，光纤中的光波参量受到相应的调制；而在非功能型光纤传感器中，光纤只是作为光的传输介质，本身不作为敏感材料使用。
光纤传感器的优点与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：1、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、安全。
由于光纤传感器采用的是光信号作为传输介质，本身不受电磁信号的影响，同时光纤耐腐蚀，所以可以方便有效的用于各种恶劣环境中。
2、灵敏度高。
光的波长都在几百至一千多纳米，相对于宏观位移很小，所以光纤传感器能够达到很高的精度，可以应用于测量微小位移、加速度、磁场、气体浓度等很多场合。
3、体积小、重量轻。
光纤不采用金属材料，所以重量轻，同时体积小，便于在空间狭窄的条件下使用。
4、测量对象广泛。
可以对物理量、化学量进行检测。
5、便于复用，容易实现分布式测量。
光纤无需供电，传输距离远，容易布设的优点，使得组成光纤传感网络。
6、成本低。
二氧化硅材料比金属价格低。
光纤传感器的应用基于以上六个独特的优点，光纤传感器有着非常广泛的应用范围，可以安全有效的在恶劣的环境中使用，具体表现在以下几个方面：1、在电力系统中，由于存在较强的电磁干扰，传统的传感器不能有效的对系统进行监控。
由于光纤传感器不会受到电磁干扰，所以在电力系统中，光纤传感器起到了独一无二的作用。
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第4章 光纤传感器
四种不同类型的“全光纤”干涉仪结构：
3 dB耦合器 激光器 反射的光纤端面 光探测器 换能器
激光器
信号处器
3
第4章 光纤传感器
激光器
光探测器
激光器
光探测器
部分透射反射镜
第4章 光纤传感器
4.3.3 相位检测中的几个问题 1.相位检测和强度检测 研究幅度调制信号的检测:
Sb 光源 传感器 Iout 光检测器 Uout
如果单模光纤作为干涉仪的光路,可取消对光路长度相
当苛刻要求的限制。加上能用于恶劣环境的小型长寿命的激光
器、光检测器、光路元件(腐蚀或搭接的光纤耦合器),以及相应 的集成光学元件迅速发展。因而,光纤传感器特别是相位型光 纤传感器的研究和应用有了很大发展。一些小型、稳定性高和 非常牢固的干涉仪型光纤传感器已经开始得到广泛应用。
被覆压电外套的光纤相位调制器
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第4章 光纤传感器
还有一种平面型的相位调制，它由一个带电极的直线 型波导构成。施加压电可改变波导的折射率，从而改 变波导模的相速，达到相位调制的目的。
平面型的相位调制
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第4章 光纤传感器
PZT圆管
信号发生器
环氧树脂 光纤
光纤
毛细玻璃管 信号发生器 (a) 波导 金属膜 光纤 (b)
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第4章 光纤传感器
通常的反馈电路和复位电路加到相移器上的电压电平 为±10V量级。而在许多情况下由温度或压力变化引起的相 移振幅比加到相移器上的±10V电压所产生的相移大得多(几 百伏甚至上千伏)。因而,必须始终监视在移相器上所加的电压 到底有多大,如果一达到电路的极限值,就必须迅速地使这些电 路恢复到它能够重新启动的初始状态。这就是图中所示的复 位电路的作用。这样,伴随大幅值慢漂移产生的相位变化,被一 些锯齿形的小幅值相位变化所补偿。必须注意把复位过程中 产生的噪声减到最小。
压电陶瓷调制器
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第4章 光纤传感器
共轴压电换能器的光纤相位调制器：光纤置于一PZT圆管 的轴线上,圆管与光纤间充以声学材料（环氧树脂）。 PZT圆管工作于厚度模式,由圆管薄壁产生的厚度谐振频 率的声波会聚于圆管中心,对纤芯施加压力,通过光弹效应 使光纤的折射率受到调制。例如,壁厚为0.51mm、共振频 率为6.02MHz时,能产生0.058rad/V· cm的相位调制。
当Δl>>λ时,任何大的振幅漂移(变化)都会大大地增加测 量小的变化的困难。必须用补偿器将振幅漂移加以补偿。
8
第4章 光纤传感器
零差检测：对于小振幅扰动,假如相位变化为±10° 的连续(正弦)信号分别位于0°和90°的偏置点。 在90°输出电流振幅大,且与 输入信号频率相同；在0°输 电流的输出 出电流振幅很小,且频率为输 入信号频率的两倍。如果相 相位变化 对相位由90°向0°点漂移, 那么光探测器电流的振幅将 逐渐减少,在小于10°将出现 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 二次谐波。在0°基波成分变 偏置角 /° 为零的很小二次谐波成分,电 光纤零差检测在0°偏置和 流振幅变成极小值。这个过 程称为衰落。90°偏置条件 90°偏置时的合成电流 称为正交。这种检测方法称 为零差检测。
当光纤受到外界物理场的作用时,光纤的长度a (应 变效应)、纤芯的直径(泊松效应)和纤芯折射率(光弹效应) 都会发生变化,这些变化将导致光纤中光波相位的变化。 所引起的光波相位变化为
L L L( L n a L ) L( )n L( )a L n a
耦合系数
两束光的相位差
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第4章 光纤传感器
当激光光源有振幅波动时，可得到： I 2 I1 I I I a cos A I (1 a cos A ) I I 2 I 2 I I I a cos A I (1 a cos A ) I
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第4章 光纤传感器
3.相位跟踪系统 相位跟踪系统的功能,一是抵消任何不必要的大的低 频相位漂移,使干涉仪保持平衡,二是提供保证干涉仪在正 交状态下工作的相移。相位跟踪系统由电路系统和光纤 相位调制器组成。 1）电路系统
光电二极管 ＋ 积分放大器 电路复原
>
∫
∫
>
至PZT移相器 放大器 高通滤波器
振荡器 3d B C1 3d B C2 I1 D1 D2 I2 U′ 3 反馈控制器 U1 差分放大器 U2 U3
激光器
积分放大器 I3 带通滤波 U4
整形电路
锁相放大 U5
温度、振动和杂散场等 因素引起的相位漂移。
L n a
显示器
单片机
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第4章 光纤传感器
光 在 耦 合 器 C2 中 发 生 干 涉 , 当 两 束 光 波 的 振 幅 E1=E2=E0时,3dB耦合器C2的输出光强为
光电二极管电流
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第4章 光纤传感器
2.共模抑制 激光源引起的光强波动(激光振幅噪声), 有时与被 测信号产生的光强变化很难区分。共模抑制是一种抵消 激光振幅噪声的方法,如：马赫―泽德光纤干涉仪,若不考 虑偏振效应, 根据双光束相干原理,两个光探测器接收到的 光强分别为
激光器 信号处理器
I I1 (1 a cos A ) 2 I I 2 (1 a cos A ) 2
共轴压电换能器的光纤相位调制器
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第4章 光纤传感器
被覆压电外套的光纤相位调制器：在光纤上被覆一层压电塑 料外套,如聚偏二氟乙烯（PVDF）,外套的内外表面被覆金属 膜作电极,在外加电场的激励下,这层被覆的压电套就会对光 纤的相位进行调制。实验表明,采用厚度为120μm的径向极化 PVDF外套,在很宽的频率范围（30kHz~2.5MHz）有一致的 频率响应,相位调制系数为0.01rad/V· m。
第4章 光纤传感器
第4章 光纤传感器
4.1 光导纤维(光纤) 4.2 强度型(振幅型)光纤传感器 4.3 干涉型光纤传感器
1
第4章 光纤传感器
4.3.2 光纤干涉仪 上面介绍的几种干涉仪共同之处:由空气光路和多个 光学器件组合而成的;每种传感器中光源的输出光束均被分 成两束或两束以上的光沿不同光路传输; 极高灵敏度,还具有 非常大的动态范围,可用于检测位移、应变和应力。然而由 于对使用环境的严格要求,限制了它们的实际应用。
L
0
0
如果光纤的长度变化ΔL, 那么相对于入口的固定平面,光 纤右端面的相位角变成:
2 n1
L L
0
6
第4章 光纤传感器
电流I
Imin
0 2
灵敏度 dI /d()
Imax
0
/ 弧度
3 2
2
5 2
3
/ 弧度
光检测器检测到的电流
p C pU3
Cp为比例系数 放大系数
光电探测器的输出信号经差分放大输出为
I1 I 2 Ia cos A
U 3 kv (U1 U 2 ) 2kvU i 0 cos( 1 p 2 )
在被测信号引入之前(在Δφ=0时)调节PZT移相器使其处 于正交运行,即使
I1 I i [1 cos(1 2 )] I i (1 cos ) I 2 I i [1 cos(1 2 )] I i (1 cos )
U1 Ui 0 (1 cos ) U 2 Ui 0 (1 cos )
探测器D1、D2探测的输出电信号
1 p 2
2
这时U3=kv(U1-U2)=0。若此时加上被测信号,则U1-U2≠0,反 馈控制器即输出一个反馈信号去控制PZT移相器进行相位 跟踪,以保持系统的正交运行。
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第4章 光纤传感器
在进行跟踪的动态过程中
U3 kv (U1 U2 ) 2kvUi 0 cos( p 2 )
光纤的长度变化 引起的相位变化
折射率变化引 起的相位变化
半径变化引起 的相位变化
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第4章 光纤传感器
检测电路的框图 ω 为 光 波 圆 频 率 ,E1 、 E2 为各相应臂光波的振 幅,φ1=Δφ+φ1′为测量臂光 波 的 相 位 ,φ2=Δφp+φ2′ 为 参考臂光波的相位, Δφp 为 由 PZT 移 相 器 产 生 的 补偿相位差,φ1′和φ2′为由
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第4章 光纤传感器
最常用的方法是在压电陶瓷管(PZT)上绕若干圈光纤,并且 稍稍拉紧。通过在PZT元件上加上电压,使其扩张或收缩,光 纤就被拉长或缩短,从而改变光程长度。对一根单模SiO2光 纤,当λ=633nm,圆管工作频率低于最低机械共振频率时,通 过施加70～100V的反转电压,可产生2π弧度的相移。若工 作在机械共振频率,相移的调制幅度可增加几个数量级。
根据灵敏度定义,信号U2对相位差φ的灵敏度为
dU 2 S Ui 0 sin d
由此可见,当φ=π/2时(即正交运行),灵敏度S有最大值。此处的 正交工作点,是由积分放大器的输出电压U3′,通过反馈控制器 控制PZT移相器加以实现的。
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第4章 光纤传感器
PZT在参考臂上引起的相移为
相位变化的灵敏度变化曲线
缺点：阶跃式温升之后热平衡恢复所产生的相移效应。(当被 测信号产生的相位变化比相移效应低时尤其是这样)
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第4章 光纤传感器
当Δl>>λ时,物理扰动P随时间变化的速率与振荡频 率f成正比，可通过检测频率得到所测物理场的量值，即
定标因子，常数， 与光纤长度成正比
dP Af dt
－ 差动放大器
带通输出
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第4章 光纤传感器