光纤机械量传感器
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• 用光纤做测量光路，传输时间法可适用 于任意弯曲光路及其变化的测量。
系统的振荡周 期为
式中L是光纤长 度；Ng=c/Vg是 光纤群速度折射 率；τel是放大器、 鉴别器和导线产 生的电延迟时间，
如果忽略材料色散，即Ng＝N， 由弹性光学理论可以求得
式中Pij是平均应变光弹系数； γ是材料的泊松比。
透射式敏感 元件对传输光 的影响，实际 上是一种对被 测物理量的模 拟及开关测量。
反射式光纤敏感元件通常是 由入射光传输光纤和反射光 收集光纤制成一光纤束。
强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外 加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来 实现传输光强度调制。
其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当 光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸 出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。 如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的， 接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。
第六章 光纤机械量传感器
光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型) 和传感型(功能型)两类。
其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏 振调制以及频率调制等。
传光型强度调制光纤传感器使用的调制技 术分外调制和内调制。
外调制技术由外加敏感元件控制光源传输 到探测器的光量。外加敏感元件可以是透 射式的．拆射率式的和反射式的。
传感器的技术指标:
1．灵敏度 2．线性度 3．噪声 4．信噪比
6.2.3 相位干涉式位移传感器
Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。 可以用于测量位移，其工作原理如图5—22
• 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折 射率n变化。
•为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一 层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考 光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提 高检测信噪比。
•当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩 材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量， 如磁场、电流、电压等的检测。
6.3 光纤压力和水声传感器
• 测量压力和水声，通常可以采用反射式 或微弯型光强调制光纤传感器，也可以 采用相位调制光纤传感器和偏振调制光 纤传感器。
6.3.1 全内反射光纤压力传惑器
变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共 有5个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波 纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一 块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态 位移。
用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中 的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太 阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表 读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记 录仪记录放大器的输出。
Baidu Nhomakorabea
• 理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产
生周期性微弯时，传播常数为 和 ' 的
模之间就会产生光功率的耦合。波纹板
周期的长度 Λ与传播常数间满足下式：
He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤 的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22. 在 变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包 层模中的光。
6.5 光纤表面粗糙度传感器
• 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它 对光信导的传输特性。
6.6 光纤加速度传感器
• 加速度有各种形式．如直线加速度，曲 线加速度及振动加速度等。光纤加速度 传感器最适合测量微小振动加速度。
• 6.6.1 振动加速度传感器原理
当低频振动时，Δx与惯 性力成比例．即与物体 的振动加速度成比例。
式中A是光纤的横截面积。 ΔT是每根光纤中拉应 力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短 光纤。E是光纤的杨氏模量。
光束通过光程L的相移可用下式表示
6.7 光纤振动传感器
• 光纤振动传感器常用于现场监测，测量 的频率范围为20~200Hz，测量的振幅为 数微米到百分之几微米，
6.7.1 相位调制光纤振动传感器
光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折 射率周期变化造成光纤波导条件的改变， 导致一定波长的光波发生相应的模式祸 合，使得其透射光谱和反射光谱对该波 长出现奇异性，图 5.1 表示了其折射率分 布模型。整个光纤曝光区域的折射率分 布可表示为：
当振动频率提高到振动 子的固有振动频率时， 产生共振。这时距离x与 加速度不存在比例关系。
如果振动频率再进一步 提高．重物就停止振动， 呈现相对静止状态。只 有位移。
6.6.2 相位调制光纤加速度传感器
让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动， 那么在加速该物体所需的作用力F的作用 下，上面的一段光纤伸长ΔL，下面的光 纤则缩短ΔL。这一过程可表示为
6.2 光纤位移传感器
• 光纤位移传感器可分为外调制式和内调 制式两类。
6.2.1 外调制式位移传感器
透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤， 并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根 光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一 根光纤。
6.2.2 内调制式位移传感器
利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光 纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移， 从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部 分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的 强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移 之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤 位移传感器.
6.3.2 微弯曲光纤水声传感器
6.3.3 动态压力传感器
这种压力传感器的灵敏度 极高，有很大的实用价 值．尤其适用于微声压的测 量，对测量空间尺寸受限场 合应用更是优越。它的工作 带宽从直流可到20 MHz.
6.3.4 偏振调制光纤压力和水声传感器
6.4 光纤应变传感器
• 采用脉冲传输时间法可以测量自由空间 光路的长度。这种方法通过测量光信号 到达靶体又反射回来所占用的时间来确 定光经过的距离。
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理
系统的振荡周 期为
式中L是光纤长 度；Ng=c/Vg是 光纤群速度折射 率；τel是放大器、 鉴别器和导线产 生的电延迟时间，
如果忽略材料色散，即Ng＝N， 由弹性光学理论可以求得
式中Pij是平均应变光弹系数； γ是材料的泊松比。
透射式敏感 元件对传输光 的影响，实际 上是一种对被 测物理量的模 拟及开关测量。
反射式光纤敏感元件通常是 由入射光传输光纤和反射光 收集光纤制成一光纤束。
强度调制光纤传感器的内调制技术是指无需外 加敏感元件，而靠改变光纤自身的传输特性来 实现传输光强度调制。
其中最典型的是利用微弯效应实现光强调制。当 光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸 出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。 如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的， 接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。
第六章 光纤机械量传感器
光纤机械量传感器可分为传光型(非功能型) 和传感型(功能型)两类。
其调制方式可以是光强调制、相位调制、偏 振调制以及频率调制等。
传光型强度调制光纤传感器使用的调制技 术分外调制和内调制。
外调制技术由外加敏感元件控制光源传输 到探测器的光量。外加敏感元件可以是透 射式的．拆射率式的和反射式的。
传感器的技术指标:
1．灵敏度 2．线性度 3．噪声 4．信噪比
6.2.3 相位干涉式位移传感器
Mach-Zehnder光纤干涉仪是应用较为广泛的一种干涉仪。 可以用于测量位移，其工作原理如图5—22
• 外施力可以直接产生传感臂光纤长度L和直径d变化以及折 射率n变化。
•为了改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外再涂复一 层特殊材料。传感臂上涂复材料具有“增敏”特性，而参考 光纤涂复材料对传感量具有“去敏”特性。这样可以有效提 高检测信噪比。
•当光纤表面涂复对其它物理量敏感的材料时，例如磁致伸缩 材料、铝导电膜和压电材料等，则可以实现对其它物理量， 如磁场、电流、电压等的检测。
6.3 光纤压力和水声传感器
• 测量压力和水声，通常可以采用反射式 或微弯型光强调制光纤传感器，也可以 采用相位调制光纤传感器和偏振调制光 纤传感器。
6.3.1 全内反射光纤压力传惑器
变形器由两块有机玻璃波纹板组成，每块波纹板共 有5个波纹，每个波纹的长度为3M。变形器的一块波 纹板可通过千分表用手动调节的方法使它相对另一 块产生位移。另一块板可用压电式变换器产生动态 位移。
用体积为1cm3的灌满甘油的检测器检测包层模中 的光信号。该检测器的6个内表面安装着6个太 阳能电池。检测器的直流输出用数字式毫伏表 读数、而交流输出用锁相放大器检测．并由记 录仪记录放大器的输出。
Baidu Nhomakorabea
• 理论和实验都已证明，使光纤沿轴向产
生周期性微弯时，传播常数为 和 ' 的
模之间就会产生光功率的耦合。波纹板
周期的长度 Λ与传播常数间满足下式：
He—Ne激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤 的一端。此光纤没有被复层，数值孔径等于0.22. 在 变形器前5cm长的光纤上除上黑色涂料，以便消除包 层模中的光。
6.5 光纤表面粗糙度传感器
• 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它 对光信导的传输特性。
6.6 光纤加速度传感器
• 加速度有各种形式．如直线加速度，曲 线加速度及振动加速度等。光纤加速度 传感器最适合测量微小振动加速度。
• 6.6.1 振动加速度传感器原理
当低频振动时，Δx与惯 性力成比例．即与物体 的振动加速度成比例。
式中A是光纤的横截面积。 ΔT是每根光纤中拉应 力变化的幅度；系数2是由于存在两根伸长和缩短 光纤。E是光纤的杨氏模量。
光束通过光程L的相移可用下式表示
6.7 光纤振动传感器
• 光纤振动传感器常用于现场监测，测量 的频率范围为20~200Hz，测量的振幅为 数微米到百分之几微米，
6.7.1 相位调制光纤振动传感器
光纤布喇格光栅的原理是由于光纤芯区折 射率周期变化造成光纤波导条件的改变， 导致一定波长的光波发生相应的模式祸 合，使得其透射光谱和反射光谱对该波 长出现奇异性，图 5.1 表示了其折射率分 布模型。整个光纤曝光区域的折射率分 布可表示为：
当振动频率提高到振动 子的固有振动频率时， 产生共振。这时距离x与 加速度不存在比例关系。
如果振动频率再进一步 提高．重物就停止振动， 呈现相对静止状态。只 有位移。
6.6.2 相位调制光纤加速度传感器
让加速度计的外壳以加速度a垂直向上运动， 那么在加速该物体所需的作用力F的作用 下，上面的一段光纤伸长ΔL，下面的光 纤则缩短ΔL。这一过程可表示为
6.2 光纤位移传感器
• 光纤位移传感器可分为外调制式和内调 制式两类。
6.2.1 外调制式位移传感器
透射式位移传感器，采用两根同样芯径的光纤， 并将两根光纤的端面靠近装配到一起。光从一根 光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入另一 根光纤。
6.2.2 内调制式位移传感器
利用微弯效应制作的位移传感器是一种典型的内调制式光 纤传感器。微弯效应即待测物理量变化引起微弯器位移， 从而使光纤发生微弯变形，改变模式锅台，纤芯中的光部 分透人包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的 强度也不同、从而实现了光强度的调制。由于光强与位移 之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成光纤 位移传感器.
6.3.2 微弯曲光纤水声传感器
6.3.3 动态压力传感器
这种压力传感器的灵敏度 极高，有很大的实用价 值．尤其适用于微声压的测 量，对测量空间尺寸受限场 合应用更是优越。它的工作 带宽从直流可到20 MHz.
6.3.4 偏振调制光纤压力和水声传感器
6.4 光纤应变传感器
• 采用脉冲传输时间法可以测量自由空间 光路的长度。这种方法通过测量光信号 到达靶体又反射回来所占用的时间来确 定光经过的距离。
* 光纤光栅传感器
• 光纤光栅传感器(FBG)是利用 Bragg波长 对温度、应力的敏感特性而制成的一种 新型的光纤传感器。
光纤光栅工作原理
感光折射率 n 包层折射率 n2
包层
芯层折射率 n1
λ1 λ2 …λn
λ2 …λn
Λ
λ1
芯层
相位掩模板
紫外掩模写入法
+1级
-1级
包层 芯层
1 、光纤布喇格光栅原理