常用传感器的类型和工作原理-分布式光纤技术原理

光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
si720光纤光栅传感分析仪 主要技术性能指标
动态范围 (dB) 精度 (pm) 波长范围 (nm) 扫描频率 (Hz) 重复性 (pm) 通道数目 ( 个)
>60
1
1520~1570
5或0.5
0.01(0.5Hz); 0.2(5Hz)
2(8)
4.2 时域与频域的概念及关系 （1）时域
确定的金属材料， (1+2μ) 项 是常数，其数值约在1~2之间，实 验证明dρ/ρ╱εx 也是常数。
金属丝的应变效应
2r 2(r-dr)
F
l+ dl
dR dR K S x ， KS /x R R
金属的电阻相对变化与应 变成正比关系。
根据应力σ和应变ε的关系: 应力σ=εE，σ∝ε， 应变ε∝dR，σ∝dR。
式中的 (1 ＋2) 项，对半导体材料，其值很小， 可忽略不计，上式近似为
R K S R

l L L E L E K S l
式中，L为单向受力时沿受力方向的压阻系数；为应力； E为弹性模量。 N型硅L=(40~80)×10－11 m2/N，E=1.30×1011 N/m2， 则KS=LE=50~100。所以，可以忽略(1＋2)项。
第三章 常用传感器的类型和工作原理
1 安全监测仪器的发展
（1）国外的发展概况 德国，1891年的埃施巴赫混凝土重力坝中进行外部变形观 测 1903年美国新泽西州的布恩顿（Boonton）重力坝，进行 温度观测 瑞士，1920年第一次用大地测量法测量大坝变形
1920年瑞士蒙萨温斯（Montsalvens）重力坝（高35m） ，埋设电阻式遥测仪器。
2 电阻式传感器的基本原理
电阻式传感器
非电量
电阻元件
电阻变化
类 别
电阻式传感器的类别与特性 原 理 输出特性
电位器式传感器 变阻器 阻值随输出端位置的变化而变化 应变式传感器 应变—电阻效应 阻值随材料的形变而改变 压阻式传感器 压阻效应 阻值随加在材料上的压力而改变 光电阻式传感器 光电效应 阻值与外加光的强弱及性质有关 热电阻式传感器 电阻—温度特性 阻值随材料温度的变化而变化
宽频带、高速传输，易于系统集成
4.1 布拉格光纤光栅(FBG)
光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光纤传 感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额，是目前最 有发展前途的光纤传感器之一
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器 是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。 基本原理 将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是 特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被 反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效 折射率有关。
电阻的相对变化，则有
dR d KS / x (1 2 ) /x R
在弹性范围内金属丝受拉 力时，沿轴向伸长，沿径向缩 短，则轴向应变和径向应变的 关系为 εy=-μεx μ 为金属材料的泊松系数。
L L dR dL d 2 dA A A A

l
dR d K S / x (1 2 ) / x F R
围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的
变化。 ④应变片的温度系数较大。
（5）电阻应变片的主要参数及工作特性
电阻应变片的主要参数 电阻值 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初 始电阻值。有60 W、90 W、120 W、250 W、350 W、600 W和1000 W等，120 W和350 W应用较多。 几何尺寸 标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向 效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变 变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应 变片。目前最小标距可做到0.2 mm，最大可达300 mm以 上。 b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。
光纤传感器的优点
可实现长距离检测，测试空间范围大
应用范围广，可以对温度、湿度、应力、应变、流速、流量、 位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量
灵敏度高、动态范围大
耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣 的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作
光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机 械性能和材料的变化 可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式 测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR）
对金属来说，第二项很小，可忽略不计， KS 的第一项 起主要作用，＝0.25～0.5，故KS≈1.5～2。
对半导体而言，第二项取值为50～100，第一项可忽略 不计。可见，半导体的灵敏系数要比金属大得多。
应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。 例如，当应变为0.000001 时，在工程中常表示为 1×10 -6 或με 。 在应变测量中，也常称为微应变。
m) 、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态
及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。 ⑥环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下
、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶
劣环境条件下使用。 ⑦便于实现多点测量及远距离传送。
（4）电阻应变片的缺点
①在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的 非线性更为显著。 ②应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因 此，对信号连接导线要认真屏蔽。 ③虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范
2.2 压阻式传感器
压阻效应——固体受到作用力后电阻率发生变化的现象。
压阻式传感器有下面两种类型 ①利用半导体材料做成的粘贴式应变片； ②在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻， 称扩散型压阻式传感器。
扩散硅压阻式压力传感器
（1）压阻式传感器的工作原理
R 1 (1 2 ) [(1 2 ) ] K S R
（6）电阻应变片的粘贴方法
应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量 时，通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变传递到应 变片的敏感栅上去。 因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变 片的工作情况，影响测量结果的准确性。
作业
如果将100 W的电阻应变片贴在弹性试件上 ，试件受力横截面积 S ＝ 0.5×10 － 4 m2 ，弹性模 量E＝2×1011 N/m2，若有F＝5×104 N的拉力引 起应变片电阻变化为1 W。试求该应变片的灵敏 系数。
（2）电阻应变片的工作原理
应变效应
电阻应变片，试件上的 应力变化转换成电阻变化。 F 应变效应:导体或半导体在受 到外界力的作用时，产生机械变 形，机械变形导致其阻值变化， 这种因形变而使阻值发生变化的 现象称为应变效应。
l
2r 2(r-dr)
F
金属丝的应变效应
l+ dl
如果对电阻丝长度作用均 匀应力，则ρ 、L、A的变化 (dρ 、 dL 、 dA) 将引起电阻 R 一、金属的应变效应 对于一长为L、横截面积为A、 变化 dR 。通过对上式的全微 电阻率为ρ 的金属丝，其电阻值R 分可得dR为
2.1 电阻应变式传感器
（1）电阻应变片的结构
图中，l 称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变 片的基宽，或称工作宽度；l×b称为应变片的使用面积。
电阻丝较细，直径一般在0.015～0.0 6 mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜 丝(直径为0.1～0.2 mm)作为引线， 以便与测量电路连接。 应变片的规格一般是以使用面积和 电阻来表示的，如 PJ-120 型金属电 阻应变片的规格为13 mm×5 mm，1 20 W。
光纤的基本结构
光纤传感器的分类
迈克尔逊干涉计
点式光纤传感器
法布里－珀罗干涉计 光纤布拉格光栅
准分布式光纤传感器
通过复用技术，点式传感器可以 构成网络实现准分布式测量 基于瑞利反射技术的光纤传感器
分布式光纤传感器
基于拉曼反射技术的光纤传感器 基于布里渊反射技术的光纤传感器
传感器性能比较
光纤传感技术分类：(a)点式；(b)准分布式；(c)分布式
为
R L / A
L L dR dL d 2 dA A A A

金属的应变效应
若电阻丝是圆形的，则A=πr ² , 定义：KS为金属丝的灵敏 对r 微分得dA=2πr dr，则 系数，表示单位应变所引起的
dA 2rdr dr 2 2 A r r
令dL / L x — 金属的轴向应变 dr / r y — 金属的径向应变
百度文库
通过弹性元件，可将应力 转换为应变，这是应变式传感 器测量应力的基本原理。
金属丝的灵敏系数物理意义
K S (1 2 ) 1 d


dR / R

灵敏系数KS受两个因素影响： （1）应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ； （2）应变片受力后材料的电阻率的变化，即（dρ/ρ）/ ε 。
（2）压阻式传感器的优点 ①灵敏度非常高，有时传感器输出不需放大就可 直接用于测量； ②分辨力高，例如，可测出10～20 Pa的微小压力 变化； ③体积小； ④测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应 高；可测量低频加速度和直线加速度。
（3）压阻式传感器的缺点
温度误差大，需进行温度补偿或恒温使用。
布拉格光纤光栅(FBG)传感原理
B 2neff
•B为FBG中心波长 •neff 为纤芯的有效折射率 •为光纤光栅折射率调制周期
• 光纤光栅的中心波长与温度 和应变的关系

B
(1 Pe ) ( )T
1个微应变 0.1 ℃
•Pe为有效光弹系数 •为光纤的热膨胀系数 •为光纤的热光系数 •应变灵敏度系数（1-Pe） •温度灵敏度系数（＋）
1925年美国垦务局对爱达荷州高25m的亚美利加一佛尔兹 坝进行扬压力观测 1926年美国垦务局，斯蒂尔顿试验坝（高18.3m）埋设电 阻式应变计140支，研究拱坝的应力分布
传感器的发展历程
差动电阻式传感器
1932年美国加利福尼亚大学教授卡尔逊
小巧玲珑、易于操作、便于野外作业等优点 振弦式传感器 1919年谢弗设计，由德国麦哈克公司生产 1932年克温设计，由法国泰勒马克生产振弦式应变计 同一时期原苏联学者达维金科夫制造了一种弦式仪器 弦式传感器的精度和灵敏度均优于卡式仪器，且结构简 单、容易实现自动化巡检。
（3）电阻应变片的优点
①测量精度高，测量应变的误差小于1 %。 ②测量范围广，应变测量范围一般可由数个至数千个 。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从 1 %～20 %。 ③分辨力高，通常可达1 。 ④频率响应特性好，可测几十甚至上百kHz的动态过程。
⑤尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2 mm×2.5 m
信号时域分析就是分析信号随时间的变化，比如 24小时体温监测图即体温随时间变化 时域分析反映在图象上最明显的特征就是横轴 以时间为变量，纵轴因描述的变量不同而不同
3 钢弦频率式传感器
工作原理
传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电 激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，可 以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数 关系。
磁钢和线圈
i
支点 弦
l
活动支点
压力盒计算公式
4 光纤传感器
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发 展而出现并迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、 感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术
电阻应变片
20世纪50年代，日本渡边以电阻应变片作为敏感元 件，研制“贴片式仪器” 光纤传感器
1977年美国海军研究所开始执行光纤传感器系统的 计划
（2）国内的发展情况
1958年水利水电科学研究院，研制了差动电阻式（ 卡尔逊式）系列仪器
1964年南京水利科学研究院、铁道科学研究院和中 国建筑科学研究院，研制了振弦式传感器 1968年南京电力自动化设备厂，生产差动电阻丝应 变计、测缝计、钢筋计、孔隙压力计、温度计等观 测仪表