光纤机械量传感器

传感器的技术指标: 1．灵敏度 2．线性度 3．噪声 4．信噪比 进一步提高灵敏度：
必须提高光源功率（Pc）或提高耦合系数。
提高耦合系数的方法 设计适当变形器——较长的变形器或较短的周期
选用适当光线类型——渐变型光纤
采用适当光学元件——激励高阶模或泄漏模
6.2.3 相位干涉式位移传感器
检测出纤芯模（传导模）或包层模中的光功率即可检测出加在 微弯器上的外力。
光刚进入光纤测量截面，包层模中任何光均被消除（脱模器） （即探测器上探测不到光强，暗场） ，但是可以探测纤芯中波导模 的光功率，（亮场）。施加外力，由于模式耦合使包层模中的光功 率大大增加。所以，黑暗背景使包层模比纤芯模检测灵敏度更高。
Mach-zehnder光纤干涉仪应用较为广泛。
双光路干涉，输出端的光强简单表示为 m为干涉级数
Iwenku.baidu.com 1 cos 2m
m l or m f
外界因素改变相对光程差、相对光程延时，光频率和波长时，光 相位或干涉条纹m发生变化，干涉条纹移动，就代表被传感的物 理量。
1.外加力直接改变光纤的参量——L，d，n 改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外在涂复一层特殊 材料。它对传感臂具有“增敏”特性，对参考臂具有“去敏”特性。 这样可以有效提高检测信噪比。
反射式光纤敏感元件由入射传输光 纤和反射收集光纤制成一个光纤束。光 纤束中两个光纤可以是无规则排列或半 圆形排列。用于检测反射体的存在和测 定反射体表面与检测光纤与反射体间的 距离。 无规则排列光纤探头比半圆形排列 具有较高的灵敏度，但动态范围小。
反射光强与距离函数的典型曲线
内调制技术——微弯效应 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
光纤多普勒血液流量计探头
光。
6.2
光纤位移传感器
外调制式和内调制式两类
6.2.1 外调制式位移传感器
（1）透射式位移传感器
采用两根芯径相同的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配在 一起。光从一根光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入到另一 根光纤。 光纤连接处的光通量，与两根光 纤的芯径交叠面积成比例。 对于径向位移，采用小芯径的单 模光纤比采用大芯径的多模光纤 测量的灵敏度高。
微弯效应：待测物理量引起微弯器位移，使光纤发生微弯变形，改
变模式耦合，芯径中的波导模部分透入包层转化成包层模，造成传
输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的光强不同，实现光强调制。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.
两种检测方法测量微小位移
检测光纤包层模中的光功率 检测光纤波导模中的光功率
量。
外加敏感元件可为：透射式、反射式和折射率式。
内调制技术：无需外加敏感元件，靠改变光纤自身的传输
特性实现传输光强度调制，如利用微弯效应。
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。最简 单结构用于检测不透明 物的存在。 透射式方式可以按 距离改变光强。 径向位移的测量范 围受光纤直径的限制， 但检测灵敏度极高。 轴向位移的测量范 围大，但灵敏度较低。
量有关。
光强与光纤微弯的夹具位移的 关系： 小位移，两者之间是线性的。 大位移，非线性，但测量的动 态范围大。
光纤相位调制传感器 最大特点：测量灵敏度极高。 一般情况，光纤作为光学干涉 仪的两条光路。待测物理量会
光纤偏振调制传感器 主要用于测振动，靠外界待测 物理量产生光纤的双折射，从 而引起传输光偏振面的变化， 由此可以测机械振动。 光纤频率调制传感器 一般用于测流体流速。 光纤多普勒血液流量计——专 门测量人体血管中血液流量的
2.利用激光器腔长位移，改变激光频率
光源频率f或波长发生改变，把两臂的光程l固定，则干涉条纹 的级数也会发生变化。
使敏感光纤的长度、折射率发
生变化，使它与参考光纤中传 输的光产生相移，只要检测出
干涉相移，可得到待测物理量
的大小。
可测振动、压力、加速度、应
变等
装置。
光纤多普勒血液流量计
特点： 参考光来自人体皮肤表
面的反射，可在体外测量
人体血管中的血液流速。 激励光是由芯径较小的 光纤馈送，距离可以很长。 但输出光纤很短，且是大 芯径，高NA光纤，它收 集皮肤表面的参考反射光 和血管中流动血液的散射
波纹的周期间隔为与传播常数 间满足 2 '

相位失配为零，模间耦合达到 最佳。
激光聚焦到多模光纤一个端 面光纤后端面附近涂上黑色 涂料（消除包层模中的光，成 暗场） 变形器波纹板 检 测器检测包层模中的信号。 位移的产生：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。
第六章 光纤机械量传感器
主要内容
光纤位移传感器 光纤压力和水声传感器 光纤应变传感器 光纤表面粗糙度传感器 光纤加速度传感器 光纤振动传感器
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。 调制方式：光强、相位、偏振、波长及频率调制。 传光型强度调制光纤传感器使用的调制技术分为：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
通过控制光纤端面光强分布提高位移传感器的灵敏度 1. 利用栅格。光纤中光通量的变化，由间距为s的两个栅格之间错 开的位移量决定。
2. 利用活动光闸门。
（a）
活动光闸门
（b）
两个周期光栅做遮光屏
（2）折射率式渐逝物型位移 传感器
（3）反射式光纤位移传感器 （非接触型传感器）
光在光纤端面全反射时，一部
分光能量可到达光纤端面外侧靠近 端面的位置。如果两根光纤靠的很 近，渗出的光能几乎无损耗的全部 进入第二根光纤。进入第二根光纤 的光能量随两根光纤端面间的距离 增大而急剧减小。（利用受抑全反 测出反射光的光强，就以非接 触式方式判断物体是否存在及位移 情况。
射原理）
6.2.2 内调制式位移传感器-微弯效应