第4章 光纤光栅传感器

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1、 光纤传感器 光纤的传光原理 光纤传感器光纤传感器 FOSFiberOpticalSensor 是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物 它与以电为基础的传感器有本质区别 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 因此 它同时具有光纤及光学测量的特点 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 光纤传感器可测量位移 速度 加速度 液位 应变 压力 流量 振动 温度 电流 电压 磁场等物理量 光纤的结构 光纤的传光原理 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4

2、2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 1光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成 而且内芯的折射率略大于包层的折射率 n2 n1 传光原理 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时 发生折射 a 折射角大于入射角 b 临界状态 c 全反射 光纤导光 n0为入射光线AB所在空间的折射率 一般皆为空气 故n0 1 当 r 90 的临界状态时 Sin i定义为 数值孔径 NA NumericalAperture arcsinNA是一个临界角 i arcsinNA 光线进入光纤后都不能传播而在包层

3、消失 i arcsinNA 光线才可以进入光纤被全反射传播 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 2光导纤维的主要参数 1 数值孔径 NA 2 光纤模式3 传播损耗 1 数值孔径 NA 反映纤芯接收光量的多少 标志光纤接收性能 意义 无论光源发射功率有多大 只有2 i张角之内的光功率能被光纤接受传播 大的数值孔径 有利于耦合效率的提高 但数值孔径太大 光信号畸变也越严重 2 光纤模式 按传输模式分为单模光纤和多模光纤 阶跃型的圆筒波导内传

4、播的模式数量表示为 希望V小 d不能太大 n2与n1之差很小 3 传播损耗 损耗原因 光纤纤芯材料的吸收 散射 光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗 单位为dB 式中 I 光纤长度 a 单位长度的衰减 I0 光导纤维输入端光强 I 光导纤维输出端光强 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 3光纤传感器结构原理 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制 已调光经光纤耦合到光接收器 使光信号变为电信号 经信号处理系统得到被

5、测量 光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波 光的电矢量E 被测量调制 光的强度 偏振态 矢量B的方向 频率和相位解调 光的强度调制 偏振调制 频率调制或相位调制 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 4光纤传感器的分类 注 MM 多模光纤 SM 单模光纤 PM 偏振保持光纤 光纤传感器的分类 光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同 1 光纤的传感器中的作用 功能型非功能型拾光型 1 功能型传感

6、器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能 光纤不仅起到传光作用 而且在被测对象作用下 如光强 相位 偏振态等光学特性得到调制 调制后的信号携带了被测信息 a 功能型 全光纤型 光纤传感器 光纤在其中不仅是导光媒质 而且也是敏感元件 光在光纤内受被测量调制 优点 结构紧凑 灵敏度高 缺点 须用特殊光纤 成本高 典型例子 光纤陀螺 光纤水听器等 2 非功能型传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的 光纤的状态是不连续的 光纤只起传光作用 b 非功能型 或称传光型 光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用 光照在光纤型敏感元件上受被测

7、量调制 优点 无需特殊光纤及其他特殊技术 比较容易实现 成本低 缺点 灵敏度较低 实用化的大都是非功能型的光纤传感器 3 拾光型光纤传感器用光纤作为探头 接收由被测对象辐射的光或被其反射 散射的光 其典型例子如光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器等 c 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头 接收由被测对象辐射的光或被其反射 散射的光 典型例子 光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器 2 根据光受被测对象的调制形式 a 强度调制型光纤传感器 b 偏振调制光纤传感器 c 频率调制光纤传感器 d 相位调制传感器 光调制技术 光的调制和解调可分为 强度 相位 偏振 频率和波长等方式 光的调制过程就

8、是将一携带信息的信号叠加到载波光波上 完成这一过程的器件叫做调制器 在光纤传感器中 光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化 然后由光电探测器进行检测 光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器 使待测参数与进入调制区的光相互作用后 导致光的光学性质 如光的强度 波长 频率 相位 偏振态等 发生变化 成为被调制的信号光 再经过光纤送入光探测器 经解调器解调后 获得被测参数 1 强度调制光源发射的光经入射光纤传输到传感头 经传感头把光反射到出射光纤 通过出射光纤传输到光电接收器 传感头又称调制器 通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化 即对光强度进行调制 光电接收器

9、接收到强度变化的光信号 最后解调出被测量的变化 a 强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化 而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 应用 压力 振动 位移 气体优点 结构简单 容易实现 成本低 缺点 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 b 偏振调制光纤传感器 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用 电流 磁场传感器 法拉第效应 电场 电压传感器 泡克尔斯效应 压力 振动或声传感器 光弹效应 温度 压力 振动传感器 双折射性优点 可避免光源强度变化的影响 灵敏度高 c 频率调制光纤传感器 被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光

10、纤速度 流速 振动 压力 加速度传感器 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器 利用光致发光的温度传感器等 d 相位调制传感器 被测对象导致光的相位变化 然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息 利用光弹效应的声 压力或振动传感器 利用磁致伸缩效应的电流 磁场传感器 利用电致伸缩的电场 电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器 光纤陀螺 优点 灵敏度很高 缺点 特殊光纤及高精度检测系统 成本高 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤

11、传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 5光纤传感器的特点 1 电绝缘 2 抗电磁干扰 3 非侵入性 4 高灵敏度 5 容易实现对被测信号的远距离监控 4 4光纤传感器 4 4 1光导纤维的结构和导光原理4 4 2光导纤维的主要参数4 4 3光纤传感器结构原理4 4 4光纤传感器的分类4 4 5光纤传感器的特点4 4 6光纤传感器的应用 4 4 6光纤传感器的应用 强度调制型 基于弹性元件受压变形 将压力信号转换成位移信号来检测 故常用于位移的光纤检测技术 相位调制型 利用光纤本身作为敏感元件 偏振调制型 主要是利用晶体的光弹性效应 光纤压力传感器 光纤压力传感器利用压力使光纤变形 进

12、而影响光纤中传输光的强度 构成强度型光纤压力传感器 图光弹性式光纤压力传感器1 7起偏器 2 81 4波长板 3 9光弹性元件 4 10检偏器 5光纤 6自聚焦透镜 光弹性效应 晶体在受压后其折射率发生变化 从而呈现双折射现象 1 采用弹性元件的光纤压力传感器 膜片反射式光纤压力传感器示意图 膜片的中心挠度 若利用Y形光纤束位移特性的线性区 则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系 1Y形光纤2壳体3膜片 与所加的压力呈线性关系 传感器的固有频率可表示为 式中 膜片材料的密度 g 重力加速度 结构简单 体积小 使用方便 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降 其精度就要受到影响 差动式

13、膜片反射型光纤压力传感器 1 输出光纤2 输入光纤3 输出光纤4 胶5 膜片 两束输出光的光强之比 A 常数 p 待测量压力 输出光强比I2 I1与膜片的反射率 光源强度等因素均无关 将上式两边取对数 在满足 Ap 2 1时 得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系 若将I1 I2检出后分别经对数放大后 再通过减法器即可得到线性的输出 采用不同的尺寸 材料的膜片 可获得不同的测量范围 b 光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应 晶体在受压后其折射率发生变化 从而呈现双折射现象 1光源2 8起偏器3 91 4波长板4 10光弹性元件5 11检偏器6光纤7自聚焦透镜 光弹性式光纤压力传感器 在光

14、弹性元件上加上质量块后 也可用于测量振动 加速度 c 微弯式光纤压力传感 基于光纤的微弯效应 即由压力引起变形器产生位移 使光纤弯曲而调制光强度 1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4 5光纤 微弯式光纤水听器探头 Endthe4 4 光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置 如定尺寸 定位 记数等 特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势 标志孔 电路板标志检测 当光纤发出的光穿过标志孔时 若无反射 说明电路板方向放置正确 光纤耦合器 传输光纤 出射光纤 采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测 遮断型光纤光电开关

15、定位条形码检测 4 5光栅传感器 4 5 1光栅传感器的结构4 5 2莫尔条纹形成的原理4 5 3莫尔条纹技术的特点4 5 4光栅的光路4 5 5辨向原理4 5 6细分技术 光栅传感器的结构 光栅传感器由光源 透镜 光栅副 主光栅和指示光栅 和光电接收元件组成 光栅传感器光源 钨丝灯泡 输出功率较大 工作范围较宽 40 到 130 与光电元件相组合的转换效率低 在机械振动和冲击条件下工作时 使用寿命将降低 半导体发光器件 转换效率高 响应特征快速 如砷化镓发光二极管 与硅光敏三极管相结合 转换效率最高可达30 左右 砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns 可以使光源工作在触发状态 从而减小

16、功耗和热耗散 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 与移动部件固定 扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长光栅 扫描头 与移动部件固定 光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构 续 反射式光栅 透射式光栅 透射式圆光栅 固定 4 5光栅传感器 4 5 1光栅传感器的结构4 5 2莫尔条纹形成的原理4 5 3莫尔条纹技术的特点4 5 4光栅的光路4 5 5辨向原理4 5 6细分技术 什么是光栅 在玻璃尺 或金属尺 或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划 得到间隔很小的黑白相间的条纹 没有刻划的地方透光 或反光 刻划的发黑处不透光 或不反光 这就是光栅 其中刻线称为栅线 a 栅线的宽度b 缝隙的宽度W 光栅的栅距 什么是光栅 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件 光栅栅距或光栅常数 W 条纹间距 W 条纹间距 光电元件 W 如何测量微小位移量 光电元件 光电元件感受的光强变化是否明显 莫尔现象演示 条纹位置方向不同 条纹运动方向不同 4 5光栅传感器 4 5 1光栅传感器的结构4 5 2莫尔条纹形成的原理4 5 3莫尔条纹技术的特点4 5 4光栅的光路4 5 5辨向原理4 5