1、1,7.3 光纤传感器实例,反射式光纤位移传感器,反射式光纤位移传感器结构如图所示。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。,所使用光纤束的特性是影响这种类型光纤传感器的灵敏度的主要因素之一。在光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤一般有四种分布:(a)随机分布;(b)半球形对开分布;(c)共轴内发射分布;(d)共轴外发射分布，如图所示。,2,典型位移输出曲线如图所示。在输出曲线的前坡区I,输出信号强度增加得很快,这一区域可以用于微米级的位移测量。在后坡区II,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。,
2、反射式光纤位移传感器的原理如右图。 1、探头紧贴被测件时，光不能反射，光敏元件不产生电信号。 2、被测表面逐渐远离探头时，有一个线性增长的输出信号。有一最大输出值“光峰点”。 3、继续远离时，输出信号越来越弱，与距离平方成反比。,3,4,5,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，改变模式耦合，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,理论和实验都已证明，
3、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 与传播常数间满足下式：,7,HeNe激光器发射出来的光聚焦到阶跃型多模光纤的一端。此光纤没有涂覆层，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。,8,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3mm。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。,9,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
4、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。,10,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：,11,12,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。,13,光纤液面位移传
5、感器,探头在空气中时，光纤中的光线发生全内反射而回到光电二极管; 当探头接触液面时，液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，部分光线进入液体，使光电二极管的光强变弱。 光纤液面位移传感器还可作为浓度计测量液体浓度，液位传感器可用于易燃、易爆场合，但不能检测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠性物质。,14,传感器光纤探头的不同结构,15,简单类型的光纤温度传感器,1、水银式光纤温度开关,2、遮光式光纤温度计,16,原理：半导体材料的光吸收与禁带宽度Eg有关，光子能量大于Eg的光被吸收，光子能量等于Eg的是半导体吸收的“红限波长g”，被称为半导体吸收端，在吸收端，波长的增加半导体吸收呈线性递减特性，超
6、过这一波长范围的光几乎不产生吸收。当温度增加时，禁带宽度变窄，红限波长线性地变长，光吸收端线性地向长波方向平移。这个性质反映在半导体的透光性 上则表现为：当温度升高时，其透射 率曲线将向长波方向移动。若采用发 射光谱与半导体的g相匹配的发光二 极管作为光源，则透射光强度将随着 温度的升高而减小，即通过检测透射 光的强度或透射率，即可检测温度变 化。,半导体光吸收型光纤温度传感器,图 光吸收温度特性,17,光纤温度传感器结构如图:,光纤角速度传感器(光纤陀螺),陀螺作为角位移和角速度测量的传感器，用于测量载体的姿态角和角速度。和其它陀螺相比, 光纤陀螺具有许多优点。目前, 光纤陀螺广泛用于诸多领
7、域，比如，机器人的控制、高速列车、大地测量、石油钻井、雷达、舰艇、导弹、飞机的导航和制导等。,2018/9/15,光纤陀螺的优点光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。具有如下显著特点： 零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运动的能力； 绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题； 无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命； 相干光束的传播时间极短，因而理论上可瞬间启动； 易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接； 具有较宽的动态范围；
8、结构简单，价格低。体积小，重量轻。,2018/9/15,Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。,Sagnac效应,光纤陀螺原理,来自光源的光束被分束器BS1分成两束光，分别从光纤圈的两端藕合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：,引起的相应的相位差为:,上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差（即干涉光强）就可以获得角速率的信息,2018/9/15,简介: 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。在一段掺铒光纤中写入具有相移的光纤光栅构成光纤激光器, 水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位, 采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息。,光纤水声传感器(水听器),
