1、光纤光缆制备,电信学院光电子技术专业,主讲：张 森,学习情境二 强度调制型光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光纤传感器及应用,任务一 光纤一维位移传感器,一、学习目标,掌握反射式光纤传感器（也称一维位移传感器）原理,掌握相关实验实训,了解反射式光纤传感器的相关应用,掌握反射式光纤传感器探头的设计与制作,掌握反射式光纤传感器系统结构组成,二、学习内容,1、光纤一维位移传感器简单介绍,通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型（或称为传感型）和非功能型（传光型、结构型）两大类。功能型光纤传感器多使用单模光纤，它在传感器中不仅起传导光的作用，而且有是传感器的敏
2、感元件。但这类传感器在制造上技术难度较大，结构较为复杂，且调试困难。,非功能型光纤传感器中，光纤本身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,它是利用在光纤端面或在两根光纤之间放置光学材 料、机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的 变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。所以 这种传感器也叫传光型光纤传感器。它的工作原理 是：光纤把测量对象辐射的光信号或反射、散射的 光信号直接传导到光电探测器件上，实现对被测物 理量的检测。为了光电探测器件获得较大的光功 率，使用的光纤主要是孔径较大的阶跃型多模光纤。 该光纤传感器的特点是结构简单、可靠
3、，技术上容 易实现，便于推广应用。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光纤一维位移传感器利用光纤传输光信号的功能， 根据检测到的反射光的强度来测量光纤至被测反射 表面的距离，属于非功能型光纤传感器。,2、光纤一维位移传感器基本原理分析,图2.1是光纤一维位移传感器测量原理图,图2.1 光纤一维位移传感器原理图,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光从光源耦合进入输入光纤射向反射面，再被反射 回光纤，由探测器接收。设两根光纤的距离为d,每 根光纤的直径为2a，数值孔径为NA，x是反射器的反 射面到输入（输出）光纤断面的距离，设反射面反 射率为R0，输
4、出光纤接收到的光强为I(x),输入光纤 输出的光强为I0，为光源种类及光源跟光纤耦合 情况有光的调制参数。则有：,（2-1）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,若我们测量小位移时，光源与输入光纤耦合较好，采 用准共路光纤，0，则式（2-1）变形为：,（2-2）,（2-3）,再对式（2-2）展开忽略高阶项，得到：,其中：数值孔径NA=sin(c),且在图2.1中近似得到：,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,很显然，图2.1中当dR时，即输出（接收）光纤位于反射光光锥之外，两光纤的耦合为零，无反射光进入接收光纤，I(d)0；当dR时，即输出（接收）光
5、纤位于反射光锥之内，有反射光进入接收光纤，I(d)0.且得到I-x关系如下图2.2所示：,（2-4）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.2 I-x图像,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,如果要定量地计算光耦合系数，就必须计算出反射光线的反射光斑与输出光纤端面的重叠面积，如下图2.3所示，由于接收光纤芯径很小，常常把光锥边缘与接收光纤芯径交界弧线看成是直线。通过计算得到重叠面积与光纤端面面积之比，即,（2-5）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.3 反射光斑与光纤端面重叠部分,3、光纤一维位移传感器探头设计与扩展
6、,图2.4 传统型光纤一维位移传感器探头,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,4、光纤一维位移传感器应用,图2.5 补偿式光纤一维位移传感器探头,1）压力的检测,（1）采用弹性元件的光纤压力传感器,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信 号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的 弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简 单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。 在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形 时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出 光强受到调制。,图2.6 膜片反射式
7、光纤压力传感器示意图,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。,膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为,（2-6）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则
8、传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,式中，R膜片有效半径；,T膜片厚度；,P外加压力；,E膜片材料的弹性模量；,膜片的泊松比。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（2）改进型的膜片反射式光纤压力传感器,传感器的固有频率可表示为,（2-7）,式中, 膜片材料的密度； g重力加速度。,这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图(a),这里采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出
9、光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图(b)。其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.7 改进型膜片反射式光纤压力传感器,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,将上式（2-8）两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到,两束输出光的光强之比
10、为,（2-8）,式中，A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔 径等有关的常数；p待测量压力。,可见，输出光强比I2I1与膜片的反射率、光源强 度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。,（2-9）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度为3.5m,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB的动态范围,线性度为0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。,这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因 此，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。,光
11、纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,2）液位的检测技术,（1）球面光纤液位传感器,光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时反射光强变化6dB7dB,接触油时变化25dB30dB。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.8 球面光纤液位传感器检测原理,（2）斜端面光纤液位
12、传感器,下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同 样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤 的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反 射光强度差约在20dB以上。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，,图2.9 斜面反射式光纤液位传感器结构,（3）单光纤液位传感器,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,返回光纤的光强就减小
13、。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。,图2.10 单光纤液位传感器结构,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图2.11，将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-
14、国家重点建设示范性专业,图2.11 镀膜光纤液位传感器探头结构,3）杨氏模量测量,对长度为L,截面为S的金属丝,沿长度方向对它施以力 F,此时金属丝将伸长L.由胡克定律可知,物体在弹性 限度内,应力与应变成正比,其数学表示为,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,式中，比例系数E为该金属丝的杨氏弹性模量。,（2-10）,为测得已知加载情况下金属丝的微小伸长L，我们使 用光纤一维位移传感器，对这一微小伸长量进行了测 量。杨氏模量测量原理如图2.12所示。,图2.12 杨氏模量测量原理图,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,由光源光纤发出的光照射到反射器上
15、，其中一部分反射光由接收光纤传回到光纤一维位移传感器的探测器上，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。图2.12中光纤传感器所接收到的反射光强可表示为：,（2-11）,式中，I0光纤传感实验仪的光源注入光源光纤 的光强； K光源光纤的本征损耗系数； K0反射接收光纤的本征损耗系数； R反射器的反射系数；,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,其中，a0为光纤芯半径，为一与光纤有关的无量纲的参数。,D两光纤的间距； f(d,x）光纤传感实验仪探头的特性调制函数。,理论上f(d,x）由下式（2-12）给出,（2-12）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示
16、范性专业,式中，固体的线膨胀系数； L固体的室温下的长度； L由于固体温度的升高而引起的长度的改变量； t温升的绝对值。,4）固体热膨胀系数测量,原长度为L的固体受热后,其相对伸长量正比于温度 的变化，即,（2-13）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,因此，在已知L的情况下，只要测得t和L，就可以计算出固体的线膨胀系数 。实验中，可用温度计来检测固体的温度，用光纤传感实验仪构成光纤微位移传感器来测量其长度的微小伸长量L。,下图2.13为固体热膨胀系数测量装置示意图：,图2.13 测量装置示意图,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,如图2.13所示
17、，被测金属棒放置在可通加热水的玻璃管(由支架P2和P3固定)内，H1为入水口，H2为出水口，金属棒的一端紧固在支座P1上，受热后另一端可以自由伸长。将温度计T从C孔插入并与金属棒接触，用来测量金属棒的温度。图中R是反射镜与金属棒相连，反射镜与光纤传感实验仪构成反射式光纤微位移传感器，O为光纤探头，可在支架P4内自由滑动，M是一个螺旋测微器，与光纤探头光纤传感器相连，用于对光纤位移传感器进行标定，标定后测量时使它固定不动。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光纤一维位移传感器能很好地测出物体涂层均匀度，在物体表面质量检测中具有广泛的实用价值。 光纤一维位移传感器可对增压器
18、叶片运转情况进行检测，对于保证叶片的运行和增压器的有效工作具有重要意义。 光纤一维位移传感器在镀层的不平度、零件的椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，还可用来测量微弱的振动。,5）其他方面应用,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,5、相关实验实训,以武汉发博科技有限公司生产的“光纤一维位移实验 仪（FBKJ-CG-WY1）”为例，进行以下实验实训。,a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。,实验操作,（1）光路与机械系统组装调试实验,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建
19、设示范性专业,图2.14 光纤传感器安装示意图,b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 e.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器 离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 f.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,(2)发光二极管驱动实验 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上
20、，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 b.仅仅把发射部分用导线按颜色对应接入电路。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 e.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,(3)光电探测器PD接收实验 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 b.仅仅把接收部分用导线按颜色对应接入电路。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开
21、反射面，观察电压表显示变化，并分析。 e.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,(4)光纤位移传感器输出信号放大处理实验 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动，调节增益旋钮，观察电压表显示变化，并分析。 e.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子
22、技术专业-国家重点建设示范性专业,(5)光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触，调节调零旋钮使电压表读书为零。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,d.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表变化，并分析。 e.去掉调零电路重复步骤d，比较有无调零电路结果有何不同，并分析原
23、因。 f.关闭电源。 (6)光纤位移传感器测距原理 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，选择智能可调200mv或者2v档位，调节调零旋钮使电压表读数为零。 e.调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，每隔0.05mm读出电压表读数，将其填入表2-1。,光纤传感器及应用,光电
24、子技术专业-国家重点建设示范性专业,f.根据表2-1在Excel绘制曲线。 g.分析曲线。 h.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,(7)利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变 化的函数关系 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光 纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上， 把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探 测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电 压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，选择智能可调200mv或者2v档位， 调节调零旋钮使电压表
25、读数为零。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,e.调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，每隔0.01mm/0.02mm读出电压表读数，将其填入表2-2、表2-3。,位移与电压记录在表2-1中。,表2-2,表2-3,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,f.根据表2-2、表2-3，在Excel分别绘制反射式光纤 位移传感器的I-x特性曲线，比较图像两侧灵敏度的 高低。 g.关闭电源。,(8)改变反射面后I-X图像对比实验及分析 a.用普通平面反射镜代替原来反射器。 b.重复(6)中步骤。 c.比较(7)和(8)中的2条曲线，分析其共同点与不同点，给出
26、原因。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,d.比较(6)和(8)中的2条曲线，分析其共同点与不 同点，给出原因。 e.关闭电源。,(9)实验误差测量分析 a.让反射器端面与光纤传感器探头端面不平行。 b.重复(6)中步骤。 c.比较(6)和(9)中的2条曲线，分析其共同点与不同 点，给出误差分析。 d.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,(10)选作实验若干 a.制作光纤传感器 b.光纤传感器探头的机械制图 c.用万能板及面包板分别搭建LED驱动电路 d.用万能板及面包板分别搭建PD检测电路与调零电路 e.用万能板及面包板分别搭建LED
27、驱动电路、PD检测电路、调零电路,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,一、学习目标 掌握光纤烟雾传感器原理 掌握光纤烟雾传感器系统结构组成 掌握光纤烟雾传感器探头的设计与制作 了解光纤烟雾传感器的相关应用 掌握相关实验实训,任务二 光纤烟雾传感器,二、学习内容,1、光纤烟雾传感器简单介绍,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光纤烟雾传感器通过2种方式来判断有无烟雾以及烟雾浓度。一种方式是：反射式强度调制方式来感应有无烟雾以及烟雾浓度，发射光纤和接收光纤采用准共路方式，当烟雾遇到反射光时引起接收光纤的光强变化进而对烟雾有无及浓度进行判断。另外一种方式是
28、：采用对射式光纤传感器，当烟雾遇到透射光时引起接收光纤的光强变化进而对烟雾有无及浓度进行判断。它属于非功能型光纤传感器。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,反射式光纤烟雾传感器 如图是反射式光纤烟雾传感器原理图，,2、光纤烟雾传感器基本原理分析,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,当探头距离反射面较小时时且光源与输入光纤耦合较好，采用准共路光纤，则0，则上式（2-14）变形为：,图2.15中，设为光源种类及光源跟光纤耦合情况 有光的调制参数，为烟雾吸收光强系数，为烟 雾散射光强系数，c为烟雾浓度则有:,（2-14）,其中c为光纤最大孔径角,光纤传感
29、器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（2-15）,其中：,再对上式（2-15）展开忽略高阶项，近似得到：,（2-16）,由上式（2-16）知道：z一定时，增大时，灵敏 度增大；烟雾浓度c增大，灵敏度增大；散射光强 系数增大，灵敏度增大。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,一般吸收光强系数为定值，当浓度c增大时，散射光强系数也增大。,实验得到I(z)与z、c、关系如图2.16所示：,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,在图2.17中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样，当两根光纤纤芯对准时并且紧紧靠在一起时接受光纤接收到的光强最
30、强；,透射式光纤烟雾传感器,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,两光纤间距越大，发射光纤发射出来的光斑面积越大，单位面积上的接收到的光强越弱；即两光纤间距越大，接收光纤接收到的光强越小。,发射光纤（输入光纤）输出的光强为高斯函数，当两 光纤共轴时，接收光纤接收到的光强I与其纵向移动间 距z近似为线性关系，当有烟雾作用时，接收光纤接收 到的光强为:,（2-17）,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,再对上式（2-17）展开忽略高阶项，近似得到：,（2-18）,由上式（2-18）知道：z一定时，增大时，灵敏度增大；烟雾浓度c增大，灵敏度增大；散射光强系数
31、增大，灵敏度增大。一般吸收光强系数为定值，当y烟雾浓度c增大时，散射光强系数也增大.,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,实验测得的纵向移动时接收光强实验得到I(z)与z、 c、关系如图2.18所示：,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,3、光纤烟雾传感器探头设计与扩展,反射式光纤烟雾传感器探头,图2.19 反射式光纤烟雾传感器探头,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.20 对射式光纤烟雾传感器探头,对射式光纤烟雾传感器探头,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,图2.21 空气净化器烟雾进口简图,4、
32、光纤烟雾传感器应用,在车内空气净化方面的应用,图2.21为空气净化器的烟雾进口示意简图，通过细 逢的空气可以自由地流入净化器内部。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,烟雾由入口的细缝进入净化器内部，发光元件（LED）间歇地发出人眼无法看到的红外线，在没有烟雾及细小浮尘的情况下，红外线射不到光敏元件上，电路不工作；当烟雾等颗粒进入到净化器内部并达到一定浓度时，烟雾的粒子对间歇闪射的红外光进行漫反射，部分反射及折射后的红外光射到光敏元件上，传感器接收到此信号判断出车内存在烟雾，信号被反馈到智能空调系统的ECU，ECU控制鼓风电机开始工作，同时将空调送风模式自动切换到外循环（
33、车外清洁空气进入车内进行换气），从而达到始终为驾驶舱提供清洁空气的目的。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,用于家庭对煤气、一氧化碳、液化石油气等燃烧产生的烟雾进行监测报警。,5、相关实验实训 以武汉发博科技有限公司生产的“光纤烟雾传感实验仪（FBKJ-CG-YW）”为例，进行以下实验实训。 实验操作参照任务一 光纤一维位移实验仪,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,一、学习目标,任务三 光纤二维位移传感器,掌握相关实验实训,了解光纤二维位移传感器的相关应用,掌握光纤二维位移传感器探头的设计与制作,掌握光纤二维位移传感器系统结构组成,掌握光纤二维位
34、移传感器原理,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,二、学习内容 1、光纤二维位移传感器简单介绍 光纤二维位移传感器通过输出（接收）光纤在移动中测量输入光纤输出光强变化进而测量输出（接收）光纤产生的二维位移，测量精度高，属于非功能型光纤传感器。 2、光纤二维位移传感器基本原理分析 接收光纤横向移动时的I-x图像 在图2.22中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样，当两根光纤纤芯对准时，接受光纤接收到的光强最强；,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,两光纤重合的面积越大（图中阴影部分面积）则接收光纤接收到的光强最强，反之越小。,光纤传感器及应用,
35、光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,发射光纤（输入光纤）输出的光强为高斯函数，近 距离可以处理为圆锥状，则接收光纤横向移动中接 收光强I与其移动的位移x关系图为：,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,由图2.23看出，在测量微小距离时，左右两侧近似为线性函数，在MATLAB中模拟出图像左右两侧的线性函数，则测出电压就能知道接收光纤移动的位移大小。,接收光纤纵向移动时的I-x图像,在图2.24中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样，当两根光纤纤芯对准时并且紧紧靠在一起时接受光纤接收到的光强最强；两光纤间距越大，发射光纤发射出来的光斑面积越大，单位面积上的接收到的
36、光强越弱；即两光纤间距越大，接收光纤接收到的光强越小。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,发射光纤（输入光纤）输出的光强为高斯函数，当两光纤共轴时，接收光纤接收到的光强I与其纵向移动间距z近似为线性关系，因为发射光纤出来的光强绝大部分集中在以光纤端面大小为直径的圆柱体形状内。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,实验测得的纵向移动时接收光强I-z图像如图 2.25所示。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,在反射式位移测量中，采用光路准共路原理，接收光纤接收到发射光纤发出去的光遇到反射面后反射回来的光强变化，得到I-x关系图如
37、图2.26所示：,反射式位移的测量,I(x),x,图2.26 反射式I-x图像,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,由图2.26可知，在测量微小距离时，左右两侧近似为线性函数，在MATLAB中模拟出图像左右两侧的线性函数，则测出电压就能知道接收光纤距离反射面的位移大小，并且左侧灵敏度高测量范围小，右侧灵敏度低测量范围大。,3、光纤二维位移传感器探头设计与扩展,图2.27 对射式光纤二维传感器探头,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,根据探测头的规格和检测距离，可以安全识别最小至0.5mm大小的物体，物体被精确地导入时，该产品可以检测如螺纹线的细小结构
38、。,4、光纤二维位移传感器应用,细小物体的探测,高温-带金属螺旋管的光纤传感器应用范围的温 度可至290C，带金属硅外壳的光纤传感器应用范 围的温度可至150C。,化学要求金属硅外壳的光纤传感器具有很强 的耐化学物品腐蚀性。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,可以准确地识别最小至0.5mm大小的细小物体。,图2.28 细小物体探测,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,以武汉发博科技有限公司生产的“光纤二维位移实验仪（FBKJ-CG-WY2）”为例，进行以下实验实训。,实验操作,5、相关实验实训,（1）光路与机械系统组装调试实验,a.按照图2.29把
39、对射式光纤传感器安装在光纤支 架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的 光源座孔和探测器PD座孔上。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示变化，并分析。 d.关闭电源。,（2）发光二极管驱动实验,a. 按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.仅仅把发射部
40、分用导线按颜色对应接入电路。 c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示变化，并分析。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,d.关闭电源。,（3）光电探测器PD接收实验,a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.仅仅把接收部分用导线按颜色对应接入电路。 c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示变化，并分析。 d.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（4）光纤二维位移传感器输出信号放大处理实验 a.按照
41、图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光 纤移动一段距离后不动，调节增益旋钮，观察电压表显示，并分析。 d.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（5）光纤二维位移传感器输出信号误差补偿电路 a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色
42、对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使发射光纤与接收光纤光轴间距大于6mm,调节调零使得电压表读数为零；调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示，并分析。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,d.去掉调零电路重复步骤c，比较有无调零电路结果有何不同，并分析原因。 e.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（6）发射光纤与接收光纤对芯实验 a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。
43、b.调节图2.29中螺旋测微丝杆1、2与光纤支架锁紧螺丝，使两光纤端面接触在一起，且大致共轴。 c.打开电源开关，选择2v或者20v档位，继续微调调节图2.29中螺旋测微丝杆2与光纤支架锁紧螺丝，直到电压表读数最大，则认为两光纤已经对芯完成。 d.关闭电源。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（7）横向移动接收光纤时光强I随接收光纤位移变 化X的函数关系实验 a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.选择2v或者20v档位，完成对芯。 c.调节图2.29中螺旋测微丝杆1使两光纤端面间距在1
44、.5mm（z=1.5mm）。 d.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使发射光纤与接收光纤间距大于6mm，调节调零使得电压表读数为零。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,f.根据表2-4在Excel绘制曲线。 g.分析曲线。 h.关闭电源。,e.调节测螺旋测微丝杆2使接收光纤移动，每隔 0.05mm观察电压表读数变化，把位移与电压记录在 表2-4中。,表2-4,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（9）纵向移动接收光纤时光强I随接收光纤位移变化 z的函数关系实验 a.重复（6）中a-c步骤。,（8）改变每次横向移动接收光纤位移大小后I-X图 像对比实
45、验及分析 a.在表2-4中每次移动位移改为0.02mm。 b.重复（7）步骤。,表2-5,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,b.图2.29中扭动螺旋测微丝杆1，每隔0.02mm记录电压表读数，记录在表2-5。 c.重复（7）中fh步骤。,（10）纵向位移验证实验 验证格式如下表2-6：,表2-6 光纤纵向位移验证,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,其中：x为发射光纤与接收光纤端面间距, (y-b)/k 为Excel中模拟曲线一次函数y=kx+b的相关值。 （11）反射式光纤传感器测量位移x与光强I函数关系 实验 a.根据图2.30安装光纤传感器，
46、把输入光纤、输出光纤插入实验板上的光源座孔和PD座孔上，把光纤传感器探头装在光纤卡架上。 b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头端面与发射面接触。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,d.选择2v档位, 打开电源开关,调节调零旋钮使电压表头读数为零。 e.调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，每隔0.05mm读出电压表头读数，将其填入表2-5。 f.重复（7）中fh步骤。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（12）选作实验若干 a.制作光纤传感器 b.
47、光纤传感器探头的机械制图 c.用万能板及面包板分别搭建LED驱动电路 d.用万能板及面包板分别搭建PD检测电路与调零电路 e.用万能板及面包板分别搭建LED驱动电路、PD检测电路、调零电路 f.MATLAB对I-x图像进行函数模拟,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,任务四 光纤数值孔径传感仪 一、学习目标 掌握光纤数值孔径传感仪原理 掌握光纤数值孔径传感仪系统结构组成 掌握光纤数值孔径传感仪探头的设计与制作 了解光纤数值孔径传感仪的相关应用 掌握相关实验实训,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,任务四 光纤数值孔径传感仪 一、学习目标 掌握光纤数值
48、孔径传感仪原理 掌握光纤数值孔径传感仪系统结构组成 掌握光纤数值孔径传感仪探头的设计与制作 了解光纤数值孔径传感仪的相关应用 掌握相关实验实训,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,二、学习内容 1、光纤数值孔径传感仪简单介绍 光纤的数值孔径NA是光纤的一个典型参数，它在一定程度上表征光纤集光能力和与光源耦合的难易程度，同时对连接损耗及衰减特性也有影响。它与光纤传输系数的计量有密切的关系，对光纤的传输带宽有着很大的影响。 光纤数值孔径传感仪通过输出（接收）光纤在移动中测量输入光纤输出光强变化进而测量光纤的数值孔径，属于非功能型光纤传感器。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-
49、国家重点建设示范性专业,2、光纤数值孔径传感仪基本原理分析 光纤数值孔径NA（Numerical Aperture）定义 当光线射到两种不同的界面上时将产生发射和折射。在纤芯包层界面上，临界角c（即折射角为/2时的入射角）按斯涅尔折射定律可得出：,（2-24）,其中：n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，若光源发出的光经空气后耦合到光纤中，那么满足光纤中全反射条件的光的最大入射角c满足：,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,（2-25）,定义光纤的最大理论数值孔径（数值孔径表示光纤的集光能力大小）：,（2-26）,式中： ,对于梯度光纤，n是光纤轴心处折射率，n是包层折射率。,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,光源发出的光耦合进入光纤后从光纤另一端出来，出来的光束照在光屏上形成一个圆形的光斑，设光纤出光端面至光屏间距为z，光斑半径为R，如图2.31所示：,光斑法测量数值孔径,光纤传感器及应用,光电子技术专业-国家重点建设示范性专业,
