学习情境二：强度调制型光纤传感器及应用

《学习情境二：强度调制型光纤传感器及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

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

2、的敏感元件。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

3、简单、可靠，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R

4、0，输出光纤接收到的光强为I(x),输入光纤输出的光强为I0，ξ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，ξ≈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(θc)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d>R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d

5、时，即输出（接收）光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2.2I-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

6、位移传感器探头设计与扩展图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

7、.6膜片反射式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0.05mm～0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y＜0.5t，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

8、形光纤束检