光纤传感器在测量领域的发展与应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com22新技术新仪器2001年第21卷第6期文章编号：l0o2—6061(2001)06-0022．05光纤传感器在测量领域的发展与应用赵育良李开端(海军航空工程学院青岛分院三系航空照相教研室，山东省青岛市，266041)摘要光纤传感器是近年来发展起来的一种新型传感器技术，本文介绍了两种不同类型的新型光纤传感器的结构原理及在不同领域的应用，井介绍了光纤传感器在测量领域广阔的应用前景。关键词载荷温度光纤传感器信号处理ApplicationandDevelopmentofFiber—opticCable

2、SensorinMeasurementFieldZhaoYuliang．LiKaiduanAbstractFiber—opticcablesensorisakindofilewsensortechnologydevelopedinrecentyears．Thestructuralprinciplesandtheapplicationsindifferentfieldsoftwodifferenttypesofnewfiber~opticcablesensorarepresentedinthispaper．Thevastapplicationp

3、rospectofthefiber—opticcablesensorinmeasuringfieldisintroducedalso．KeywordsLoad，Temperature，Fiber—opticcable，Sensor，Signalprocessing光纤传感器是一种通过传光特性的检测来接地与各种物理效应有关。光纤本身起着传感感测外部环境(VZ理的、化学的或生物的等)变器的作用。化的一种装置。光纤传感器应用于测量领域，由2两种新型的光纤传感器于传输和调制的是光信号，所以具有灵敏度高、2．1线性光纤载荷传感器零点漂移小及抗电磁干扰能

4、力强等优点，它适2．1．1传感器实现台于易燃、易爆、强电磁场，有腐蚀介质的恶劣光纤载荷传感器结构简图如图1所示。这工作环境，困此受到广泛的重视，近年来在测量是利用分叉光纤柬制成的非线性自补偿光纤载领域得到迅猛的发展。1光纤传感器的基本结构及工作原理按构成形式划分，光纤传感器主要有两大类型一类是传光型，这类传感器是利用被测对象的状态引起光变换器件工作状态变化，从而通过检测与光变换器连接的光纤中所传输光波参数的变化来确定被测对象的状态的。光纤以其低损耗、轻细等特点，在不干扰被测对象状态的情况下传输所感测的信号。另一类是传感型，这类传感器是利用被测

5、对象的状态(物理的、化学的等)引起光纤传输特性变化，从而通过检测图1光奸载荷传感器结构示意图光纤中所传输光波的振幅(强度)、相位、偏振态与频率等的变化来确定被测对象的状态的。引荷传感器，是典型的传光型光纤传感器。光源发起光纤传输参数或光波本身的变化，直接或间出的光经发送光纤传输至测量端反射镜处，反维普资讯http://www.cqvip.com航空计测技术新技术新仪器23射镜将光反射至接收光纤；接收光纤传输光到l=6"1d，2一czd(3)光敏元件将光信号转变为电信号当传感器加，分别为分叉光纤接收光纤束中的光通量。有载荷后，弹性元件产生形变，

6、光纤柬测量端与当传输器载荷作用后，反射镜有位移Ad，反射镜之间距离d发生变化将导致接收光纤中上面光纤柬与镜面间距离变为d+△d，下面光接收反射镜反射的光的量也发生变化，这样光纤柬与镜面间距离变为d+△d。它们的接收光敏元件转换的电信号也随之变化。通过后续电纤中光通量变化分别为路测知电信号变化量的大小可得知载荷的大△币1=E(al+Ad)一d}]△中一c2E(a+Ad)一di]()小。2、1．2传感器设计原理在电路上将两信号差分，即将(4)式的两式展开接收光纤所传输的光通量与光纤柬到反射相减，得传感器总的光信号变化量A一A】一A23要(要一1)

7、d。一[“s。+呈Ad+⋯]光纤组音端光纤随机分布一一c一号d一+兰攀△图2反射光强与位移d的关系曲线一⋯]令d／d一K代入上式，由于Ad／d《1，忽略镜距离d的关系曲线为图2所示。可知它有两Ad／d三阶以上微小量，上式化简为段较适合传感器的工作区域，AB段和CD段△一3(K÷+cz)硪+AB段灵敏度高但测量范围小，CD段灵敏度低而测量范围大。我们可根据需要设计弹性元件，詈(cK一{一。()(5)可以得到两种不同性能指标的载荷传感器。图I中我们设计研制的传感器工作区为图2中AB显然若要使传感器输出线性化，即△与△d成区域。通过理论计算和实验统

8、计，接收光纤中光线性关系，有通量与距离d在AB段关系为qK一÷一c2—0即K一()也就是=cd“(1)其中f一0．56Aft(1一卢)4／asin(2)d参一(、C