光纤位移传感器

课程设计中期报告课题名称：光纤位移传感器班级：2013级机电1班组长：彭欢201307124101组员：郑岩201307124123马晓龙201307124117张林201307124128光纤位移传感器重庆三峡学院机械工程学院机械电子专业2013级重庆万州404000摘要：光纤传感器的基本工作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，称为被调制的信号光，再过利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量.绝缘子污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流、光纤传感器可用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。关键字：位移光纤传感器1引言光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号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，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。1.1光纤位移传感器的发展光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。光纤传感器有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。1.2光纤位移传感器的特性一。灵敏度较高二。几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器三。可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；四。可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；五。而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。附属说明：可以用来检测多种物理量，比如声场、电场、压力、振动、温度、加速度等，还可以完成现有检测工作中难以完成的检测任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了超强的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤传感器。近年来得到很好的发展，大多应用在低碳领域。在风力发电中，光纤传感工艺开始用于检测和优化风力发电风轮系统。作为发展最快的能源工艺，风轮的尺寸越来越大。这些风轮体积巨大，又安装在比较遥远的地点。监控工程师需要实时了解这些风轮的状态。因此，光纤传感器就能发挥其功效，帮助工程师了解风力发电机机组的运行情况。光纤传感器工艺耗能极低而且灵敏，特别在远距离传输中，信号稳定，受干扰小。这些特点使光纤传感器成为极端环境下的理想选择。光纤位移传感器原理1）光纤的传光原理光在空间是直线传播的，但当光从高折射率射向低折射率的介质的时候，这时可以同时看到反射光线和折射光线，这两条光线都比入射光线要弱。增大入射角，折射角也随之增大，090，这时折射光线沿两种介质的界面传播。再增大入射角，折射光线消失，只剩下反射光线，光线全部反射回到玻璃中，如下图所示。此时的反射光线几乎与入射光线一样亮。xy0.00.1250.250.3750.50.00.00270.00270.00200.00200.00110.00110.00040.0004-0.0001-0.00010.1250.00200.00200.00160.00160.00090.00090.00030.0004-0.0001-0.00010.250.00110.00110.00090.00090.00050.00050.00020.0002-0.0001-0.00010.3750.00040.00040.00030.00040.00020.0002-0.0001-0.0000-0.0003-0.00020.5-0.0001-0.0001-0.0001-0.0001-0.0001-0.0001-0.0003-0.0002-0.0006-0.0004为保证全反射，必须满足全反射条件,即θ＜θc。由斯乃尔折射定律可导出光线由折射率为0N处介质射入纤芯时，实现全反射的临界入射角为：22c1201arcsin(NN)N-（1）因为外介质一般为空气，空气中01N；所以22c12arcsin(NN)-2）光导纤维与光纤传感器的一般原理图１光纤的基本结构表2-1折射率变化光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质。如图１所示，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为０.１ｍｍ～０.２ｍｍ。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播。由于外界因素（如温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，引起光波特性参量（如振幅、相位、偏振态等）发生变化。因此人们只要测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就是光纤传感器的基本工作原理。２）反射式位移传感器的结构原理反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图２所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图３所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。图２反射式位移传感器原理图３反射式光纤位移传感器的输出特性测试数据位移（mm）12345电压（v）1.01.51.070.780.22总结光纤传感器有很大的前景国内市场上，应用最为广泛的光纤传感技术当属布拉格光纤光栅和基于光时域反射的分布式传感器，这种技术基本上可以满足中低端市场的需求。而现在光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器及其引申出来的最新一代光传感技术，这与传统的光纤传感有很大的区别,它可以进行超远距离的传输，精度和敏感度能达到更高的要求，这在高端市场上需求很大，21实际初，该项技术在国内尚处于立项和预研阶段。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种:光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。致敬语感谢在制作过程中每个专业老师对我们的指导和帮助。