光纤机械量传感器

主要内容光纤位移传感器光纤压力和水声传感器光纤应变传感器光纤表面粗糙度传感器光纤加速度传感器光纤振动传感器第六章光纤机械量传感器光纤机械量传感器可分为：传光型(非功能型)和传感型(功能型)两类。调制方式：光强、相位、偏振、波长及频率调制。传光型强度调制光纤传感器使用的调制技术分为：外调制和内调制。外调制技术：由外加敏感元件控制光源传输到探测器的光量。外加敏感元件可为：透射式、反射式和折射率式。内调制技术：无需外加敏感元件，靠改变光纤自身的传输特性实现传输光强度调制，如利用微弯效应。透射式敏感元件对传输光的影响，实际上是一种对被测物理量的模拟及开关测量。最简单结构用于检测不透明物的存在。透射式方式可以按距离改变光强。径向位移的测量范围受光纤直径的限制，但检测灵敏度极高。轴向位移的测量范围大，但灵敏度较低。反射式光纤敏感元件由入射传输光纤和反射收集光纤制成一个光纤束。光纤束中两个光纤可以是无规则排列或半圆形排列。用于检测反射体的存在和测定反射体表面与检测光纤与反射体间的距离。无规则排列光纤探头比半圆形排列具有较高的灵敏度，但动态范围小。反射光强与距离函数的典型曲线内调制技术——微弯效应当光纤存在微弯曲时，光纤芯中的传导模就会逸出到包层成为包层模，从而使传输光能量衰减。如果光纤的微弯曲是由外施力或压力产生的，接收光强变化就与生成光纤形变的物理量有关。光强与光纤微弯的夹具位移的关系：小位移，两者之间是线性的。大位移，非线性，但测量的动态范围大。光纤相位调制传感器最大特点：测量灵敏度极高。一般情况，光纤作为光学干涉仪的两条光路。待测物理量会使敏感光纤的长度、折射率发生变化，使它与参考光纤中传输的光产生相移，只要检测出干涉相移，可得到待测物理量的大小。可测振动、压力、加速度、应变等光纤偏振调制传感器主要用于测振动，靠外界待测物理量产生光纤的双折射，从而引起传输光偏振面的变化，由此可以测机械振动。光纤频率调制传感器一般用于测流体流速。光纤多普勒血液流量计——专门测量人体血管中血液流量的装置。特点：参考光来自人体皮肤表面的反射，可在体外测量人体血管中的血液流速。激励光是由芯径较小的光纤馈送，距离可以很长。但输出光纤很短，且是大芯径，高NA光纤，它收集皮肤表面的参考反射光和血管中流动血液的散射光。光纤多普勒血液流量计探头光纤多普勒血液流量计6.2光纤位移传感器外调制式和内调制式两类6.2.1外调制式位移传感器（1）透射式位移传感器采用两根芯径相同的光纤，并将两根光纤的端面靠近装配在一起。光从一根光纤输出，通过两根光纤间微小空隙，进入到另一根光纤。光纤连接处的光通量，与两根光纤的芯径交叠面积成比例。对于径向位移，采用小芯径的单模光纤比采用大芯径的多模光纤测量的灵敏度高。通过控制光纤端面光强分布提高位移传感器的灵敏度1.利用栅格。光纤中光通量的变化，由间距为s的两个栅格之间错开的位移量决定。2.利用活动光闸门。（b）两个周期光栅做遮光屏（a）活动光闸门（3）反射式光纤位移传感器（非接触型传感器）测出反射光的光强，就以非接触式方式判断物体是否存在及位移情况。（2）折射率式渐逝物型位移传感器光在光纤端面全反射时，一部分光能量可到达光纤端面外侧靠近端面的位置。如果两根光纤靠的很近，渗出的光能几乎无损耗的全部进入第二根光纤。进入第二根光纤的光能量随两根光纤端面间的距离增大而急剧减小。（利用受抑全反射原理）6.2.2内调制式位移传感器-微弯效应微弯效应：待测物理量引起微弯器位移，使光纤发生微弯变形，改变模式耦合，芯径中的波导模部分透入包层转化成包层模，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的光强不同，实现光强调制。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.两种检测方法测量微小位移检测光纤包层模中的光功率检测光纤波导模中的光功率检测出纤芯模（传导模）或包层模中的光功率即可检测出加在微弯器上的外力。光刚进入光纤测量截面，包层模中任何光均被消除（脱模器）（即探测器上探测不到光强，暗场），但是可以探测纤芯中波导模的光功率，（亮场）。施加外力，由于模式耦合使包层模中的光功率大大增加。所以，黑暗背景使包层模比纤芯模检测灵敏度更高。2'波纹的周期间隔为与传播常数间满足相位失配为零，模间耦合达到最佳。激光聚焦到多模光纤一个端面光纤后端面附近涂上黑色涂料（消除包层模中的光，成暗场）变形器波纹板检测器检测包层模中的信号。位移的产生：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3M。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。进一步提高灵敏度：必须提高光源功率（Pc）或提高耦合系数。提高耦合系数的方法设计适当变形器——较长的变形器或较短的周期选用适当光线类型——渐变型光纤采用适当光学元件——激励高阶模或泄漏模传感器的技术指标:1．灵敏度2．线性度3．噪声4．信噪比6.2.3相位干涉式位移传感器Mach-zehnder光纤干涉仪应用较为广泛。双光路干涉，输出端的光强简单表示为mI2cos1m为干涉级数fmorlm外界因素改变相对光程差、相对光程延时，光频率和波长时，光相位或干涉条纹m发生变化，干涉条纹移动，就代表被传感的物理量。1.外加力直接改变光纤的参量——L，d，n改善光纤对压力的传感灵敏度，通常在包层外在涂复一层特殊材料。它对传感臂具有“增敏”特性，对参考臂具有“去敏”特性。这样可以有效提高检测信噪比。2.利用激光器腔长位移，改变激光频率光源频率f或波长发生改变，把两臂的光程l固定，则干涉条纹的级数也会发生变化。ldmzdzdm：干涉条纹级数微变量强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器6.3光纤压力和水声传感器1、采用弹性元件的光纤压力传感器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。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3P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W为pEtaW3421613a—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；μ—为膜片的泊松比。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，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。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。•殷钢：属于铁镍合金的一种。这种材料最大的特点就是随温度的变形极小，适合于制作对温度变形有严格要求的零件。•铍青铜：含Be≤2.5％的铜铍二元合金，除具有高的强度、弹性、硬度、耐磨性和耐疲劳性外，还有优良的导电性、导热性、耐蚀性、无磁、冲击时不产生火花，并有优良的工艺性能。广泛用于制造膜片、膜盒、弹簧管、弹簧等各种弹性元件。改进型的差动式膜片反射型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I1＝I2。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。(a)传感器结构PI2I1I0p0P=0P0(c)测量原理I1I0I2I1I0I2I1I0I24(b)探头截面结构2(外圈)1(内圈)3(输入)可见，输出光强比I2／Il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。将上式两边取对数且满足(Ap)2≤1时,等式右边展开后取第一项，得到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。ApApII1112ApII2ln12两束输出光的光强之比为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。反射型器件的基本结构0k1.高折射率棱镜2.上金属层3.电光介质4.缓冲层5.下金属层应用：调制器,衰减器,可调滤波器,传感器等材料的要求：稳定的非线性光学效应sin10nkWaveguideFilmSubstratePrismPolarizerScreenAdjustablepressure耦合器件样品层TIR（全内反射）传感器TIR传感器的结构如图所示：棱镜下面直接放置待测样品。入射光束在棱镜和样品层之间发生反射，其反射率在全反射点附近有急剧的变化。通过观测反射率曲线的变化即可观测样品的变化。泄漏模波导传感器耦合器件覆盖层样品层导波层泄漏模波导传感器结构如图所示：在棱镜底面上镀有两层介质薄膜，其下放置样品层。覆盖层、导波层和样品层形成波导结构，在导波层中传输的光场受到样品层的影响发生相应的变化，从而可以通过观察导波光的变化来得到样品层中的信息。通过这种方法，样品层中幅度为10-5的浓度变化可以被检测到。F-P传感器耦合器件样品层介质层提出的F-P传感器的结构如图所示：在棱镜底面上直接放置样品层，其下放置一层介质衬底。棱镜底面、样品层和介质层形成F-P腔结构，入射光束在F-P腔中形成多光束干涉，并在F-P腔中形成振荡场。这样，在F-P腔中传输的光场受到样品层的影响发生相应的变化，从而可以通过观察反射光的变化来得到样品层中的信息。双面金属导模传感器耦合器件金属膜金属膜导波层双面金属导模传感器结构如图所示：在棱镜底面上镀有一层金属薄膜，其下放置样品层，其下又是一层金属薄膜。上层金属膜、导波层和下层金属膜形成波导结构，入射光束将会激发在样品层中传输的稳定的导波。在样品层中传输的光场受到样品浓度等变化的影响发生相应的变化，从而可以通过观察导波光的变化来得到样品层中的信息。放入水中，在水声力波作用下，铝管开槽处光纤产生微变形，包层模中的功率增加，纤芯中传导模功率减小。由于使用长光纤，其灵敏度提高，最小可测压力提高。6.3.2微弯曲光纤水声传感器微弯曲效应的水声探测器都是用多模光纤制成。多模光纤被绕在铝管螺纹谷内，其中铝管纵向开槽，纵向槽中的光纤部分受橡皮套传来的压力产生变形，光纤其他部分被铝管的纹槽顶紧，顶紧后，光纤的橡皮套将不承受压力。•基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4、5光纤微弯式光纤水听器探头6.3.3动态压力传感器马赫-泽德（Mach-Zehnder）光纤干涉仪对光纤一个臂施加压力，则在光纤两臂中产生相位差，检测器上光的强度改变。常用来做水声探测器，由于光纤是非金属的，在海下探测不易被发现。重要点：Mach-Zehnder光纤干涉仪检测空气中声波灵敏度比水声检测灵敏度要高很多。6.3.4光弹性式光纤压力传感器晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º的压力作