光纤传感器应用分析.pptx

光纤传感器应用光纤传感器应用第八章第八章光纤传感技术经过30多年的研究开发，已为众多的被测物理量找到了相应的传感方法和设计原理。目前，光纤传感器可以对位移、压力、温度、速度、振动、液位、角度等70种物理量进行测量。光纤传感技术研究重点在以下几个方面：光纤传感器系统；现代数字光纤控制系统；光纤陀螺；核辐射监控；飞机发动机监控；8.1 光纤传感技术发展现状光纤传感技术发展现状我国光纤传感器的研究工作主要自1983年开始。近10年来，一些大学、科研院所、公司等都纷纷在这方面投入了大量的人力、物力使得光纤传感技术得到飞速的发展。虽说国内对高精度的光纤传感器有不少报导，但真正形成大规模应用和生产的却少之又少，没有能够大规模的走出实验室，面向工业界。1997年武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地批准开始建设。标志着我国光纤传感器研究从实验室走向应用。我国光纤传感技术发展现状我国光纤传感技术发展现状武汉兰光测控技术有限公司：主要从事光纤液位计系列产品的生产和销售。现拥有先进的生产线和检测手段，组织管理严格，产品广泛应用于国内石油、化工、冶金、交通和国防等部门。武汉天光光纤传感技术有限责任公司：主要从事武汉理工大学光纤中心研究的CFH系列光纤阀位回讯器产品的生产和销售。该产品最适用于石油化工厂、天然气及其他易燃易爆和恶劣环境下各种管道的阀位监测。该产品本质防爆，安全可靠，是国内首创的高科技产品。武汉湖光传感有限责任公司：主要从事光纤探头、器件、高温防腐液位计等产品的生产和销售。该公司厂房设备先进，技术力量雄厚，可为用户提供一流产品和优质服务。光纤传感技术国家重点工业性试验基地概况光纤传感技术国家重点工业性试验基地概况8.2 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器在电力系统中，常会遇到要在强电磁场干扰的情况下测量高压、大电流等电磁参量的问题。由于光纤传感器具有绝缘性好，抗电磁场干扰，灵敏度高等特性，因此在电力系统测量中具有突出的优势。电磁量光纤传感器大多为传感型的光纤传感器 常用的调制方式：偏振调制和相位调制式。利用的物理效应：法拉第效应、磁致伸缩效 应、电致光吸收效应、压电弹光效应等。8.2.1 电磁量光纤传感器基于的物理效应电磁量光纤传感器基于的物理效应1845 年，法拉第（年，法拉第（Faraday）通过实验发现：将磁光）通过实验发现：将磁光介质放置于磁场之中，并让一束平面偏振光通过磁光介质放置于磁场之中，并让一束平面偏振光通过磁光介质，其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生介质，其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生旋转。旋转。这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角 与光在物质中通过的距离l和磁场强度H成正比法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）法拉第效应（磁光效应，磁致旋光）EB V 费尔德常量费尔德常量磁致伸缩效应磁致伸缩效应1982 年J.Joule在镍中首先发现磁致伸缩现象。磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材料的尺寸和形状会随着磁场的变化而变化，去掉外加料的尺寸和形状会随着磁场的变化而变化，去掉外加磁场后，又恢复原来的尺寸和形状。磁场后，又恢复原来的尺寸和形状。磁致伸缩引起的形变是相当小的,其数量级为10-6。不同的铁磁材料其磁致伸缩效应是不同的,在铁、钴、镍这三种材料中,镍的磁致伸缩效应最明显。单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图在在铁铁磁磁质质中中，相相邻邻铁铁原原子子中中的的电电子子间间存存在在着着非非常常强强的的交交换换耦耦合合作作用用，这这个个相相互互作作用用促促使使相相邻邻原原子子中中电电子子的的自自旋旋磁磁矩矩平平行行排排列列起起来来，形形成成一一个个自自发发磁磁化化达达到到饱饱和和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。磁致伸缩效应的物理解释磁致伸缩效应的物理解释 磁畴磁畴在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位，这些磁畴体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。磁场增强磁场增强磁场增强磁场增强磁磁 致致 伸伸 缩缩 效效 应应磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生变化l光路长度；光路长度；n折射率；折射率；l磁场磁场B引起的长度变化引起的长度变化光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料B电致光吸收效应电致光吸收效应外加电场的作用可引起材料吸收系数的变化。尤其是在半导体材料中，外电场作用使能带边发生倾斜，带间电子隧道贯穿势垒降低，致使带间吸收(包括一些激子吸收峰)向低能方向偏移，称为电致光吸收效应。电致伸缩（电致伸缩（压电效应）压电效应）某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比,这称为正压电效应。反之,在某些材料上施加电场,会产生机械变形,而且其应变与电场强度成正比,这称为逆压电效应（或称电致伸缩）。如果施加的是交变电场,材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强,振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。光纤光纤压电材料压电材料当把单模光纤绕在压电材料的芯架或带条上，当外加电场作用于压电材料相应方向时，由于压电材料的伸缩，使单模光纤因电致伸缩效应发生折射率和长度的变化。光纤电磁量传感器采用的测量技术光纤电磁量传感器采用的测量技术测量磁场测量磁场-法拉第旋光效应-磁致伸缩效应测量电场测量电场(或电压或电压)-电致光吸收效应-电致伸缩效应测量电流测量电流-法拉第旋光效应-磁致伸缩效应利用法拉第效应制成磁场传感器。光纤光纤激光激光激光激光探测器探测器（1 1）基于法拉第效应的磁场传感器）基于法拉第效应的磁场传感器）基于法拉第效应的磁场传感器）基于法拉第效应的磁场传感器V费尔德常量P1P28.2.2 光纤磁场传感器光纤磁场传感器LD信号处理器通过增加光纤缠绕圈数可以提高传感器的灵敏度，保偏光纤可以解决线偏振态的保持问题。基于法拉第效应制成磁场传感器原理图基于法拉第效应制成磁场传感器原理图+I1I2i1i2沃拉斯顿棱镜：一种光学器件，能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光沃拉斯顿棱镜半导体激光器输出的光信号经过偏振片使光信号处于线偏振状态，再经过保偏光纤传输到位于被测区的传感头，经过处于磁场中的磁场的偏振调制，使线偏振光的方位角旋转，输出偏振光通过偏振分束器时，分为偏振垂直的两束线偏振光，分别由两个光电探测器接收。通过测量探测器的输出电流，可计算偏振面的旋转角度，进而计算出被测磁场。I1和I2为线偏振光经过磁场调制后的光强分别为在垂直偏振轴和水平偏振轴上的光强分量，两个探测器输出的电流信号差为经偏振分束器后两个正交的偏振态的光强分别为Ri为探测器的电流响应度。LD信号处理器+I1I2i1i2差分放大差分放大沃拉斯顿棱镜（2）基于磁致伸缩效应光纤磁场传感器）基于磁致伸缩效应光纤磁场传感器利用磁致伸缩材料所产生的变形作用于光纤，检测磁场是一种高灵敏度的技术。它是在马赫泽德尔干涉仪上用被覆有磁致伸缩材料的光纤作为测量臂。干涉仪测量光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料光纤的轴向尺寸将随磁场的强弱而伸缩，使得通过光纤的光程发生变化。信号光与参考光干涉后，得到与磁场成比例的输出信号。这种磁场传感器灵敏度高，分辨率可达10-12T,可用于测量磁场、探矿等。磁场磁场3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器测量臂测量臂光源光源a a）光纤马赫）光纤马赫泽德尔磁场传感器泽德尔磁场传感器磁致伸缩材料被覆磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂光纤作为测量臂光源光源磁场磁场参考臂3dB3dB3dB3dB传感器原理框图传感器原理框图I I0 0耦合器耦合器测量臂测量臂放大放大PZTPZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT 上，使之工作在正交点，并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。信号处信号处理器理器磁致伸缩引起的相位变化磁致伸缩引起的相位变化光纤在磁致伸缩材料作用下，发生应变，包括纵向应变和径向应变，由于光弹效应折射率也发生变化光弹效应产生的折射率变化为：3 是径向应变，是径向应变，p11,p12是光弹系数。是光弹系数。其中轴向应变在在各各向向同同性性的的介介质质中中，1 2，且且介介质质的的体体积积保保持持不变，有关系：不变，有关系：2 1 3 0，因此，因此与待测磁与待测磁场有关场有关为了提高传感器灵敏度，在被覆材料上偏置一恒定磁场，外加总磁场强度H包括两个部分，一部分是作偏置用的直流恒定磁场强度H0，H0的选定应使应变随磁场的变化率为最大值，以使传感器能工作在最灵敏的区域内；另一部分是待测的随时间在H0附近上下变化的磁场强度H1，通常H0 H1。b)光纤法布里珀罗干涉仪磁场传感器磁致伸缩材料分为结晶金属和金属玻璃两大类。金属类的磁致伸缩材料有铁、钴、镍，以及这三种元素的金属化合物。其中以纯镍的磁致伸缩系数(负值)最大。同时，由于制造简单和耐腐蚀等原因，常用纯镍作光纤的被覆层。磁致伸缩材料磁致伸缩材料纯镍金属被覆光纤,最佳的偏置磁场H0=240A/m,据报道,这时镍被覆光纤磁致伸缩灵敏度已达到1.2710-7 A/m2。镍被覆光纤可以有两种制作方法:一种是把经过退火的体状镍薄壁管粘接到芯径为80m的单模光纤上。这种镍被覆光纤长度为10cm左右。光纤光纤镍薄壁管镍薄壁管10cm另一种是通过电子束蒸发的方法，使薄膜直接沉积在裸光纤上，其薄膜厚度在的范围内0.62m。例如在80m 芯径的光纤上可沉积1.5 m厚的镍被覆层。光纤沉积被覆层后要进行退火，消除磁场伸缩护层材料中的残余应变。裸光纤裸光纤沉积镍薄膜沉积镍薄膜几种敏感元件的基本结构几种敏感元件的基本结构光纤光纤被覆材料被覆材料a)被覆式被覆式b)心轴式心轴式磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤c)带式带式1、金属被覆单模光纤电流传感器、金属被覆单模光纤电流传感器这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤中光的相位，从而实现电流检测的。中光的相位，从而实现电流检测的。若把被覆光纤作为马赫若把被覆光纤作为马赫泽德尔光纤干涉仪的测泽德尔光纤干涉仪的测量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。相位差。8.2.3 光纤电流传感器光纤电流传感器马赫马赫泽德尔干涉仪电流传感器原理泽德尔干涉仪电流传感器原理金属护套金属护套金属护套金属护套光纤的轴向尺寸和折射率光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化随电流的强弱而变化光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器测量臂测量臂光源光源PZT金属护套金属护套金属护套金属护套光源光源参考臂3dB3dB3dB3dB光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器I I0 0耦合器耦合器测量臂测量臂信号处信号处理器理器PZTPZTPZT的的作作用用：信信号号处处理理器器一一路路反反馈馈到到PZT 上上，使使之之工工作作在在正正交交点点，并并对对因因温温度度变变化化引引发发的的干干扰扰因因素素进进行行补补偿。偿。放大放大（2）基于磁致伸缩效应光纤电流传感器）基于磁致伸缩效应光纤电流传感器利用磁致伸缩材料被覆的单模保偏光纤作为马赫泽德尔干涉仪的测量臂。当被测电流流过线圈时，将产生磁场并作用在磁致伸缩材料上，产生磁致伸缩效应，引起光纤发生形变，从而使干涉仪的两个臂的光相位差发生变化，通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。传感器测量臂光纤光纤光纤光纤磁致伸缩材料电流源光源光源参考臂3dB3dB3dB3dB金属被覆金属被覆光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器I I0 0耦合器耦合器信号处信号处理器理器PZTPZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT 上，使之工作在正交点，并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。放大放大作为干涉腔的光纤缠绕在铁镍合金筒（磁致伸缩材料）上，使干涉腔光纤感测外加磁场，光波的相位受到调制。一个偏置磁场作用于传感头，并通过调整其参数使干涉仪工作在最佳的线性点。最后，检测到的电信号依次经过带通滤波器及放大电路，然后与依次经过光探测器及放大电路的参考电信号同时通过一个除法器电路，以减小了光路噪声和电路噪声的影响。由除法器电路输出一个电压信号，此电压信号与外加磁场的对应关系也相应的建立起来。B(3)基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器布拉格波长布拉格波长光强光强反射光谱反射光谱磁致伸缩材料磁致伸缩材料传感器头螺线管内磁场螺线管内磁场光纤光栅电流传感器结构 1信号处理环形器环形器宽光谱光源波长测量施加磁场改变光栅的周期，使其反射波长产生变化。电流传感器结构电流传感器结构 2GMM-磁致伸缩材料磁致伸缩材料由于法拉第效应引起光纤Bragg光栅中左旋和右旋偏振光的光纤折射率的微弱变化。(4)基于法拉第效应光纤光栅的电流传感器nR和nL表示光纤Bragg光栅中的右旋和左旋偏振光折射率。信号处理环形器环形器宽光谱光源波长测量施加磁场改变光折射率，使其反射波长产生变化。调谐单元采用匹配参考光栅法，传感信号作为入射信号传入到调谐单元，通过改变电流对匹配光栅进行调谐。当匹配光栅与传感光栅匹配（即传感光栅和参考光栅中心波长相同）时，满足波长反射条件的光达到最强，此时光电探测器接收到的调谐单元输出的光强信号最大，对应的调谐电流就能反映传感电流。采用高精度光谱分析仪对此单元的电流和波长关系事先进行标定。测量原理：测量原理：不考虑温度的影响时不考虑温度的影响时若磁致伸缩材料的应变与若磁致伸缩材料的应变与磁场强度磁场强度B的关系为的关系为测量原理分析测量原理分析（4）基于法拉第效应光纤电流传感器）基于法拉第效应光纤电流传感器这这种种传传感感器器的的工工作作原原理理示示意意图图所所示示。其其基基本本原原理理是是利利用用光光纤纤材材料料的的法法拉拉第第效效应应，即即处处于于磁磁场场中中的的光光纤纤会会使使在在光光纤纤中中传传输输的的偏偏振振光光发发生生偏偏振振面面的的旋旋转转，其其旋旋转转角角度度 与磁场强度与磁场强度H、磁场中光纤的长度、磁场中光纤的长度l成正比成正比该该种种电电流流传传感感器器的的优优点点：测测量量范范围围大大，灵灵敏敏度度高高，与与高高压压无无接接触触，电电绝绝缘缘性性好好，特特别别适适用用于于高高压压大大电电流的测量，测量范围为流的测量，测量范围为01000A。信号处理光源探测器四分之四分之一波片一波片传感光纤传感光纤载流导线载流导线a)光纤电流传感器原理图光纤电流传感器原理图光纤起光纤起偏器偏器耦合器耦合器返回光在起偏返回光在起偏器处发生干涉器处发生干涉b)光纤电流传感器原理图光纤电流传感器原理图以以45注入保偏注入保偏光纤光纤光纤电流传感器光纤电流传感器传感器应用传感器应用光纤电流传感器应用光纤电流传感器应用光纤电流传感器的优势：既可以测直流电，又可以测交流电不受电磁干扰本身不带电，安全防爆体积小巧，易于安装组网方便，便于维护升级光纤传导信号，实现长距离监测。8.2.4 光纤电场传感器光纤电场传感器电致光吸收是指绝缘体和半导体的光吸收在电场作用下发生变化。根据材料不同电吸收的机理也不尽相同。对于体材料产生的电致光吸收效应为：Franz-Keldysh(伏兰茨克尔德什)效应（1）电致光吸收光纤电场传感器Franz-Keldysh 效应效应 Franz-Keldysh 效应在体材料中，光子吸收主要发生在价带电子被受激跃迁到导带的情况当半导体材料中存在电场时,材料的吸收截止波长将向长波方向移动，这就是Franz-Keldysh 效应。外电场能影响光纤中杂质离子及杂质离子外层电子的吸收光谱，因此能改变掺有适当杂质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。电致光吸收光纤电场传感器就是根据电场作用使离子与电子的吸收谱线发生偏移，光纤中掺入能产生伏兰茨克尔德什效应的结晶体，使其吸收率随电压而变化。就可用这种光纤测量电场或电压的大小。电致光吸收光纤电场传感器原理电致光吸收光纤电场传感器原理电致光吸收光纤电场传感器原理电致光吸收光纤电场传感器原理根据量子力学理论可以导出在电场E作用下，半导体材料禁带宽度Eg的变化为：m*为电子有效质量，为电子有效质量，Eg导带导带价带价带LEDLED发光光谱发光光谱材料吸收率材料吸收率E1E2E3E3E1E2相相对对发发光光强强度度 吸吸收收率率波长波长对于波长处于材料的吸收边外而又靠近吸收边的入射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。E电致光吸收光纤电场传感器原理图电致光吸收光纤电场传感器原理图LED光源光源探测器探测器掺有杂质掺有杂质离子光纤离子光纤电吸收调制器原理电吸收调制器原理利利用用Franz-Keldysh效效应应效效应应，工工作作在在调调制制器器材材料料吸吸收收区区边边界界波波长长处处。当当调调制制器器无无偏偏压压时时，该该波波长长处处吸吸收收最最小小，因因而而输输出出光光功功率率最最大大，处处于于通通状状态态，或或者者说说输输出出“1”。随随着着调调制制器器上上电电压压的的增增加加，调调制制器器对对输输入入光光波波的的吸吸收收边边向向长长波波长长方方向向偏偏移移，原原来来的的波波长长处处吸吸收收系系数数变变大大，调调制制器成为断状态，输出功率最小，或者说输出器成为断状态，输出功率最小，或者说输出“0LEDLED发光光谱发光光谱材料吸收率材料吸收率E0相相对对发发光光强强度度吸吸收收率率波长波长EEmax1 0 1 0 1（2）基于压电效应光纤电场传感器）基于压电效应光纤电场传感器利用压电效应测量电场的光纤传感器，即采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方法。在压电效应中，可以用高分子聚合物(如聚偏二氟乙烯PVF2)作压电材料，高分子聚合物可作为光纤的包皮与光纤合为一体，只要这种形式的光纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。PVF2光纤光纤压电材料压电材料光纤马赫光纤马赫泽德尔电场传感器泽德尔电场传感器3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器测量臂测量臂光源光源PZT压电材料压电材料压电材料压电材料PVF2的灵敏度较大的灵敏度较大波长为波长为633nm时，时，PVF2 约有约有4rad(Vm)的相移，而普通的相移，而普通的的压压电电陶陶瓷瓷波波长长为为633nm时时，约约有有0.39rad(Vm)的相移。的相移。光源光源参考臂3dB3dB3dB3dB光纤马赫光纤马赫泽德尔电场传感器泽德尔电场传感器I I0 0耦合器耦合器测量臂测量臂信号处信号处理器理器PZTPZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT 上，使之工作在正交点，并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。压电材料压电材料压电材料压电材料放大放大8.3 光纤压力传感器光纤压力传感器光纤压力传感器一般是利用膜片受压弯曲使反射表面发生弯曲的原理制成的。还可以利用固定在膜片上的可动反射体，使反射光通量重新分布的原理而制成 1 Y1 Y形光纤束形光纤束 2 2 壳片壳片 3 3 膜片膜片利利用用弹弹性性体体的的受受压压变变形形，将将压压力力信信号号转转换换成成位位移移信信号号，从从而而对对光光强强进进行行调调制制。在在Y形形光光纤纤束束前前端端放放置置一一感感压压膜膜片片，膜膜片片在在小小挠挠度度工工作作情情况况，其其中中心心位位移移与与所所受受压压力力成成正正比比。当当压压力力增增加加时时，光光纤纤与与膜膜片片之之间间的的距距离离将将线线性性地地减减小小。这这样样，光光纤纤接接收收的的反反射射光光强强度度将将随随压压力增加而减小，从而使输出光强受到调制。力增加而减小，从而使输出光强受到调制。（1）膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器压力传感器的重要传感元件是法布里-珀罗(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端。所施加的压力P引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接引起了FP 干涉仪腔长度的变化。（2）F-P压力传感器压力传感器 传感头压力压力 薄膜薄膜 压力压力 薄膜薄膜传感头 光纤光纤法布里法布里珀罗干涉仪光纤传感器珀罗干涉仪光纤传感器信号处理耦合器耦合器光源探测器传感头传感头压力压力（3 3）微）微弯曲水压力传感器弯曲水压力传感器压力压力。传感头传感头光纤马赫光纤马赫光纤马赫光纤马赫泽德干涉仪泽德干涉仪泽德干涉仪泽德干涉仪马赫马赫泽德光纤压力传感器泽德光纤压力传感器光源信号臂信号臂参考臂参考臂3dB3dB耦合器耦合器I0耦合器耦合器处理器压力压力。光纤压力传感器实验介绍光纤压力传感器实验介绍光纤压力传感原理系统框图光纤压力传感原理系统框图实际压力显示气压源压力传感器信号放大驱动发光二极管探测器接收探测器信号处理测量压力显示光纤传输V/I压力传感器电路原理图压力传感器电路原理图基准电压源压力传感器WP2+15VWP1-15VR7R8R9R10V IA2A3A1调零电路WP2-调节放大倍数压力传感器是个电桥，其中一个臂是压力敏感电阻，没有压力时，电桥平衡。运算放大器A1构成射极跟随器，用于调零，使得电桥平衡时候，A2两个输入端电压相等。压力传感器输出电压信号通过运算放大器A2放大(放大倍数可以通过WP2调节)。运算放大器A3也构成射极跟随器，将放大后的电压信号送到V/I转换成电流信号驱动发光二极管。电路原理电路原理8.4 光纤光纤振动加速度传感器振动加速度传感器光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度振动加速度传感器是把由重物、弹簧、阻尼器组成的振动子固定在框架上构成的。当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力f=ma。由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x发生相应变化，其变化量x与物体的振动加速度成比例.若选取受力平衡点作为位置坐标原点，垂直弹簧振子与水平弹簧若选取受力平衡点作为位置坐标原点，垂直弹簧振子与水平弹簧振子的动力学方程和振动方程相同。振子的动力学方程和振动方程相同。平衡点在受力平衡点物体受弹性力大小选取受力平衡点作为位置坐标原点选取受力平衡点作为位置坐标原点物体在位置坐标物体在位置坐标 x 处所受弹性力处所受弹性力合外力合外力动力学方程均与水平振动结果相同平衡点振动加速度传感器工作原理振动加速度传感器工作原理当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力运动方向相反的惯性力f=ma。由由于于惯惯性性力力的的作作用用，引引起起重重物物相相对对于于框框架架作作加加速速运运动动，这这时时框框架架与与重重物物之之间间的的距距离离x发发生生相相应应变变化化，其其变变化化量量 x与与物物体体的的振振动加速度成比例动加速度成比例.平衡点振动加速度传感器工作原理振动加速度传感器工作原理胡克定律胡克定律 当应变较小时，应力与应变成正比：当应变较小时，应力与应变成正比：当应变较小时，应力与应变成正比：当应变较小时，应力与应变成正比：或或或或其中：其中：其中：其中：E E 称为称为称为称为杨氏模量杨氏模量杨氏模量杨氏模量(弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量)，反映材料，反映材料，反映材料，反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。d 为光纤直径为光纤直径迈克耳逊光纤加速度计迈克耳逊光纤加速度计反反射射镜镜信号处理信号处理PZT相移器相移器Example3dB光纤传感技术小结光纤传感技术小结一、基本概念强度调制型传感器、相位调制型传感器、频率调制型传感器、波长调制（光谱调制）型传感器、偏振调制型传感器。二、基本原理迈克尔逊干涉仪光纤传感器、马赫-泽德干涉仪光纤传感器、赛格纳克干涉仪光纤传感器、法布里珀罗干涉仪光纤传感器基本结构探测器信号臂信号臂参考臂参考臂3dB 迈克尔逊干涉仪光纤传感器基本结构迈克尔逊干涉仪光纤传感器基本结构耦合器耦合器光源信号处理信号臂信号臂参考臂参考臂3dB3dB耦合器耦合器信号处信号处理器理器测量参数测量参数马赫泽德干涉仪光纤传感器基本结构I0耦合器耦合器光源光源光纤塞格纳克光纤干涉仪基本结构光源耦合器耦合器探测器耦合器耦合器信号处理 光纤光纤法布里法布里珀罗干涉仪光纤传感器珀罗干涉仪光纤传感器信号处理耦合器耦合器光源探测器敏感器件谐振腔高反膜光纤光栅、光纤光栅制作方法、光纤光栅的应用；布拉格光纤光栅(FBG)传感器基本原理。三、光纤光栅及应用三、光纤光栅及应用折射率分布折射率分布光谱特性光谱特性短周期短周期光栅光栅切趾切趾光栅光栅啁啾啁啾光栅光栅带通滤波器、分插复用器和解复用器等器件，传感器主要应用主要应用带通滤波器、分插复用器和解复用器等器件色散补偿，光纤放大器的增益平坦光栅类型光栅类型反反射射光光谱谱透透射射光光谱谱反反射射光光谱谱带阻滤波器、光放大器增益平坦反反射射光光谱谱长周期长周期光栅光栅光纤光栅传感器基本结构信号处理环形器环形器宽光谱光源波长测量FBG传感头或耦合器或耦合器