光纤机械量传感器.docx
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1、利用光纤传感器测量的机械量一般有位移、振动、速度、加速度、角速度(旋转率)、表面粗糙度等。随着光纤测量技术的不断发展,光纤传感器所测量的机械量的种类将不断增加。光纤机械量传感器可以分为传光型(非功能型)和传感型(功能型)两类,其调制方式可以是光强调制、相位调制、频率调制及偏振调制等。传光型光纤传感器的调制区在光纤外,外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制,发射光纤与接收光纤仅起到传输光波的作用;传感型光纤传感器的调制区位于光纤内,外界信号通过直接改变光纤的某种传输特性参量对光波实施调制。11.1 光纤位移传感器位移检测是机械量检测的基础,许多机械量都是转换成位移量来检测的。光纤位移
2、传感器主要采用光强调制及相位调制技术。一、光强调制型光纤位移传感器光强调制的基本原理是利用外界信号(被测量)的扰动改变光纤中光(宽谱光或特定波长的光)的强度(即调制),再通过测量输出光强的变化(解调)实现对外界信号的测量。常用的光强调制方式主要有以下几种。1透射式光纤位移传感器在透射式光纤位移传感器中,将两根心径相同的光纤端面靠近装配到一起。光从发射光纤输出,通过两根光纤间的微小空隙,进入接收光纤。如果两根光纤为同轴光纤,则当光通过光纤的连接处时,几乎不损失光能;但如果两根光纤的光轴错开,光通过光纤的连接处时,光能损耗增加。多模光纤在心径内传输的光能密度分布均匀,因此光纤连接处的光通量基本与两
3、根光纤的心径交叠面的面积成正比。上图(a)为一种透射式光纤位移传感器示意图。发射光纤与接收光纤心径相同,而且它们的端面均垂直于纤轴,两端面相距约为23m。通常发射光纤固定不动,接收光纤的入射端受外界信号控制,相对发射光纤的出射端产生微量移动。如果移动光纤引起两束光的中心轴错位,就会增加光的损耗,光纤移动后得到的光强和两段光纤中心重叠部分的面积如图(a)中阴影部分所示成正比。利用心径为50m的多模光纤进行实验,轴偏离位移损耗如图(b)所示。可以看到,当位移量为1m时,得到的光通量的变化接近2。为了提高测量灵敏度,在光纤端面上制作透明与不透明等间隔相间排列的栅状条格,如图所示,用这种栅格控制光纤端
4、面上光强的分布。光纤中光通量的变化,由间距为L的两个栅格之间错开的位移量来决定。为了消除光源波动的影响,还可以采用差动接收方式,以提高测量精度。在两根光纤的端面之间放入活动光闸门,对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡,外界信号通过控制光闸门的位移来约束遮光程度,实现对进入接收光纤的光强的调制。为了提高传感器灵敏度,可以利用下面的栅格法。这种结构增加了光纤端面间的距离,为了提高光传输效率,需要在光纤端面上组装光学透镜。2反射式光纤位移传感器传光型光纤位移传感器也可以设计成反射型的,这样就能实现无接触测量。反射式光纤位移传感器可以使用两根光纤,分别用于传输光及接收光;也可以用一根光纤同时承担这两
5、种功能,其原理图如图所示。A面是一个反射膜板。光源发出的光进入发送光纤,从光纤端面射出,照射到A面上,A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到光纤端面之间的距离z变化时,进入接收光纤的光强度也随之发生变化,通过检测反射光的光强变化测定出反射膜的微小位置变化。上图是位移量z与光探测器上输出电压U的变化曲线。AB段灵敏度高,线性也好,但z的变化范围不大。CD段斜率较小,灵敏底较低,但线性范围比AB段宽。测光端面处光纤排列情况及反射面的情况都和仪器的灵敏度、测量范围有关,一般光纤束面积大时,线性测量范围也大。3微弯式光纤位移传感器被测物理量的变化引起微弯变形器位移,导致光纤发生微弯变形,改变模式耦
6、合,使纤心中的光部分透入包层,造成传输损耗。微弯程度不同,泄漏光波的强度也不同,从而达到光强度调制的目的。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微弯式光纤位移传感器,如图所示。两块波纹板组成一个微弯变形器,微弯变形器将光纤夹在中间,在变形器前设有脱模器,脱模器的作用是在光纤进入微弯变形器之前吸收掉光纤包层中的光。理论和实验证明,当被测物理量变化使变形器产生相对位移,导致光纤沿轴向产生周期性微弯变形时,就会产生光功率的耦合,通过检测出纤心模或包层模中的光功率就可以检测出相对位移了。通过选择适当的变形器周期,就能得到任何所需的模式耦合。微弯式光纤位移传感器可分为亮场型和暗场型
7、两种。亮场型是通过对纤心中光强度的变化来实现信号性能的转换;亮场微弯位移测量实验装置如图所示。在微弯变形器的前后均设有脱模器,前面的脱模器的作用是在光纤进入微弯变形器之前吸收掉光纤包层中的光;后面的脱模器的作用是将经变形器作用后射进包层的光都吸收掉,使这部分光不进入光电探测器,以免干扰测量结果。微弯效应不仅和微弯板的位移有关,而且也和光源的光射入光纤的入射角有关。当光线沿着光纤心轴方向入射,即入射角为0时,增加变形最多只能使心模光强减少20。在接近临界入射角的情况下,如入射角为90时,因为这时纤心中的光比较容易射进包层,同样的变形可使心模光强减少40。而暗场型则检测包层中的光信号。暗场微弯位移
8、测量装置如图所示。由He-Ne激光器发出的光经透镜系统聚焦后,射入阶跃型多模光纤的一端。此多模光纤放在一个木盒里,木盒放在用气体悬浮着的防震工作台上,以减小环境噪声的影响。为了消除包层模的光,在变形器前的光纤外面涂上油基黑漆。微弯变形器由两块配对的有机玻璃波形微弯板组成,其中一个微弯板与压电换能器连接,另一个微弯板与手动千分尺连接,从而通过调节千分尺使两个微弯板间产生相对位移。检测器的直流输出电压利用数字电压表显示,而交流输出则利用锁相放大器检测,再由记录仪记录锁相放大器的输出。亮场微弯传感器的信号光很强,采用高灵敏度的光电探测器时,光信号会使器件饱和;而暗场微弯传感器的背景光很弱,受微弯位移
9、调制明显,调制深度大,其灵敏度高于亮场微弯传感器。微弯式光纤传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部,这样就可以避免周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用。另外,它还有灵敏度较高(能检测小至100Pa的压力变化)、结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。因此,微弯式光纤传感器是一种有发展前途的传感器。4受抑全内反射式光纤位移传感器基于全反射原理的光纤位移传感器主要有两种:一种是全反射条件下,光纤端面迅衰场耦合位移传感器,又称为受抑全内反射式光纤位移传感器;另一种是折射系数变化改变全反射条件的力或声压传感器。下图为受抑全内反射式光纤位移传感器的原理示意图。它由两根光纤组成,其抛光端
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