光纤机械量传感器

1. 光纤机械量传感器 光纤机械量传感器 第六章

2. 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

3. 6.2 光纤位移传感器 • 光纤位移传感器使用的调制技术分外调制和内调制。外调制技术由外加敏感元件控制传输到探测器的光量。

4. 光纤位移传感器 调制信号 x 透射式位移传感器 发射光纤与接收光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。待测物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离x。 外调制技术 位移 动光纤式光强调制模型

5. 光纤位移传感器 透射式光闸门位移传感器 外调制技术 接收光纤 发射光纤 光闸 调制信号 将位移信号加在移动的遮光板上

6. L 微弯损耗位移光纤传感器 内调制技术 调制信号 光纤

7. 移动球镜光纤位移传感器 曲线K对应阶跃光纤，芯径176mm，包层直径250 mm。曲线G对应渐变光纤，芯径50 mm • 光强比值I1/I2的对数值与球镜位移量呈线性关系。

8. 2、光纤压力和水声传感器 测量压力和水声，通常采用反射式或微弯型光强调制光纤传感器，也可以采用相位调制光纤传感器和偏振调制光纤传感器。 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

9. （1）膜片反射式光纤压力传感器 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。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，膜片在小挠度工作情况，其中心位移与所受压力成正比。当压力增加时，光纤与膜片之间的距离将线性地减小。这样，光纤接收的反射光强度将随压力增加而减小，从而使输出光强受到调制。 1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片

10. （2）F-P压力传感器 探针头 压力 薄膜 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F－P 干涉仪腔长度的变化。

11. （2）F-P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F－P 干涉仪腔长度的变化。 探针头 压力 薄膜

12. （3）声、压力传感器 • 多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形，而通过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形，如果这种压来来自于声波，则可依此原理制成水听器。 压力 光源 。。 脱模器 探测器

13. 相位调制声波传感器

14. 马赫—泽德光纤压力、水声传感器 压力 压力 I0 光源 3dB 处理器 3dB 信号臂 耦合器 耦合器 参考臂 光纤马赫—泽德干涉仪

15. （4）光栅压力传感器 P FBGP系列

16. 4、表面粗糙度光纤传感器 光滑表面－－镜面反射

17. 空间某个角度的光能变化，可以反映表面的粗糙度。空间某个角度的光能变化，可以反映表面的粗糙度。 粗糙表面－－漫反射 每一条光线的反射都遵守反射定律

18. 表面粗糙度光纤传感器工作原理 • 用光纤测量表面粗糙度，是利用它对光信导的传输特性。当一束光以某角入射到被测表面时，如果表面是理想光滑的，入射光将沿镜反射方向全部反射；如果表面是租糙的，入射光会产生散射并偏离镜反射角，因此空间某个角度的光能变化，可以反映表面粗糙度的特性。就镜反射方向来说，表面越粗糙，反射能量也越小。因此，若将被测表面反射的光信号接收，则可由测出的反射光强的大小来评定表面租糙度的程度。

19. 表面粗糙度光纤传感器工作原理 传感器结构 测量示意图 光纤

20. 光纤传感器光纤分布形式 光纤束在公共端的分布形式 同心圆型 随机型 排列型

21. 表面粗糙度测量实验装置框图

22. 表面粗糙度传感器实用化的几个问题 • (1) 光源选择 • 使用激光光源时，测得的曲线不如非相干光源的平滑。这是因为，激光的相干性高，对测量反射面的粗糙度反应很灵敏，衍射、散射、干涉效应使反射光斑出现杂乱信号，因此，以采用非相干光源为宜。

23. 表面粗糙度传感器实用化的几个问题 (2) 测量反射面距离的影响 当被测表面与探头间的距离d增加时，反射面积加大，故输出亦增大。当位移增大到某一值时，受光光纤所能接收的反射光面积达到最大值，故在曲线上出现一峰值点A(或B)。 随后，由于距离增大受光光纤收集的反射光变弱，输出亦减小，故曲线出现下降趋势。 同心圆型 排列型 探头与表面间距

24. （3）输出电信号、测量距离及粗糙度参数之间的关系（3）输出电信号、测量距离及粗糙度参数之间的关系 • 由图在每条曲线的峰值点附近输出对距离的变化不敏感，因曲线顶端平缓。 • 曲线峰值点附近传感器的输出对表面粗糙度的变化最敏感(微小的租糙度变化都可在电输出信号反映出来)。

25. 排列型 同心圆型 (4)光纤传感器的输出与粗糙度参数的关系 在峰值点附近，输出对距离的变化不敏感，而对粗糙度的变化最敏感，这正是测量粗糙度十分重要的特性。 取其中粗糙度R0值最小的1＃样板为基准，调距离使输出电压为最大，并将此距离固定。再将其它研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作出输出电压与R0的关系图。

26. 排列型 同心圆型 (4)光纤传感器的输出与粗糙度参数的关系 按表6—2的实验数据对R0值和输出电压进行曲线拟合，可分别得出曲线1和曲线2的拟合曲线方程. 由这种拟合曲线方程，将用同样加工方法得到的任一工件放在这种仪器上测量，只要读出输出电压值x，就可以很方便地从拟合曲线方程中求得该工件表面的R0。

27. 5、光纤振动加速度传感器 • 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Dx与物体的振动加速度成比例.

28. 振动分析 k r r r r r r l l l l l l f f 0 0 f k ) ( x + k ) ( F x + + O 平衡点 f m 2 动力学方程 物体 + k m x g g m m m k k k k x x 2 d x 在受力平衡点 x g g m m m t d 受弹性力大小 X 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。 选取受力平衡点作为位置坐标原点物体在位置坐标 x处所受弹性力 合外力 均与水平振动结果相同

29. m m 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，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力f=ma。 平衡点

30. m m 振动加速度传感器工作原理 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Dx与物体的振动加速度成比例. 平衡点

31. 光纤1 光纤2 相位调制光纤加速度传感器 • 光纤代替了弹簧。当框架振动时，光纤受重物的惯性力作用产生应变，且长度的变化是与检测加速度或位移成比例。

32. 胡克定律 当应变较小时，应力与应变成正比： 或 其中：E称为杨氏模量(弹性模量)，反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。

33. d 为光纤直径

34. m 迈克耳逊光纤加速度计 Example 3dB 反射镜 信号处理

35. 第六章 习题 1、下图是水声传感器局部图。请完成传感器原理框图。并说明传感器工作原理。 2、设计一个测量曲率的光纤曲率传感器，给出原理框图，说明工作原理，并分析影响测量精度的因素，进而提出提高测量精度的途径。

36. 位移 3、下图可以用来测量位移，说明传感器工作原理。假设光栅常数为d，画出位移－－输出光强曲线。