學(xué)習(xí)情境二強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)(xux)情境二強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器情境二強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器及應(yīng)用及應(yīng)用第一頁(yè)，共220頁(yè)。二、學(xué)習(xí)(xux)內(nèi)容1、光纖一維位移傳感器簡(jiǎn)單(jindn)介紹通常按光纖在傳感器中所起的作用不同，將光纖傳感器分成功能型（或稱為傳感型）和非功能型（傳光型、結(jié)構(gòu)型）兩大類。功能型光纖傳感器多使用(shyng)單模光纖，它在傳感器中不僅起傳導(dǎo)光的作用，而且有是傳感器的敏感元件。但這類傳感器在制造上技術(shù)難度較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且調(diào)試?yán)щy。 非功能型光纖傳感器中，光纖本身只起傳光作用，并不是傳感器的敏感元件。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第1頁(yè)/共220頁(yè)第二頁(yè)，共2

2、20頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第2頁(yè)/共220頁(yè)第三頁(yè)，共220頁(yè)。2、光纖一維位移(wiy)傳感器基本原理分析圖2.1是光纖一維位移(wiy)傳感器測(cè)量原理圖圖2.1 光纖一維位移傳感器原理圖光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第3頁(yè)/共220頁(yè)第四頁(yè)，共220頁(yè)。 22/32222/300/1exp)(1 cctgaxaRtgxIRxI（2-1）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第4頁(yè)/共220頁(yè)第五頁(yè)，共220頁(yè)。若我們測(cè)量小位移(wiy)時(shí)，光源與輸入光纖耦

3、合較好，采用準(zhǔn)共路光纖，0，則式（2-1）變形為：2200expaRIRxI （2-2）（2-3） ctgxRaIxI220204再對(duì)式（2-2）展開忽略(hl)高階項(xiàng)，得到：其中(qzhng)：數(shù)值孔徑NA=sin(c)且在圖2.1中近似得到：光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第5頁(yè)/共220頁(yè)第六頁(yè)，共220頁(yè)。很顯然，圖2.1中當(dāng)dR時(shí)，即輸出（接收(jishu)）光纖位于反射光光錐之外，兩光纖的耦合為零，無反射光進(jìn)入接收(jishu)光纖，I(d)0；當(dāng)dR時(shí)，即輸出（接收(jishu)）光纖位于反射光錐之內(nèi)，有反射光進(jìn)入接收(jishu)光纖，I(d)0.且得到I

4、-x關(guān)系如下圖2.2所示：xRtgc2（2-4）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第6頁(yè)/共220頁(yè)第七頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.2 I-x圖像(t xin) 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第7頁(yè)/共220頁(yè)第八頁(yè)，共220頁(yè)。（2-5）)1 (sinarccos)1 ()1arccos(1rrr光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第8頁(yè)/共220頁(yè)第九頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.3 反射光斑(gungbn)與光纖端面重疊部分3、光纖一維位移傳感器探頭設(shè)計(jì)

5、(shj)與擴(kuò)展圖2.4 傳統(tǒng)型光纖一維位移(wiy)傳感器探頭 光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第9頁(yè)/共220頁(yè)第十頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.5 補(bǔ)償式光纖一維位移(wiy)傳感器探頭1）壓力(yl)的檢測(cè)（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第10頁(yè)/共220頁(yè)第十一頁(yè)，共220頁(yè)。利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移(wiy)信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。下圖為簡(jiǎn)單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，

6、使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。圖2.6 膜片反射式光纖壓力(yl)傳感器示意圖光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第11頁(yè)/共220頁(yè)第十二頁(yè)，共220頁(yè)。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不同的膜片尺寸(ch cun)。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度(y0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為 pEtRy34216)1 (3（2-6）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第12頁(yè)/共220頁(yè)第十三頁(yè)，共220頁(yè)。式

7、中，R膜片有效(yuxio)半徑；T膜片厚度(hud)；P外加壓力；E膜片材料的彈性模量；膜片的泊松比。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第13頁(yè)/共220頁(yè)第十四頁(yè)，共220頁(yè)。傳感器的固有頻率( yu pn l)可表示為 （2-7）pgERtfr)1(356.222式中, 膜片材料(cilio)的密度； g重力加速度。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第14頁(yè)/共220頁(yè)第十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhn

8、gdin)建設(shè)示范性專業(yè)第15頁(yè)/共220頁(yè)第十六頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第16頁(yè)/共220頁(yè)第十七頁(yè)，共220頁(yè)。兩束輸出(shch)光的光強(qiáng)之比為ApApII1112（2-8）式中，A與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)(yugun)的常數(shù)；p待測(cè)量壓力?？梢?，輸出光強(qiáng)比I2I1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。（2-9）ApII2ln12光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第17頁(yè)/共220頁(yè)第十八頁(yè)，共220頁(yè)。這表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系

9、。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(tnggu)減法器即可得到線性的輸出。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第18頁(yè)/共220頁(yè)第十九頁(yè)，共220頁(yè)。2）液位的檢測(cè)(jin c)技術(shù)（1）球面(qimin)光纖液位傳感器光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向(do xin)探測(cè)器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率。被測(cè)介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大。因此,該傳感器可用于液位報(bào)警。若以探頭在空氣中時(shí)的反射光強(qiáng)度為基準(zhǔn)

10、，則當(dāng)接觸水時(shí)反射光強(qiáng)變化6dB7dB,接觸油時(shí)變化25dB30dB。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第19頁(yè)/共220頁(yè)第二十頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.8 球面(qimin)光纖液位傳感器檢測(cè)原理（2）斜端面(dunmin)光纖液位傳感器下圖為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu)(jigu)。同樣，當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時(shí)，反射光強(qiáng)度差約在20dB以上。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第20頁(yè)/共220頁(yè)第二十一頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.9 斜面(ximin)反射式光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)（3）單光纖液

11、位傳感器光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第21頁(yè)/共220頁(yè)第二十二頁(yè)，共220頁(yè)。 光纖 耦合器 圖2.10 單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)(jigu)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第22頁(yè)/共220頁(yè)第二十三頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第23頁(yè)/共220頁(yè)第二十四頁(yè)，共220頁(yè)。3）楊氏模量測(cè)量(cling)對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng),截面為S的金屬絲,沿長(zhǎng)度方向?qū)λ┮粤,此時(shí)金屬絲將伸長(zhǎng)L.由胡克定律(h k dn l)可知,物體在彈性限度內(nèi),應(yīng)力與應(yīng)變成正

12、比,其數(shù)學(xué)表示為光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第24頁(yè)/共220頁(yè)第二十五頁(yè)，共220頁(yè)。LLESF（2-10）為測(cè)得已知加載情況下金屬絲的微小伸長(zhǎng)L，我們使用光纖一維位移(wiy)傳感器，對(duì)這一微小伸長(zhǎng)量進(jìn)行了測(cè)量。楊氏模量測(cè)量原理如圖2.12所示。圖2.12 楊氏模量測(cè)量(cling)原理圖光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第25頁(yè)/共220頁(yè)第二十六頁(yè)，共220頁(yè)。（2-11）),()(00 xdKRfKIxI式中，I0光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀的光源注入光源光纖的光強(qiáng)； K光源光纖的本征損耗(snho)系數(shù)； K0反射接收光纖的本征損耗(snho)系數(shù)；

13、 R反射器的反射系數(shù)；光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第26頁(yè)/共220頁(yè)第二十七頁(yè)，共220頁(yè)。D兩光纖的間距(jin j)； f(d,x）光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀探頭的特性調(diào)制函數(shù)。理論(lln)上f(d,x）由下式（2-12）給出)2(exp)2(),(22220 xRdxRaxdf)/(1 )(2300axaxR（2-12）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第27頁(yè)/共220頁(yè)第二十八頁(yè)，共220頁(yè)。4）固體(gt)熱膨脹系數(shù)測(cè)量tLL原長(zhǎng)度為L(zhǎng)的固體受熱后,其相對(duì)伸長(zhǎng)(shn chn)量正比于溫度的變化，即（2-13）光纖傳感器及應(yīng)用光

14、電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第28頁(yè)/共220頁(yè)第二十九頁(yè)，共220頁(yè)。下圖2.13為固體熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)測(cè)量裝置示意圖：圖2.13 測(cè)量(cling)裝置示意圖 光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第29頁(yè)/共220頁(yè)第三十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第30頁(yè)/共220頁(yè)第三十一頁(yè)，共220頁(yè)。5）其他(qt)方面應(yīng)用光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第31頁(yè)/共220頁(yè)第三十二頁(yè)，共220頁(yè)。5、相關(guān)(xinggun)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)以武漢

15、發(fā)博科技有限公司生產(chǎn)的“光纖一維位移實(shí)驗(yàn)(shyn)儀（FBKJ-CG-WY1）”為例，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)(shyn)實(shí)訓(xùn)。a.按照?qǐng)D2.14安裝光纖傳感器，把輸入(shr)光纖、輸出光纖分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上，把光纖傳感器探頭安裝在光纖卡架上。 實(shí)驗(yàn)操作（1）光路與機(jī)械系統(tǒng)組裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第32頁(yè)/共220頁(yè)第三十三頁(yè)，共220頁(yè)。 光源 探測(cè)器 圖2.14 光纖傳感器安裝(nzhung)示意圖b.將發(fā)射(fsh)和接收部分用導(dǎo)線按顏色對(duì)應(yīng)接入電路，探測(cè)器輸出信號(hào)處理電路不接調(diào)零電路，輸出端U0接入電路板上電壓表。光纖傳感器及

16、應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第33頁(yè)/共220頁(yè)第三十四頁(yè)，共220頁(yè)。c.調(diào)節(jié)光纖傳感器探頭，使探頭與反射面接觸。 d.選擇(xunz)智能可調(diào)檔位200mv或者2v檔位。 e.打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微絲桿使光纖傳感器離開反射面，觀察電壓表顯示變化，并分析。 f.關(guān)閉電源。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第34頁(yè)/共220頁(yè)第三十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第35頁(yè)/共220頁(yè)第三十六頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)

17、(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第36頁(yè)/共220頁(yè)第三十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第37頁(yè)/共220頁(yè)第三十八頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第38頁(yè)/共220頁(yè)第三十九頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第39頁(yè)/共220頁(yè)第四十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第40頁(yè)/共22

18、0頁(yè)第四十一頁(yè)，共220頁(yè)。X(mm)00.05 0.10 0.150.204.0U(mv)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第41頁(yè)/共220頁(yè)第四十二頁(yè)，共220頁(yè)。(7)利用反射式光纖位移(wiy)傳感器測(cè)量出光強(qiáng)隨位移(wiy)變化的函數(shù)關(guān)系 a.按照?qǐng)D2.14安裝光纖傳感器，把輸入光纖、輸出光纖分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上，把光纖傳感器探頭安裝在光纖卡架上。b.將發(fā)射和接收部分用導(dǎo)線按顏色對(duì)應(yīng)接入電路，探測(cè)器輸出信號(hào)處理電路接調(diào)零電路，輸出端U0接入電壓表。 c.調(diào)節(jié)光纖傳感器探頭，使探頭與反射面接觸。 d.打開電源開關(guān)，

19、選擇智能可調(diào)200mv或者2v檔位，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電壓表讀數(shù)為零。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第42頁(yè)/共220頁(yè)第四十三頁(yè)，共220頁(yè)。e.調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微絲桿使光纖傳感器離開(l ki)反射面，每隔0.01mm/0.02mm讀出電壓表讀數(shù)，將其填入表2-2、表2-3。位移與電壓(diny)記錄在表2-1中。表2-2X（mm） 00.010.020.030.044.0U(V)表2-3X（mm）00.020.040.060.084.0U(V)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第43頁(yè)/共220頁(yè)第四十四頁(yè)，共2

20、20頁(yè)。(8)改變反射面后I-X圖像對(duì)比(dub)實(shí)驗(yàn)及分析a.用普通平面反射鏡代替原來反射器。b.重復(fù)(6)中步驟。c.比較(7)和(8)中的2條曲線，分析其共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，給出原因。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第44頁(yè)/共220頁(yè)第四十五頁(yè)，共220頁(yè)。d.比較(6)和(8)中的2條曲線，分析(fnx)其共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，給出原因。 e.關(guān)閉電源。(9)實(shí)驗(yàn)誤差測(cè)量分析 a.讓反射器端面與光纖傳感器探頭端面不平行。 b.重復(fù)(6)中步驟(bzhu)。 c.比較(6)和(9)中的2條曲線，分析其共同點(diǎn)與不同點(diǎn)，給出誤差分析。 d.關(guān)閉電源。光纖傳感器及

21、應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第45頁(yè)/共220頁(yè)第四十六頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第46頁(yè)/共220頁(yè)第四十七頁(yè)，共220頁(yè)。任務(wù)(rn wu)二 光纖煙霧傳感器二、學(xué)習(xí)(xux)內(nèi)容1、光纖煙霧傳感器簡(jiǎn)單介紹光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第47頁(yè)/共220頁(yè)第四十八頁(yè)，共220頁(yè)。光纖煙霧傳感器通過2種方式來判斷有無煙霧以及煙霧濃度。一種方式是：反射式強(qiáng)度調(diào)制方式來感應(yīng)有無煙霧以及煙霧濃度，發(fā)射光纖和接收光纖采用準(zhǔn)共路方式，當(dāng)煙霧遇到(y do)反射光時(shí)引起接收光纖的光

22、強(qiáng)變化進(jìn)而對(duì)煙霧有無及濃度進(jìn)行判斷。另外一種方式是：采用對(duì)射式光纖傳感器，當(dāng)煙霧遇到(y do)透射光時(shí)引起接收光纖的光強(qiáng)變化進(jìn)而對(duì)煙霧有無及濃度進(jìn)行判斷。它屬于非功能型光纖傳感器。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第48頁(yè)/共220頁(yè)第四十九頁(yè)，共220頁(yè)。2、光纖煙霧(ynw)傳感器基本原理分析光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第49頁(yè)/共220頁(yè)第五十頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.15中，設(shè)為光源(gungyun)種類及光源(gungyun)跟光纖耦合情況有光的調(diào)制參數(shù)，為煙霧吸收光強(qiáng)系數(shù)，為煙霧散射光強(qiáng)系

23、數(shù)，c為煙霧濃度則有:zcztgazrRtgazIRzIccexp)/(1exp)(1)(22/32222300（2-14）其中(qzhng)c為光纖最大孔徑角光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第50頁(yè)/共220頁(yè)第五十一頁(yè)，共220頁(yè)。 zczaRRIzIexpexp2200（2-15）其中(qzhng)：再對(duì)上式（2-15）展開(zhn ki)忽略高階項(xiàng)，近似得到：zRc2tan（2-16） ctgzRaIzIc230204由上式（2-16）知道：z一定時(shí)，增大時(shí)，靈敏度增大；煙霧濃度(nngd)c增大，靈敏度增大；散射光強(qiáng)系數(shù)增大，靈敏度增大。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技

24、術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第51頁(yè)/共220頁(yè)第五十二頁(yè)，共220頁(yè)。實(shí)驗(yàn)(shyn)得到I(z)與z、c、關(guān)系如圖2.16所示：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第52頁(yè)/共220頁(yè)第五十三頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第53頁(yè)/共220頁(yè)第五十四頁(yè)，共220頁(yè)。發(fā)射光纖（輸入光纖）輸出(shch)的光強(qiáng)為高斯函數(shù)，當(dāng)兩光纖共軸時(shí)，接收光纖接收到的光強(qiáng)I與其縱向移動(dòng)間距z近似為線性關(guān)系，當(dāng)有煙霧作用時(shí)，接收光纖接收到的光強(qiáng)為:zczztgaIzIcexp)(2220（2-17）光纖傳感器及應(yīng)用(y

25、ngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第54頁(yè)/共220頁(yè)第五十五頁(yè)，共220頁(yè)。 cztgaIzIc3220（2-18）由上式（2-18）知道：z一定時(shí)，增大時(shí)，靈敏度增大；煙霧濃度c增大，靈敏度增大；散射光強(qiáng)系數(shù)增大，靈敏度增大。一般(ybn)吸收光強(qiáng)系數(shù)為定值，當(dāng)y煙霧濃度c增大時(shí)，散射光強(qiáng)系數(shù)也增大.光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第55頁(yè)/共220頁(yè)第五十六頁(yè)，共220頁(yè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的縱向移動(dòng)時(shí)接收(jishu)光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)得到I(z)與z、c、關(guān)系如圖2.18所示：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示

26、范性專業(yè)第56頁(yè)/共220頁(yè)第五十七頁(yè)，共220頁(yè)。3、光纖煙霧傳感器探頭設(shè)計(jì)(shj)與擴(kuò)展反射式光纖煙霧(ynw)傳感器探頭圖2.19 反射式光纖煙霧(ynw)傳感器探頭光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第57頁(yè)/共220頁(yè)第五十八頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.20 對(duì)射式光纖煙霧(ynw)傳感器探頭對(duì)射式光纖煙霧(ynw)傳感器探頭光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第58頁(yè)/共220頁(yè)第五十九頁(yè)，共220頁(yè)。4、光纖煙霧(ynw)傳感器應(yīng)用在車內(nèi)空氣凈化方面(fngmin)的應(yīng)用圖2.21為空氣凈化器的煙霧進(jìn)口示意簡(jiǎn)圖，通過細(xì)逢的空氣可以自

27、由地流入凈化器內(nèi)部。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第59頁(yè)/共220頁(yè)第六十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第60頁(yè)/共220頁(yè)第六十一頁(yè)，共220頁(yè)。5、相關(guān)實(shí)驗(yàn)(shyn)實(shí)訓(xùn)以武漢發(fā)博科技有限公司生產(chǎn)的“光纖煙霧傳感實(shí)驗(yàn)(shyn)儀（FBKJ-CG-YW）”為例，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)(shyn)實(shí)訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)(shyn)操作參照任務(wù)一 光纖一維位移實(shí)驗(yàn)(shyn)儀光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第61頁(yè)/共220頁(yè)第六十二頁(yè)，共220頁(yè)。任務(wù)(rn wu)三 光纖

28、二維位移傳感器掌握相關(guān)(xinggun)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)了解光纖二維位移傳感器的相關(guān)應(yīng)用掌握光纖二維位移傳感器探頭的設(shè)計(jì)與制作掌握光纖二維位移傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成掌握光纖二維位移傳感器原理光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第62頁(yè)/共220頁(yè)第六十三頁(yè)，共220頁(yè)。二、學(xué)習(xí)內(nèi)容1、光纖二維位移傳感器簡(jiǎn)單介紹光纖二維位移傳感器通過輸出（接收）光纖在移動(dòng)中測(cè)量輸入光纖輸出光強(qiáng)變化(binhu)進(jìn)而測(cè)量輸出（接收）光纖產(chǎn)生的二維位移，測(cè)量精度高，屬于非功能型光纖傳感器。2、光纖二維位移傳感器基本原理分析接收光纖橫向移動(dòng)時(shí)的I-x圖像在圖2.22中，當(dāng)移動(dòng)接收光纖時(shí)，其接收到的光強(qiáng)大小不一樣

29、，當(dāng)兩根光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)時(shí)，接受光纖接收到的光強(qiáng)最強(qiáng)；光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第63頁(yè)/共220頁(yè)第六十四頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第64頁(yè)/共220頁(yè)第六十五頁(yè)，共220頁(yè)。發(fā)射光纖（輸入光纖）輸出的光強(qiáng)為高斯函數(shù)，近距離可以處理為圓錐狀，則接收光纖橫向移動(dòng)中接收光強(qiáng)I與其(yq)移動(dòng)的位移x關(guān)系圖為：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第65頁(yè)/共220頁(yè)第六十六頁(yè)，共22

30、0頁(yè)。由圖2.23看出，在測(cè)量微小距離時(shí)，左右兩側(cè)近似為線性函數(shù)，在MATLAB中模擬出圖像(t xin)左右兩側(cè)的線性函數(shù)，則測(cè)出電壓就能知道接收光纖移動(dòng)的位移大小。接收光纖縱向(zn xin)移動(dòng)時(shí)的I-x圖像在圖2.24中，當(dāng)移動(dòng)接收光纖時(shí)，其接收到的光強(qiáng)大小不一樣(yyng)，當(dāng)兩根光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)時(shí)并且緊緊靠在一起時(shí)接受光纖接收到的光強(qiáng)最強(qiáng)；兩光纖間距越大，發(fā)射光纖發(fā)射出來的光斑面積越大，單位面積上的接收到的光強(qiáng)越弱；即兩光纖間距越大，接收光纖接收到的光強(qiáng)越小。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第66頁(yè)/共220頁(yè)第六十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng

31、)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第67頁(yè)/共220頁(yè)第六十八頁(yè)，共220頁(yè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的縱向(zn xin)移動(dòng)時(shí)接收光強(qiáng)I-z圖像如圖2.25所示。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第68頁(yè)/共220頁(yè)第六十九頁(yè)，共220頁(yè)。在反射式位移測(cè)量中，采用光路準(zhǔn)共路原理，接收光纖接收到發(fā)射光纖發(fā)出去的光遇到反射面后反射回來的光強(qiáng)變化(binhu)，得到I-x關(guān)系圖如圖2.26所示：反射式位移(wiy)的測(cè)量I(x)x圖2.26 反射式I-x圖像(t xin)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第69頁(yè)

32、/共220頁(yè)第七十頁(yè)，共220頁(yè)。3、光纖二維位移傳感器探頭(tn tu)設(shè)計(jì)與擴(kuò)展圖2.27 對(duì)射式光纖二維傳感器探頭(tn tu)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第70頁(yè)/共220頁(yè)第七十一頁(yè)，共220頁(yè)。4、光纖二維位移(wiy)傳感器應(yīng)用細(xì)小(xxio)物體的探測(cè) 高溫-帶金屬螺旋管的光纖傳感器應(yīng)用范圍的溫度可至290C，帶金屬硅外殼的光纖傳感器應(yīng)用范圍的溫度可至150C?；瘜W(xué)要求金屬硅外殼的光纖傳感器具有很強(qiáng)的耐化學(xué)物品腐蝕性。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第71頁(yè)/共220頁(yè)第七十二頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.28 細(xì)小(xxio)物體探測(cè)

33、光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第72頁(yè)/共220頁(yè)第七十三頁(yè)，共220頁(yè)。5、相關(guān)(xinggun)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)（1）光路與機(jī)械系統(tǒng)組裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)a.按照?qǐng)D2.29把對(duì)射式光纖傳感器安裝在光纖支架上，發(fā)射光纖、接收光纖分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第73頁(yè)/共220頁(yè)第七十四頁(yè)，共220頁(yè)。 光源 探測(cè)器 光纖支架 螺旋測(cè)微 絲桿 2 螺旋測(cè)微 絲桿 1 圖 2.29 光路機(jī)械組裝調(diào)試圖 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第74

34、頁(yè)/共220頁(yè)第七十五頁(yè)，共220頁(yè)。c.打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)測(cè)螺旋(luxun)測(cè)微絲桿2使得接收光纖移動(dòng)，觀察電壓表顯示變化，并分析。d.關(guān)閉電源。（2）發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)(q dn)實(shí)驗(yàn)a. 按照?qǐng)D2.29把對(duì)射式光纖傳感器安裝在光纖支架上，發(fā)射光纖、接收光纖分別插入實(shí)驗(yàn)(shyn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。 b.僅僅把發(fā)射部分用導(dǎo)線按顏色對(duì)應(yīng)接入電路。c.打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)測(cè)螺旋測(cè)微絲桿2使得接收光纖移動(dòng)，觀察電壓表顯示變化，并分析。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第75頁(yè)/共220頁(yè)第七十六頁(yè)，共220頁(yè)。d.關(guān)閉電源。（3）光電探測(cè)器PD接收(jishu)實(shí)

35、驗(yàn)a.按照?qǐng)D2.29把對(duì)射式光纖傳感器安裝在光纖支架上，發(fā)射光纖、接收光纖分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。b.僅僅把接收部分用導(dǎo)線按顏色對(duì)應(yīng)接入電路。c.打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)測(cè)螺旋測(cè)微絲桿2使得接收光纖移動(dòng)(ydng)，觀察電壓表顯示變化，并分析。d.關(guān)閉電源。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第76頁(yè)/共220頁(yè)第七十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第77頁(yè)/共220頁(yè)第七十八頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示

36、范性專業(yè)第78頁(yè)/共220頁(yè)第七十九頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第79頁(yè)/共220頁(yè)第八十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第80頁(yè)/共220頁(yè)第八十一頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第81頁(yè)/共220頁(yè)第八十二頁(yè)，共220頁(yè)。e.調(diào)節(jié)測(cè)螺旋(luxun)測(cè)微絲桿2使接收光纖移動(dòng)，每隔0.05mm觀察電壓表讀數(shù)變化，把位移與電壓記錄在表2-4中。X（mm）00.050.100.150.204.0U(V

37、)表2-4光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第82頁(yè)/共220頁(yè)第八十三頁(yè)，共220頁(yè)。（8）改變每次橫向移動(dòng)接收光纖位移大小后I-X圖像對(duì)比(dub)實(shí)驗(yàn)及分析 a.在表2-4中每次移動(dòng)位移改為0.02mm。 b.重復(fù)（7）步驟。表2-5X（mm） 00.020.040.060.0810U(V)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第83頁(yè)/共220頁(yè)第八十四頁(yè)，共220頁(yè)。（10）縱向位移驗(yàn)證(ynzhng)實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證(ynzhng)格式如下表2-6：表2-6 光纖縱向(zn xin)位移驗(yàn)證x=0時(shí)的千分尺初始讀數(shù)驗(yàn)證曲

38、線時(shí)的電壓與U對(duì)應(yīng)的千分尺讀數(shù)與U對(duì)應(yīng)的位移位移計(jì)算值位移絕對(duì)值誤差x0UxUX=x0-xUx=(y-b)/kx=x-x光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第84頁(yè)/共220頁(yè)第八十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第85頁(yè)/共220頁(yè)第八十六頁(yè)，共220頁(yè)。 光源 探測(cè)器 圖 2.30 反射式光纖傳感器安裝示意圖 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第86頁(yè)/共220頁(yè)第八十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技

39、術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第87頁(yè)/共220頁(yè)第八十八頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第88頁(yè)/共220頁(yè)第八十九頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第89頁(yè)/共220頁(yè)第九十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第90頁(yè)/共220頁(yè)第九十一頁(yè)，共220頁(yè)。12arcsinnnc（2-24）其中：n1是纖芯折射率，n2是包層折射率，若光源發(fā)出的光經(jīng)空氣(kn

40、gq)后耦合到光纖中，那么滿足光纖中全反射條件的光的最大入射角c滿足：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第91頁(yè)/共220頁(yè)第九十二頁(yè)，共220頁(yè)。22211)2sin(sinnnncc（2-25）定義光纖的最大理論數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑表示光纖的集光能力(nngl)大?。?12221maxnnnNA（2-26）式中： ,對(duì)于(duy)梯度光纖，n是光纖軸心處折射率，n是包層折射率。121nnn光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第92頁(yè)/共220頁(yè)第九十三頁(yè)，共220頁(yè)。光斑(gungbn)法測(cè)量數(shù)值孔徑 z 光纖出光端 c

41、 c 圖 2.31 光斑法原理 R 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第93頁(yè)/共220頁(yè)第九十四頁(yè)，共220頁(yè)。則有：zRtgc/（2-27）cNAsin數(shù)值孔徑為：（2-28）遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度(qingd)發(fā)測(cè)量光纖數(shù)值孔徑光纖數(shù)值孔徑的另一種定義是遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度法定義的有效數(shù)值孔徑NAeff。NAeff是通過測(cè)量光纖遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布來確定的。它被定義為光纖遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)輻射(fsh)圖上光強(qiáng)值下降到最大值的5處半張角的正弦值，CCITT規(guī)定的就是這種光纖數(shù)值孔徑，如圖2.32所示：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第94頁(yè)/共220頁(yè)第九十

42、五頁(yè)，共220頁(yè)。 z P d d 5% 5% x2 光纖端 c c 圖 2.32 遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度法原理 x1 圖2.32中數(shù)值孔徑NA為：4/2/sin21221222xxzxxdzdNAc（2-29）式中：z為入射（發(fā)射光纖端面和接收(jishu)（輸出）光纖端面對(duì)芯時(shí)的兩光纖端面間的距離；光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第95頁(yè)/共220頁(yè)第九十六頁(yè)，共220頁(yè)。 22expcbxaxI其中(qzhng)： ，a、b、c均為常數(shù)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第96頁(yè)/共220頁(yè)第九十七頁(yè)，共220頁(yè)。3、

43、光纖數(shù)值孔徑傳感探頭(tn tu)設(shè)計(jì)與擴(kuò)展圖2.34 對(duì)射式光纖傳感器探頭(tn tu) 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第97頁(yè)/共220頁(yè)第九十八頁(yè)，共220頁(yè)。4、光纖數(shù)值孔徑傳感儀應(yīng)用光纖數(shù)值孔徑測(cè)量的一種新方法。5、相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)以武漢發(fā)博科技有限公司生產(chǎn)的“光纖數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)儀（FBKJ-CG-NA）為例，進(jìn)行以下(yxi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)。實(shí)驗(yàn)操作參照任務(wù)三 光纖二維位移實(shí)驗(yàn)儀光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第98頁(yè)/共220頁(yè)第九十九頁(yè)，共220頁(yè)。掌握(zhngw)相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)了解光纖微彎傳感

44、器的相關(guān)(xinggun)應(yīng)用掌握光纖微彎傳感器探頭的設(shè)計(jì)與制作掌握光纖微彎傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成掌握光纖微彎傳感器原理一、學(xué)習(xí)目標(biāo)光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第99頁(yè)/共220頁(yè)第一百頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第100頁(yè)/共220頁(yè)第一百零一頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第101頁(yè)/共220頁(yè)第一百零二頁(yè)，共220頁(yè)。在光纖微彎傳感器中，微彎處一般彎曲(wnq)成正弦狀，設(shè)微彎部分的空間周期為，振幅為A，如圖2.35所示：光纖傳感器及應(yīng)

45、用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第102頁(yè)/共220頁(yè)第一百零三頁(yè)，共220頁(yè)。當(dāng)有外界因素作用(zuyng)在微彎板上時(shí)，使得光纖產(chǎn)生微小型變，光纖進(jìn)而產(chǎn)生微彎損耗，微彎損耗大小和空間周期、振幅、光纖種類、光纖彎曲形變大小等等都有關(guān)系?？臻g(kngjin)周期如果光纖中兩個(gè)模式的傳播常數(shù)分別為1、2， 理論(lln)研究表明，光纖微彎板的空間周期滿足：221（2-30）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第103頁(yè)/共220頁(yè)第一百零四頁(yè)，共220頁(yè)。202202 nnna（2-31）另外，對(duì)于拋物線折射率分布光纖而言，傳播常數(shù)、相

46、對(duì)(xingdu)折射率、芯半徑a之間關(guān)系為：a2（2-32）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第104頁(yè)/共220頁(yè)第一百零五頁(yè)，共220頁(yè)。22apc（2-33）對(duì)于階躍型光纖而言，n1(n2)分別表示(biosh)距離光纖纖芯、包層處的折射率，相對(duì)折射率為： 2122212 nnn（2-34）另外，對(duì)于階躍型折射率分布(fnb)光纖而言，傳播常數(shù)、相對(duì)折射率、芯半徑a之間關(guān)系為：光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第105頁(yè)/共220頁(yè)第一百零六頁(yè)，共220頁(yè)。（2-35）（2-36）微彎傳感器特性(txng)測(cè)試原理圖2.36 微彎

47、傳感器特性測(cè)試(csh)原理及曲線圖光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第106頁(yè)/共220頁(yè)第一百零七頁(yè)，共220頁(yè)。（1）設(shè)施加于變形器的外界擾動(dòng)為E，相應(yīng)的施加于光纖的力為F，光纖的形變?yōu)閄，其相應(yīng)的變化量為X ，光纖的傳輸(chun sh)常數(shù)為T，其相應(yīng)的變化量為T ，則有EDXTT)(（2-37）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第107頁(yè)/共220頁(yè)第一百零八頁(yè)，共220頁(yè)。（2）若由施加(shji)于光纖的力F表示，則上式（2-38） 變?yōu)?)()(sssflYAKFXTT（2-38）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技

48、術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第108頁(yè)/共220頁(yè)第一百零九頁(yè)，共220頁(yè)。（3）變形器將外界(wiji)參量的改變E以F施加于傳感光纖上，即： F= EC其中，C為外界(wiji)擾動(dòng)的函數(shù)。（2-39）其中(qzhng)，P壓力的改變量。PlYAKAXTTsssfP1)(（2-40）PKAXTTfp1光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第109頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十頁(yè)，共220頁(yè)。（5）對(duì)應(yīng)(duyng)于溫度傳感，則式2-39可以化簡(jiǎn)為：（2-41）sslaXTT其中，a變形器的熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)； 溫度的改變量。22464)(bdAF，光纖微彎

49、傳感器靈敏度的討論（2-42）光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第110頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十一頁(yè)，共220頁(yè)。從式（2-42）可知(k zh)：光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第111頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十二頁(yè)，共220頁(yè)。3、光纖微彎傳感器探頭(tn tu)設(shè)計(jì)與擴(kuò)展微彎傳感器變形齒間距(jin j)設(shè)計(jì)：22210)()21 (2ggmMag（2-43）式中，相鄰模問的傳播常數(shù)差；a纖芯半徑(bnjng)；g折射率分布參數(shù)；包層與纖芯折射率差；M為模總數(shù)；m為模序數(shù)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第11

50、2頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十三頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.37 幾種(j zhn)不同周期微彎變形器c221)2(2ac（2-44）光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第113頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十四頁(yè)，共220頁(yè)。4、光纖微彎傳感器應(yīng)用(yngyng)光纖微彎壓力(yl)傳感器S光纖變形器FFD圖2.38 光纖微彎壓力(yl)傳感器 光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第114頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第115頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十六頁(yè)，共220頁(yè)。

51、圖2.39 光在光纖中傳輸(chun sh)原理圖微彎光纖水聲傳感器光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第116頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第117頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十八頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.41 微彎光纖水聽器結(jié)構(gòu)(jigu)原理圖 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第118頁(yè)/共220頁(yè)第一百一十九頁(yè)，共220頁(yè)。微彎光纖位移(wiy)傳感器圖2.42 微彎光纖位移(wiy)傳感器光纖傳感器及應(yīng)

52、用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第119頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第120頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十一頁(yè)，共220頁(yè)。（2）微彎位移(wiy)傳感器實(shí)驗(yàn)裝置光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第121頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十二頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第122頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十三頁(yè)，共220頁(yè)?；贠TDR用于工程(gngchng)監(jiān)測(cè)的光纖微彎應(yīng)變傳感器針對(duì)(zhndu)各種工程結(jié)構(gòu)應(yīng)

53、變場(chǎng)的各種應(yīng)變情況,設(shè)計(jì)出了能測(cè)量和監(jiān)測(cè)拉應(yīng)變,壓應(yīng)變和拉壓雙向應(yīng)變的微彎傳感系統(tǒng)。光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第123頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十四頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第124頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第125頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十六頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.45 OTDR波形(b xn)曲線在復(fù)合材料(f h ci lio)成型表征中的應(yīng)用光纖傳感器及應(yīng)用光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專

54、業(yè)第126頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖微彎型懸臂梁傳感器如圖2.47所示，設(shè)計(jì)(shj)一個(gè)拱型彈性膜片，在膜片上設(shè)計(jì)(shj)一對(duì)帶齒，構(gòu)成一個(gè)光纖微彎傳感器的變形裝置。拱型彈性膜片粘貼在懸臂梁上。當(dāng)懸臂梁發(fā)生彎曲時(shí)，帶動(dòng)這一對(duì)帶齒在光纖橫向上(垂直于光纖方向)的微小位移，致使光纖彎曲。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第127頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十八頁(yè)，共220頁(yè)。圖2.47 光纖微彎型懸臂梁傳感器用于編織復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)(jin c)編織復(fù)合材料的編織工藝具有較高的靈活性,通過改變編織角、軸向紗、徑向紗數(shù)目等工藝參數(shù)，光纖傳感器及應(yīng)

55、用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第128頁(yè)/共220頁(yè)第一百二十九頁(yè)，共220頁(yè)。將光纖同時(shí)編入材料中,可以形成許多內(nèi)部(nib)微彎結(jié)構(gòu),并使光纖產(chǎn)生微彎損耗，由此,可以將光纖微彎傳感器用于對(duì)編織復(fù)合材料內(nèi)部(nib)應(yīng)變、溫度、振動(dòng)以及成型工藝等進(jìn)行監(jiān)測(cè)-將光纖編入三維四向編織碳環(huán)氧復(fù)合材料試件中，構(gòu)成微彎傳感器。圖2.48 編制復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)(jin c)系統(tǒng)光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第129頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)

56、示范性專業(yè)第130頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十一頁(yè)，共220頁(yè)。實(shí)驗(yàn)操作（1）光路與機(jī)械系統(tǒng)組裝(z zhun)調(diào)試實(shí)驗(yàn)a. 按照?qǐng)D2.49把光纖微彎傳感器安裝在光纖微彎板上，發(fā)射端、接收端分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第131頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十二頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第132頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十三頁(yè)，共220頁(yè)。b.將發(fā)射和接收部分用導(dǎo)線按顏色對(duì)應(yīng)接入電路，探測(cè)器輸出(shch)信

57、號(hào)處理電路不接調(diào)零電路，輸出(shch)端U0接入電路板上電壓表。c.打開電源開關(guān)，用另外一塊微彎板放在光纖上面，施加壓力，觀察電壓表顯示變化，并分析。d.關(guān)閉電源。(2）發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)a.按照(nzho)圖2.49把光纖微彎傳感器安裝在光纖微彎板上，發(fā)射端、接收端分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。 光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第133頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十四頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第134頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十五頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)

58、光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)(zhuny)第135頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十六頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第136頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十七頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第137頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十八頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)(zhngdin)建設(shè)示范性專業(yè)第138頁(yè)/共220頁(yè)第一百三十九頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)(zhuny)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示

59、范性專業(yè)(zhuny)第139頁(yè)/共220頁(yè)第一百四十頁(yè)，共220頁(yè)。表2-7個(gè)數(shù)13579U(V)d根據(jù)表2-7結(jié)果，分析靈敏度高低(god)與空間周期個(gè)數(shù)關(guān)系，分析原因。e.關(guān)閉電源。(8）比較同一光纖在不同空間周期大小的靈敏度實(shí)驗(yàn)a.按照?qǐng)D2.49把100光纖微彎傳感器安裝(nzhung)在光纖微彎板上，發(fā)射端、接收端分別插入實(shí)驗(yàn)板上的光源座孔和探測(cè)器PD座孔上。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第140頁(yè)/共220頁(yè)第一百四十一頁(yè)，共220頁(yè)。大小1jc3jc5jcU(V)表2-8光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)(jsh)專業(yè)-國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)

60、示范性專業(yè)第141頁(yè)/共220頁(yè)第一百四十二頁(yè)，共220頁(yè)。光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第142頁(yè)/共220頁(yè)第一百四十三頁(yè)，共220頁(yè)。d.把光纖插入PD座孔，用另外一塊微彎板放在光纖上面，施加相同重力，觀察并記錄電壓表讀數(shù)變化(binhu)，填寫表2-9。e.換成16光纖微彎傳感器，重復(fù)ad步驟。f.換成100光纖微彎傳感器，重復(fù)ad步驟。g.根據(jù)表2-9，比較不同光纖微彎傳感器的靈敏度高低，分析原因。h.關(guān)閉電源光纖傳感器及應(yīng)用(yngyng)光電子技術(shù)專業(yè)-國(guó)家(guji)重點(diǎn)建設(shè)示范性專業(yè)第143頁(yè)/共220頁(yè)第一百四十四頁(yè)，共2