光纖傳感技術(shù)

1、關(guān)于光纖傳感技術(shù)第一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 光導(dǎo)纖維傳感器（簡稱光纖傳感器）是20世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。 與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)： 1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 2.可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕。第二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成 中心纖芯； 外層包層； 護(hù)套尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（ n1 n2 ）

2、。第一節(jié) 光纖的結(jié)構(gòu)與傳光原理（一）光纖的結(jié)構(gòu)單模：8 10m多模：大于50m包層玻璃纖維尼龍外層涂敷層纖芯外層直徑1mm一、結(jié)構(gòu)和種類第三張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月階躍折射率光纖階躍 剖面 n(r)a n2n1 r 纖 芯（二） 光纖的種類 光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種 。 右圖所示為階躍型光纖，纖芯的折射率n1分布均勻，不隨半徑變化。包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻?？墒抢w芯與包層之間折射率的變化呈階梯狀。在纖芯內(nèi)，中心光線沿光纖軸線傳播。通過軸線平面的不同方向入射的光線（子午光線）呈鋸齒形軌跡傳播。第四張，PPT

3、共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/20224漸變 剖面n(r)梯度折射率光纖 a n2 n1 r纖 芯右圖所示為梯度型光纖，纖芯的折射率n1不是常數(shù)，從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線規(guī)律逐漸減小。因此光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚。光線偏離中心軸線越遠(yuǎn)，則傳播路程越長。傳播的軌跡類似正弦波曲線。這種光纖又稱自聚焦光纖。右下圖所示為經(jīng)過軸線的子午光線傳播的軌跡。第五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/20225名詞解釋：子午光線 當(dāng)入射光線通過光纖軸線，且入射角1大于界面臨界角 時(shí)，光線將在柱體界面上不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線的軌跡始終在光

4、纖的主截面內(nèi)。這種光線稱為子午光線，包含子午光線的平面稱為子午面。 第六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/20226子午平面第七張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/20227 光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。多模光纖多用于非功能型（NF）光纖傳感器；單模光纖多用于功能型（FF）光纖傳感器。下面介紹模的概念第八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月模的概念在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射

5、和反射）中相位變化為2的整數(shù)倍，就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱為模。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直徑較粗（幾十微米以上）時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)（510微米），只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，后者為單模光纖。第九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月光進(jìn)入光學(xué)纖維后,多次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另一端.光學(xué)纖維:中央折射率大,表層折射率小的透明細(xì)玻璃絲.二、 光纖的傳光原理第十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202210圖7-3 （a） 光線入射角小于臨界角1折射率 n2折射率

6、 n121 c入射光全反射光當(dāng)繼續(xù)加大入射角1，（即1c)， 光不再產(chǎn)生折射，只有反射，形成光的全反射現(xiàn)象，如右圖所示。第十三張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月外反射：第十四張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202214入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射內(nèi)反射，全內(nèi)反射：第十五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202215圖7-4 光纖導(dǎo)光示意圖101ABCn0n2n1dD20階躍型多模光纖的傳光原理第十六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； 光線在光纖端面入射

7、角減小到某一角度 c時(shí)，光線全部反射。 只要c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。第十七張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月101ABCn0n2n1dD20由斯奈爾（Snell）定律：若滿足即就能產(chǎn)生全反射。可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。第十八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月入射角的最大值 為：將sinc定義為光導(dǎo)纖維的數(shù)值孔徑,用NA表示,則 第十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月NA意義討論： NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c張角之內(nèi)的入射光才能被光

8、纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。 一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA。第二十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2008-10-17第二十一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、傳光損耗在實(shí)際上，光纖傳光中，存在費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以及彎曲損耗等。下面簡要分析階躍型多模光纖的損耗。第二十二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202222當(dāng)n0 n1入射角小于臨界角時(shí)，在界面上將產(chǎn)生反射和折射光束。1折射率 n1折射率 n021

9、c），則光線在界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時(shí)，入射角將小于臨界角（1c）。此時(shí)，一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗。基于這一原理，研制成光纖微彎曲傳感器。第三十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202239光纖微彎曲位移（壓力）傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成。其中一塊是活動(dòng)板；另一塊是固定板。一根階躍多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對(duì)波形板之間通過。當(dāng)活動(dòng)板受到微擾（位移或壓力作用）時(shí)，光纖就會(huì)發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中再分配：一部分光從芯模（傳播模）耦合導(dǎo)包層模（輻射模）；另一部分光反

10、射回芯模。當(dāng)活動(dòng)板的位移或所加的壓力增加時(shí)，泄漏到包層的散射光隨之增大；相反，光纖芯模的輸出光強(qiáng)就減少。光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系如下圖所示。第四十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202240這樣光強(qiáng)受到了調(diào)制。通過檢測泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度，就能測出位移（或壓力）信號(hào)。光纖微彎曲傳感器，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)范圍寬，線性度較好，性能穩(wěn)定。第四十一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202241（二）臨界角光纖壓力傳感器臨界角光纖壓力傳感器也是光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。如右圖所示，在一根單模光纖的段部切割一個(gè)反射面。切割角剛小于臨界角。 臨界角

11、c由纖芯折射率n1和光纖端部介質(zhì)的折射率n3決定： 如果臨界角部接近45，那么就需要在端面再切割一個(gè)反射面。第四十二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202242入射光線在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于臨界角，一部分光折射入周圍介質(zhì)；另一部分則返回光纖。返回的反射光被分束器偏轉(zhuǎn)到光電探測器輸出。當(dāng)被測介質(zhì)的壓力（或溫度）變化時(shí)，將使纖芯的折射率n1和介質(zhì)的折射率n3發(fā)生不同程度的變化，引起臨界角發(fā)生改變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也就變化?；谶@一原理，有可能設(shè)計(jì)出一種微小探針壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)是靈敏度較低。然而頻率響應(yīng)高、尺寸小卻是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。第四十三張，PP

12、T共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202243三、偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器平面偏振光通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)。 光矢量旋轉(zhuǎn)角 :式中 V正常光折射率； L物質(zhì)中的光程； H磁場強(qiáng)度。(7-16)第四十四張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月法拉第磁光效應(yīng)磁場偏振光片磁光材料L檢偏片光源第四十五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將光纖繞在被測導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場為 P2 WP 探測器1探測器2I1I2

13、光源光纖I P1第四十六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202246 由前面二式可知，電流強(qiáng)度I與線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角度成正比。該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1可得偏轉(zhuǎn)角和第四十七張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202247由于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號(hào)。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器P1變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器1與探

14、測器2接收。探測器1與探測器2接收的光強(qiáng)信號(hào)分別為經(jīng)信號(hào)處理可得到偏振面的偏轉(zhuǎn)角 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1第四十八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202248 該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖I P1設(shè)：則：得：當(dāng)線偏振光旋轉(zhuǎn)角度很小時(shí)，有第四十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202249第三節(jié) 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器中主要是光強(qiáng)調(diào)制型。可分為傳輸光強(qiáng)調(diào)制型和反射光強(qiáng)調(diào)制型。一、傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器一般在兩根光纖（輸入光纖和輸出光

15、纖）之間配置機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件。敏感元件調(diào)制傳輸光強(qiáng)的方式有：改變輸入光纖和輸出光纖之間的相對(duì)位置、遮斷光路和吸收光能等。第五十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202250圖713受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖（固定）垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48x90（一）改變光纖相對(duì)位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器原理 受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器，是利用改變光纖軸相對(duì)位置對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的。 傳感器有兩根多模光纖：一根固定；另一根在壓力作用下可以垂直位移。如右圖所示。第五十一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月圖713受抑全內(nèi)反射光纖壓力傳感器的光纖輸出光纖（固

16、定）垂直位移輸入光纖n=1.48n=1.48x90 兩根光纖相對(duì)的端面被拋光，并與光纖軸線成一足夠大的角度，以便使光纖中傳播的所有模式的光產(chǎn)生全內(nèi)反射。 當(dāng)兩根光纖充分靠近（中間約有幾個(gè)波長距離的薄層空氣），一部分光將透射入空氣層，并進(jìn)入輸出光纖。這種現(xiàn)象稱為受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象。它類似于量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)”或“勢壘穿透”。第五十二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月輸出光纖（固定）垂直位移 當(dāng)一根光纖相對(duì)另一根固定光纖垂直位移距離x時(shí)，則兩根光纖端面之間的距離變化xsin。如左下圖所示。透射光強(qiáng)隨距離發(fā)生變化如右下圖所示。由曲線可知，光強(qiáng)變化與間隙距離的變化呈非線性關(guān)系。 x90 x輸

17、入光纖圖714 透射光強(qiáng)與光纖間隙距離的關(guān)系第五十三張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月因此在實(shí)際使用中，應(yīng)限制光纖的位置距離，使傳感器在變化距離較小的一段線性范圍內(nèi)，從曲線還可以看出，角越大，曲線的線性段斜率越大。所以為了使傳感器獲得較高的靈敏度，光纖端面的傾斜面（90）要切割得較小。第五十四張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/2022542008-10-24第五十五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202255（二）遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器原理在兩根大芯徑多模光纖之間放置一對(duì)線光柵。當(dāng)兩光柵相對(duì)平行移動(dòng)時(shí)，透射光強(qiáng)度發(fā)生變化。圖717 光柵調(diào)制

18、光強(qiáng)的原理圖第五十六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202256當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過部分和不透過部分重合，這時(shí)將沒有光透過光柵，輸出光強(qiáng)為零。 當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過和全透過部分重合，這時(shí)輸出光強(qiáng)為最大。 可見輸出光強(qiáng)將隨兩光柵的相對(duì)位移成周期性變化。假設(shè)兩個(gè)光柵的間距為5m、格子寬5m的柵元組成，則透射光強(qiáng)如下右圖所示。圖717 光柵調(diào)制光強(qiáng)的原理圖圖719 透射光相對(duì)強(qiáng)度與光柵相對(duì)位移的關(guān)系第五十七張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202257二、反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 反射式位移傳感器 ，其基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光通過光纖射

19、向被測物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，接收光強(qiáng)將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號(hào)處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（位移）。 探測器光源被測面?zhèn)鬏敼饫w接收光纖反射式位移傳感器第五十八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202258Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r 為了定量的說明接收光強(qiáng)變化與位移之間的關(guān)系，參考下圖。反射鏡面即被測物的移動(dòng)是與光纖探頭端面垂直的。反射鏡面在其背面距離d處形成輸入光纖的虛象。因此光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和接收光纖的耦合是等效的。0第五十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/2

20、0/202259Ra交疊面R= r+2dT假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義第六十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202260Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r 當(dāng)距離 時(shí)，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進(jìn)入接受光纖； 當(dāng)距離 時(shí)，兩光纖的光耦合隨距離的增大而加強(qiáng)； 當(dāng) 時(shí)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面。 當(dāng) 時(shí)，兩光纖的耦合反而減少。0第六十一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202261 反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如右圖所

21、示。 當(dāng)位移d相對(duì)光纖直徑r較小時(shí)（dr）時(shí)，則按x-2的規(guī)律變化。曲線在峰頂?shù)膬蓚?cè)有兩段近似線性的工作區(qū)域（AB段和CD段）。AB段的斜率比CD段的大，線性也較好。因此位移和壓力傳感器的工作范圍選擇在AB段，偏置工作點(diǎn)則設(shè)在AB段的中點(diǎn)M點(diǎn)。AB段的靈敏度和線性度較好，但測量范圍較小。CD段可以測量較大的范圍，偏置工作點(diǎn)設(shè)置在N點(diǎn)，但靈敏度較低。第六十二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202262 光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到廣泛的重視, 它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。第四節(jié) 光纖傳感器的應(yīng)用舉例第六十三張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于202

22、2年6月8/20/202263 光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。 它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí), 由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用, 從而使光纖被拉伸, 引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 一、 光纖加速度傳感器第六十四張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202264利用馬赫一澤德干涉儀的光纖加速度計(jì)第六十五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年

23、6月8/20/202265如右圖所示，在兩根光纖之間懸掛一塊質(zhì)量塊，光纖1牢固地固定在殼體上端蓋和質(zhì)量塊上；光纖2牢固地固定在質(zhì)量塊和傳感器底座上。安裝時(shí)光纖稍微繃緊。這兩根光纖分別被熔接在干涉儀的每一條臂上。光纖加速度傳感器工作原理的具體分析第六十六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202266當(dāng)傳感器受到垂直向上的加速度時(shí)，慣性力的作用將使光纖1的軸向應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，長度伸長L而光纖2的軸向應(yīng)變減弱，長度縮短L。這樣質(zhì)量塊加速所受力F為F2ST=ma式中 S為光纖的截面積； T為每根光纖上單位面積張力的變化量； m質(zhì)量塊質(zhì)量 a加速度式中的因子2是指兩根光纖。第六十七張，PPT

24、共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202267張應(yīng)力變化引起的光纖應(yīng)變由下式給出式中 E光纖材料的彈性模數(shù)。 當(dāng)光纖受應(yīng)變后，光速經(jīng)過長度為L光纖的傳播，光的相位將發(fā)生變化。其變化為：式724第六十八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202268 當(dāng)折射率n1所引起的作用很小時(shí)，可以忽略。這樣光纖中傳播光的相位移為 將代入上式，且因則得第六十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202269由上式可知，光相位的變化（兩根光纖則變化量加倍）與加速度成正比。利用光學(xué)干涉技術(shù)就可測出加速度。第七十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/20227

25、0在光纖加速度傳感器中，光纖起著支承質(zhì)量塊的彈簧的作用，因而質(zhì)量塊將會(huì)振動(dòng)，可以計(jì)算出其的振動(dòng)頻率。當(dāng)質(zhì)量塊沿光纖軸向位移距離x所需的彈簧力F為由此可得式中 k光纖的彈性常數(shù)； E光纖材料的彈性模量； S光纖的截面積； L光纖的長度第七十一張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202271由此可得質(zhì)量塊連在彈性常數(shù)為k的光纖上時(shí)，其諧振頻率為將代入上式，且因則可得第七十二張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202272左上圖為典型的光纖加速度傳感器的頻響特性?？梢钥闯?，光纖加速度傳感器的頻率響應(yīng)并不高，一般只能響應(yīng)幾百赫茲頻率的振動(dòng)。右上圖為光纖加速度傳感器對(duì)加速

26、度的響應(yīng)特性?？梢娋哂辛己玫木€性響應(yīng)。第七十三張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202273二、光纖磁場傳感器鎳、鐵、鈷等金屬結(jié)晶材料和鐵基非晶態(tài)金屬玻璃（FeSiB）具有很強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)。將單模光纖和磁致伸縮材料粘合在一起，沿磁場軸向放置。由于磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)，光纖被迫產(chǎn)生縱向應(yīng)變，使光纖的長度合折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中的傳播光產(chǎn)生相移。第七十四張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202274光纖磁場傳感器由三種結(jié)構(gòu)形式如上圖所示。a、在磁致伸縮材料的圓柱上卷繞光纖；b、在光纖表面上包上一層鎳護(hù)套或用電鍍方法鍍上一層約10m后的鎳或鎳合金金

27、屬層。c、用環(huán)氧樹脂將光纖粘貼在具有高磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃帶上。第七十五張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202275 相位調(diào)制光纖磁場傳感器的靈敏度極高，一種包鎳護(hù)套的光纖傳感器，當(dāng)光纖長1米時(shí)，可檢測到1.410-3A/m的磁場強(qiáng)度。如采用更強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃材料左護(hù)套，當(dāng)光纖長度為1千米時(shí)，預(yù)計(jì)可檢測小至410-9A/m的磁場。 光纖磁場傳感器的線性度也很好，如右圖所示為包鎳的光纖傳感器對(duì)于頻率為10kHz的交流磁場的響應(yīng)曲線。第七十六張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202276三、光纖流量傳感器在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，

28、當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),光纖就發(fā)生振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí),其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。 光源頻譜分析記錄探測器123451 夾具2 密封膠3 液體流管4 光纖5 張力載荷第七十七張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202277 當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí), 根據(jù)流體力學(xué)原理，在某些條件下，在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即 式中: v流速; d流體中物體的橫向尺寸大小; S斯特羅哈（Strouhal）數(shù), 它是一個(gè)無量

29、綱的常數(shù), 僅與雷諾數(shù)有關(guān)。 上式是旋渦流體流量計(jì)測量流量的基本理論依據(jù)。由此可見，流體流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。 第七十八張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202278光纖的振動(dòng)頻率與流體的流速和光纖的直徑有關(guān)。在光纖直徑不變時(shí)，近似正比于流速，如右圖所示。光纖中的相干光是通過外界擾動(dòng)（如振動(dòng)）來進(jìn)行相位調(diào)制的。在多模光纖中，由于眾多模式干涉的結(jié)果，在光纖射出端可以觀察到“亮”、“暗”無規(guī)則相間的斑圖。第七十九張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于2022年6月8/20/202279 如右圖所示，用一個(gè)小型光電探測器接受斑圖中的亮區(qū)，便可接受光纖振動(dòng)頻率的信號(hào)，經(jīng)過頻譜儀分析便可檢測出振蕩頻率，由此可計(jì)算液體的流速及流量。 光纖流量傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能在易爆、易燃的環(huán)境中安全可靠地工作。對(duì)于透明和不透明液體也能檢測。 但對(duì)于流速過小的流體，測量受到限制。第八十張，PPT共八十八頁，創(chuàng)作于20