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光纖傳感器基礎知識

2009年12月02日 10:52 www.1cnz.cn 作者:佚名 用戶評論(0
道被測參數的變化;另一種是以激光器或發光二極管為光源,用光導纖維作為光傳輸通道,把光信號載送入或載送出敏感元件,再與其他相應敏感元件配合而構成傳感器。前者屬于物性型傳感器,后者屬于結構型傳感器。這兩種傳感器在自動測量系統中都有應用。
?? 發展背景??為了檢測和處理種類繁多的信息,需要用傳感器將被測量轉換成便于處理的輸出信號形式,并送往有關設備。在這個過程中采用光信號比電信號有很大的優越性。用光纖傳輸光信號,能量損失極小,而且光纖的化學性質穩定、橫截面小,同時又具有防噪聲、不受電磁干擾、無電火花、無短路負載和耐高溫等優點。因此70年代末光纖通信技術興起,光纖傳感器也獲得迅速發展。
?? 分類??光纖傳感器按照使用的光纖不同,通常分為多模光纖傳感器和單模光纖傳感器兩大類。光纖芯內折射率分布對傳輸頻帶寬度的影響很大。可以傳輸多種傳輸模的稱為多模光纖,傳輸頻帶寬度可達30兆赫至數百兆赫。芯子與包層極細的一種光導纖維(芯子與包層間折射率差值很小)只能傳輸一種傳輸模,稱為單膜光纖,傳輸頻帶寬度高達10吉赫。多模光纖傳感器又分為傳光型和光強調制型兩種,單模光纖傳感器則分為偏振調制型和相位調制型兩種。
?? ①??傳光型光纖傳感器??以多模光導纖維來傳輸光信號,根據光接受強度不同進行測量,而對被測參數起檢測作用的是其他敏感元件。這種傳感器多用于工業檢測液位、壓力、形變、溫度、流速、電流、磁場等。它的優點是性能穩定可靠,結構簡單,造價低廉,缺點是靈敏度低。圖1[ 光纖液位傳感器] 光纖液位傳感器為光纖液位傳感器的原理示意圖。
?? ②??光強調制型光纖傳感器??在壓力作用下光纖產生微彎變形導致光強度變化,從而引起光纖傳輸損耗的改變,并由吸收、發射或折射率變化來調制發射光,可制成微彎效應的光纖壓力傳感器(圖2[ 微彎效應光纖壓力傳感器] 微彎效應光纖壓力傳感器)。由于齒板的作用,在沿光纖光軸的垂直方向上加有壓力時,光纖產生微彎變形,光波導方式改變,傳輸損耗增加。這種傳感器具有較高的靈敏度。此外,利用光學編碼盤配合光纖可制成數字式光纖壓力傳感器。
?? ③??偏振調制型光纖傳感器??單模光導纖維的偏振特性極易受到外界各種物理量的影響,如在高電場下的克爾效應和在強磁場下的法拉第效應,利用這一原理可制成大電流、高電壓測試傳感器(圖3[ 偏振光面變化檢測原理圖] 偏振光面變化檢測原理圖)。
?? ④??相位調制型光纖傳感器??用單模光導纖維構成干涉儀,外界各種物理量的影響因素能導致光導纖維中光程的變化,從而引起干涉條紋的變動。圖4[ 干涉儀式光纖溫度傳感器] 干涉儀式光纖溫度傳感器為干涉儀式光纖溫度傳感器的結構原理。激光器的點光源光束擴散為平行波,經分光器分為兩路,一為基準光路,另一為測量光路。外界溫度(或壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相位的光相位變化,從而產生不同數量的干涉條紋,對它的模向移動進行計數,就可測量溫度或壓力等。這種傳感器的優點是有極高的靈敏度,主要用于光纖陀螺、光纖水聽器、動態壓力和應變測量、機械振動測量等方面圖5[光纖陀螺儀原理圖]為光纖陀螺儀的基本光學系統圖BS1、BS2是兩個半透鏡,激光透過BS1在BS2被分為兩路,各自通過聚光鏡分別沿著單模光導纖維環向左右兩個方向進行。當兩路光重新抵達BS2之后,便被導入同軸光路并在F1上產生干涉,然后求出環面在慣性空間的轉速。兩路光在BS1也被導入同軸光路,在F2產生的干涉也被用于計算轉速。光纖陀螺無可動部件,能精確測量該系統相對于慣性空間的旋轉速度,是一種高性能的慣性導航陀螺儀。??參考書目??
袁希光主編:《傳感器技術手冊》,國防工業出版社,北京,1986。

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