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新型传感器第四章PPT
光纤传感器;光纤激光切割机 ;本章主要内容; 光纤传感器是最近几年出现的新技术,可以用来测量多种物理量,比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等,还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里,在强电磁干扰和高电压的环境里,光纤传感器都显示出了独特的能力。; 近年来,传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。;光纤温度传感器 ;
;按传感原理分为; 在这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,而且还利用光纤在外界物理量作用下,能够引起在光纤内传输的光的某些性质如光强、相位、偏振态等发生变化来实现传和感的功能。因此,光纤本身就是调制器,充当着对外界信息进行采集的单元。; 传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,因为光纤是连续的,可以少一些光耦合器件,但为了实现对外界物理量变化的感知,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加了传感器制造的难度。; 光纤传感器的组成部分包括光源、入射光纤、调制器、出射光纤和光敏器件,其中调制器是最重要的组成部分。实际上,研究光纤传感器原理就是定性或定量研究光在调制器内与外界被测物理量的相互作用,也就是光纤中的光束被外界物理量调制的原理。 ; 沿某一方向(如x方向)传播的光波可以用平面波的波动方程表示,即;光具有基本特性参量: ;波长λ:同样的光波,在不同折射率的介质中光的波长是不相等的。 ; 光波作为光纤传感器中的传输信号,受外界物理量的调制,从而反映出外界物理量的变化。外界物理量可能引起光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等特性发生变化,从而构成强度、波长、频率、相位或偏振态调制原理。; 光纤传感器的调制器可以是功能光纤传感器(FF)中的光纤本身(内部调制),也可以是非功能光纤传感器(NFF)中用某种材料制成的敏感元件(外部调制)。几乎所有的用于光纤传感器中的光敏器件只能探测光的强度,而光的其它性能如偏振态、频率、相位等的改变,必须通过适当的手段变换成光强度的变化之后才可以被光敏器件所探测。; 利用外界物理量改变光纤中光的强度,通过测量光强变化来测量外界物理量变化的原理称为强度调制。恒定光源发出的光束Iin注入调制区,在外力场Is的作用下,输出光束的光强度被调制,载有外界物理量信息的Iout的包络线与Is形状一样。光敏器件的输出电流(或电压)也作同样的调制。; 传输光纤可采用多模光纤,光源可采用输出稳定的LED或高强度白炽灯等非相干光源,光敏器件一般用光电二极管(PD)、PIN和光电池等。构成传感器探头的物理机理分为反射、透射、折射等。;模; 通常,纤芯直径较粗(几十微米以上)时,能传播几百个以上的模,而纤芯很细 (5微米—10微米)时,只能传播一个模。前者称为多模光纤,后者标为单模光纤。 ; 相位调制和干涉测量技术并用,构成相位调制的干涉型光纤传感器。相位调制的光纤传感器,其基本原理是通过被测物理量的作用,使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化,再用干涉技术把相位变化变换为振幅变化,从而还原所检测的物理量。; 干涉:频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开,这种现象叫做波的干涉现象。 ; 在光波的干涉测量中,参与工作的光波是两束或多束相干光。例如有光振幅分别为A1和A2的两束相干光束,如果其中一光束的相位由于某种因素的影响或调制,在干涉域中就会产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为 ; 实现干涉测量的仪器很多,通常采用的干涉仪主要有四种:迈克尔逊干涉仪、马赫—泽德干涉仪、塞格纳克干涉仪和法布里—珀罗干涉仪。; 在四种干涉仪中,以一个或两个3dB耦合器取代了分光器,光纤光程取代了空气光程,并且这些干涉仪中都是以光纤作为相位调制元件(传感器),被测物理量作用于光纤传感器,导致其光纤中光相位的变化。; 光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播,由于空气受环境温度变化的影响,引起空气的折射扰动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变化,从而引起干涉测量工作不稳定,以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪的光路,就可以排除上述影响,并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制,从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。;偏振态调制; 当偏振光通过某种透明介质时,偏振光的偏振态将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度,这种现象称为旋光效应,在磁场作用下的旋光效应称为法拉第效应。;克尔电光效应; 1875年
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