第8章光纤传感器应用.ppt

E 电致光吸收光纤电场传感器原理图 LED 光源 探测器 掺有杂质离子光纤 电吸收调制器原理 利用Franz-Keldysh效应效应，工作在调制器材料吸收区边界波长处。当调制器无偏压时，该波长处吸收最小，因而输出光功率最大，处于通状态，或者说输出“1”。随着调制器上电压的增加，调制器对输入光波的吸收边向长波长方向偏移，原来的波长处吸收系数变大，调制器成为断状态，输出功率最小，或者说输出“0 LED发光光谱 材料吸收率 E＝0 相对发光强度 吸收率 波长 E＝Emax 1 0 1 0 1 （2）基于压电效应光纤电场传感器 利用压电效应测量电场的光纤传感器，即采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方法。 在压电效应中，可以用高分子聚合物(如聚偏二氟乙烯－PVF2)作压电材料，高分子聚合物可作为光纤的包皮与光纤合为一体，只要这种形式的光纤足够长就可以解决耐高压与测量高压的问题。 PVF2 光纤 压电材料 光纤马赫—泽德尔电场传感器 3dB 3dB 耦合器 耦合器 测量臂 光源 PZT 压电材料 PVF2的灵敏度较大 波长为633nm时，PVF2 约有 4rad／(V·m)的相移，而普通 的压电陶瓷波长为633nm时，约有0.39rad／(V·m)的相移。 纯镍金属被覆光纤,最佳的偏置磁场H0=240A/m,据报道,这时镍被覆光纤磁致伸缩灵敏度已达到1.27×10-7 A/m2。镍被覆光纤可以有两种制作方法:一种是把经过退火的体状镍薄壁管粘接到芯径为80?m的单模光纤上。这种镍被覆光纤长度为10cm左右。 光纤 镍薄壁管 10cm 另一种是通过电子束蒸发的方法，使薄膜直接沉积在裸光纤上，其薄膜厚度在的范围内0.6~2?m。例如在80?m 芯径的光纤上可沉积1.5 ?m厚的镍被覆层。光纤沉积被覆层后要进行退火，消除磁场伸缩护层材料中的残余应变。 裸光纤 沉积镍薄膜 几种敏感元件的基本结构 光纤 被覆材料 a) 被覆式 b) 心轴式 磁致伸缩材料 光纤 磁致伸缩材料 光纤 c) 带式 1、金属被覆单模光纤电流传感器 这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤中光的相位，从而实现电流检测的。 若把被覆光纤作为马赫—泽德尔光纤干涉仪的测量臀，则被覆光纤由于温度升高，其长度和折射率发生变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。 8.2.3 光纤电流传感器 马赫—泽德尔干涉仪电流传感器原理 金属护套 光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化 光纤马赫—泽德尔电流传感器 3dB 3dB 耦合器 耦合器 测量臂 光源 PZT 金属护套 光源 参考臂 3dB 3dB 光纤马赫—泽德尔电流传感器 I0 耦合器 测量臂 信号处理器 PZT PZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT 上，使之工作在正交点，并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。 放大 （2）基于磁致伸缩效应光纤电流传感器 利用磁致伸缩材料被覆的单模保偏光纤作为马赫—泽德尔干涉仪的测量臂。当被测电流流过线圈时，将产生磁场并作用在磁致伸缩材料上，产生磁致伸缩效应，引起光纤发生形变，从而使干涉仪的两个臂的光相位差发生变化，通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。 传感器测量臂 光纤 磁致伸缩材料 电流源 光源 参考臂 3dB 3dB 金属被覆光纤马赫—泽德尔电流传感器 I0 耦合器 信号处理器 PZT PZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT 上，使之工作在正交点，并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。 放大 作为干涉腔的光纤缠绕在铁镍合金筒（磁致伸缩材料）上，使干涉腔光纤感测外加磁场，光波的相位受到调制。一个偏置磁场作用于传感头，并通过调整其参数使干涉仪工作在最佳的线性点。最后，检测到的电信号依次经过带通滤波器及放大电路，然后与依次经过光探测器及放大电路的参考电信号同时通过一个除法器电路，以减小了光路噪声和电路噪声的影响。由除法器电路输出一个电压信号，此电压信号与外加磁场的对应关系也相应的建立起来。 ? λB (3) 基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器 布拉格波长 光强 反射光谱 磁致伸缩材料 传感器头 螺线管内磁场 光纤光栅电流传感器结构 1 信号处理 环形器 宽光谱光源 波长测量 施加磁场改变光栅的周期，使其反射波长产生变化。 电流传感器结构 2 GMM--磁致伸缩材料 由于法拉第效应引起光纤Bragg光栅中左旋和右旋偏振光的光纤折射率的微弱变化。 (4) 基于法拉第效应光纤光栅的电流传感器 nR和nL表示光纤Bragg光栅中的右旋和左旋偏振光折射率。 信号处理 环形器 宽光谱光源 波长测量 施加磁场改变光折射率，使其反射波长产生变化。 调谐单元采用匹配参考光栅法，传感信