第4章光纤光栅传感器介绍.ppt

光纤传感器,光纤的传光原理,光纤传感器光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。,电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量,光纤的结构,光纤的传光原理,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.1光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.2光导纤维的主要参数,1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗,1.数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,2.光纤模式,按传输模式分为单模光纤和多模光纤。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小,3.传播损耗,损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响,传播损耗（单位为dB）,式中,l光纤长度；a单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.3光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.4光纤传感器的分类,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同,(1)光纤的传感器中的作用,功能型非功能型拾光型,(1)功能型传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。,(a)功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,(2)非功能型传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。,(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,(3)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,(c)拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器,(2)根据光受被测对象的调制形式,(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器,光调制技术,光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。,光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。,(1)强度调制光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。,(a)强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响,（b）偏振调制光纤传感器,利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡克尔斯效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。,（c）频率调制光纤传感器,被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。,（d）相位调制传感器,被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.5光纤传感器的特点,（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。,4.4光纤传感器,4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用,4.4.6光纤传感器的应用,强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。,光纤压力传感器,（1）采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,1Y形光纤2壳体3膜片,P与所加的压力呈线性关系,传感器的固有频率可表示为,式中,膜片材料的密度；g重力加速度。,结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。,差动式膜片反射型光纤压力传感器,1输出光纤2输入光纤3输出光纤4胶5膜片,两束输出光的光强之比,A常数；p待测量压力,输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关,将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到,表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。,光纤压力传感器利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成强度型光纤压力传感器。,图光弹性式光纤压力传感器1、7起偏器；2、81/4波长板；3、9光弹性元件；4、10检偏器；5光纤；6自聚焦透镜,光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。(P126),（b）光弹性式光纤压力传感器,光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜,光弹性式光纤压力传感器,在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度,（c）微弯式光纤压力传感,基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4、5光纤,微弯式光纤水听器探头,Endthe4.4,光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤耦合器,传输光纤,出射光纤,采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测,遮断型光纤光电开关,定位条形码检测,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,光栅传感器光源：,钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,什么是光栅？由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件,光栅栅距或光栅常数,什么是光栅,在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。a栅线的宽度b缝隙的宽度W光栅的栅距,W,条纹间距,W,条纹间距,光电元件,W,如何测量微小位移量？,光电元件,光电元件感受的光强变化是否明显？,莫尔现象演示,条纹位置方向不同,条纹运动方向不同,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,莫尔条纹形成原理,横向莫尔条纹的斜率,莫尔条纹间距,莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,莫尔条纹特性,1.莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2.当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。,3、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。4、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。,条纹间距大大增加,L=W/sin,分辨力=W=1/50=0.02mm=20m放大倍数1/=1/(1.83.14/180)31.83莫尔条纹的宽度L=W/0.637mm,例：一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？,莫尔条纹技术的特点,调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。,例：当,时,得,莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。,例如：设，接收元件为10 x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。,莫尔条纹技术的特点,光栅副：指示光栅主光栅,光电元件,包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,光栅的光路,透射光路反射光路,（1）透射式光路,1-光源2-准直透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件,此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。,（2）反射式光路,1反射主光栅2-指示光栅3-场镜4-反射镜5-聚光镜6-光源7-物镜8-光电电池。,该光路适用于黑白反射光栅。,4.5光栅传感器,4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术,辨向原理,单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。,辨向光路设置,在相距的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90的正弦信号,辨向电路,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。,辨向电路各点波形图,整形放大,u1,微分,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,正向移动时,u1,整形放大,u1,微分,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,u1,正向移动时,u1,u2,u2,u1f,u1,整形放大,微分,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,u1,反向移动时,采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以提高分辨率。,L,用鉴频器鉴取四个信号的零电平，当每个信号从负到正过零点时发一个计数脉冲,L,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）,功能同上页,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）,数显表,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）,2自由度光栅数显表,X位移显示,Y位移显示,3自由度光栅数显表,光栅数显表（续）,三座标数显表,SDS8-3E光栅数显箱功能:,公制/英制转换绝对/相对转换线性误差补偿正反方向计算归零插值补偿到达目标值停机PCD圆周分孔200组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆,光栅数显表（续）,设定按键,工作台,光栅传感器,位置指令,Pc