学习情境二强调制型光纤传感器及应用学习教案

1、会计学1学习学习(xux)情境二强调制型光纤传感器情境二强调制型光纤传感器及应用及应用第一页，共220页。二、学习(xux)内容1、光纤一维位移传感器简单(jindn)介绍通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型（或称为传感型）和非功能型（传光型、结构型）两大类。功能型光纤传感器多使用(shyng)单模光纤，它在传感器中不仅起传导光的作用，而且有是传感器的敏感元件。但这类传感器在制造上技术难度较大，结构较为复杂，且调试困难。 非功能型光纤传感器中，光纤本身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第1页/共220页第二页，共2

2、20页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第2页/共220页第三页，共220页。2、光纤一维位移(wiy)传感器基本原理分析图2.1是光纤一维位移(wiy)传感器测量原理图图2.1 光纤一维位移传感器原理图光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第3页/共220页第四页，共220页。 22/32222/300/1exp)(1 cctgaxaRtgxIRxI（2-1）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第4页/共220页第五页，共220页。若我们测量小位移(wiy)时，光源与输入光纤耦

3、合较好，采用准共路光纤，0，则式（2-1）变形为：2200expaRIRxI （2-2）（2-3） ctgxRaIxI220204再对式（2-2）展开忽略(hl)高阶项，得到：其中(qzhng)：数值孔径NA=sin(c)且在图2.1中近似得到：光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第5页/共220页第六页，共220页。很显然，图2.1中当dR时，即输出（接收(jishu)）光纤位于反射光光锥之外，两光纤的耦合为零，无反射光进入接收(jishu)光纤，I(d)0；当dR时，即输出（接收(jishu)）光纤位于反射光锥之内，有反射光进入接收(jishu)光纤，I(d)0.且得到I

4、-x关系如下图2.2所示：xRtgc2（2-4）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第6页/共220页第七页，共220页。图2.2 I-x图像(t xin) 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第7页/共220页第八页，共220页。（2-5）)1 (sinarccos)1 ()1arccos(1rrr光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第8页/共220页第九页，共220页。图2.3 反射光斑(gungbn)与光纤端面重叠部分3、光纤一维位移传感器探头设计

5、(shj)与扩展图2.4 传统型光纤一维位移(wiy)传感器探头 光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第9页/共220页第十页，共220页。图2.5 补偿式光纤一维位移(wiy)传感器探头1）压力(yl)的检测（1）采用弹性元件的光纤压力传感器光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第10页/共220页第十一页，共220页。利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移(wiy)信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，

6、使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。图2.6 膜片反射式光纤压力(yl)传感器示意图光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第11页/共220页第十二页，共220页。膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸(ch cun)。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为 pEtRy34216)1 (3（2-6）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第12页/共220页第十三页，共220页。式

7、中，R膜片有效(yuxio)半径；T膜片厚度(hud)；P外加压力；E膜片材料的弹性模量；膜片的泊松比。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第13页/共220页第十四页，共220页。传感器的固有频率( yu pn l)可表示为 （2-7）pgERtfr)1(356.222式中, 膜片材料(cilio)的密度； g重力加速度。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第14页/共220页第十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhn

8、gdin)建设示范性专业第15页/共220页第十六页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第16页/共220页第十七页，共220页。两束输出(shch)光的光强之比为ApApII1112（2-8）式中，A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关(yugun)的常数；p待测量压力。可见，输出光强比I2I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。（2-9）ApII2ln12光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第17页/共220页第十八页，共220页。这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系

9、。因此，若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过(tnggu)减法器即可得到线性的输出。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第18页/共220页第十九页，共220页。2）液位的检测(jin c)技术（1）球面(qimin)光纤液位传感器光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向(do xin)探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准

10、，则当接触水时反射光强变化6dB7dB,接触油时变化25dB30dB。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第19页/共220页第二十页，共220页。图2.8 球面(qimin)光纤液位传感器检测原理（2）斜端面(dunmin)光纤液位传感器下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构(jigu)。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第20页/共220页第二十一页，共220页。图2.9 斜面(ximin)反射式光纤液位传感器结构（3）单光纤液

11、位传感器光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第21页/共220页第二十二页，共220页。 光纤 耦合器 图2.10 单光纤液位传感器结构(jigu)光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第22页/共220页第二十三页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第23页/共220页第二十四页，共220页。3）杨氏模量测量(cling)对长度为L,截面为S的金属丝,沿长度方向对它施以力F,此时金属丝将伸长L.由胡克定律(h k dn l)可知,物体在弹性限度内,应力与应变成正

12、比,其数学表示为光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第24页/共220页第二十五页，共220页。LLESF（2-10）为测得已知加载情况下金属丝的微小伸长L，我们使用光纤一维位移(wiy)传感器，对这一微小伸长量进行了测量。杨氏模量测量原理如图2.12所示。图2.12 杨氏模量测量(cling)原理图光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第25页/共220页第二十六页，共220页。（2-11）),()(00 xdKRfKIxI式中，I0光纤传感实验仪的光源注入光源光纤的光强； K光源光纤的本征损耗(snho)系数； K0反射接收光纤的本征损耗(snho)系数；

13、 R反射器的反射系数；光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第26页/共220页第二十七页，共220页。D两光纤的间距(jin j)； f(d,x）光纤传感实验仪探头的特性调制函数。理论(lln)上f(d,x）由下式（2-12）给出)2(exp)2(),(22220 xRdxRaxdf)/(1 )(2300axaxR（2-12）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第27页/共220页第二十八页，共220页。4）固体(gt)热膨胀系数测量tLL原长度为L的固体受热后,其相对伸长(shn chn)量正比于温度的变化，即（2-13）光纤传感器及应用光

14、电子技术专业-国家重点建设示范性专业第28页/共220页第二十九页，共220页。下图2.13为固体热膨胀系数(png zhng xsh)测量装置示意图：图2.13 测量(cling)装置示意图 光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第29页/共220页第三十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第30页/共220页第三十一页，共220页。5）其他(qt)方面应用光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第31页/共220页第三十二页，共220页。5、相关(xinggun)实验实训以武汉

15、发博科技有限公司生产的“光纤一维位移实验(shyn)仪（FBKJ-CG-WY1）”为例，进行以下实验(shyn)实训。a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入(shr)光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 实验操作（1）光路与机械系统组装调试实验光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第32页/共220页第三十三页，共220页。 光源 探测器 图2.14 光纤传感器安装(nzhung)示意图b.将发射(fsh)和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。光纤传感器及

16、应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第33页/共220页第三十四页，共220页。c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.选择(xunz)智能可调档位200mv或者2v档位。 e.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 f.关闭电源。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第34页/共220页第三十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第35页/共220页第三十六页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术

17、(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第36页/共220页第三十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第37页/共220页第三十八页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第38页/共220页第三十九页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第39页/共220页第四十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第40页/共22

18、0页第四十一页，共220页。X(mm)00.05 0.10 0.150.204.0U(mv)光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第41页/共220页第四十二页，共220页。(7)利用反射式光纤位移(wiy)传感器测量出光强随位移(wiy)变化的函数关系 a.按照图2.14安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 c.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 d.打开电源开关，

19、选择智能可调200mv或者2v档位，调节调零旋钮使电压表读数为零。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第42页/共220页第四十三页，共220页。e.调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开(l ki)反射面，每隔0.01mm/0.02mm读出电压表读数，将其填入表2-2、表2-3。位移与电压(diny)记录在表2-1中。表2-2X（mm） 00.010.020.030.044.0U(V)表2-3X（mm）00.020.040.060.084.0U(V)光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第43页/共220页第四十四页，共2

20、20页。(8)改变反射面后I-X图像对比(dub)实验及分析a.用普通平面反射镜代替原来反射器。b.重复(6)中步骤。c.比较(7)和(8)中的2条曲线，分析其共同点与不同点，给出原因。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第44页/共220页第四十五页，共220页。d.比较(6)和(8)中的2条曲线，分析(fnx)其共同点与不同点，给出原因。 e.关闭电源。(9)实验误差测量分析 a.让反射器端面与光纤传感器探头端面不平行。 b.重复(6)中步骤(bzhu)。 c.比较(6)和(9)中的2条曲线，分析其共同点与不同点，给出误差分析。 d.关闭电源。光纤传感器及

21、应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第45页/共220页第四十六页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第46页/共220页第四十七页，共220页。任务(rn wu)二 光纤烟雾传感器二、学习(xux)内容1、光纤烟雾传感器简单介绍光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第47页/共220页第四十八页，共220页。光纤烟雾传感器通过2种方式来判断有无烟雾以及烟雾浓度。一种方式是：反射式强度调制方式来感应有无烟雾以及烟雾浓度，发射光纤和接收光纤采用准共路方式，当烟雾遇到(y do)反射光时引起接收光纤的光

22、强变化进而对烟雾有无及浓度进行判断。另外一种方式是：采用对射式光纤传感器，当烟雾遇到(y do)透射光时引起接收光纤的光强变化进而对烟雾有无及浓度进行判断。它属于非功能型光纤传感器。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第48页/共220页第四十九页，共220页。2、光纤烟雾(ynw)传感器基本原理分析光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第49页/共220页第五十页，共220页。图2.15中，设为光源(gungyun)种类及光源(gungyun)跟光纤耦合情况有光的调制参数，为烟雾吸收光强系数，为烟雾散射光强系

23、数，c为烟雾浓度则有:zcztgazrRtgazIRzIccexp)/(1exp)(1)(22/32222300（2-14）其中(qzhng)c为光纤最大孔径角光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第50页/共220页第五十一页，共220页。 zczaRRIzIexpexp2200（2-15）其中(qzhng)：再对上式（2-15）展开(zhn ki)忽略高阶项，近似得到：zRc2tan（2-16） ctgzRaIzIc230204由上式（2-16）知道：z一定时，增大时，灵敏度增大；烟雾浓度(nngd)c增大，灵敏度增大；散射光强系数增大，灵敏度增大。光纤传感器及应用光电子技

24、术专业-国家重点建设示范性专业第51页/共220页第五十二页，共220页。实验(shyn)得到I(z)与z、c、关系如图2.16所示：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第52页/共220页第五十三页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第53页/共220页第五十四页，共220页。发射光纤（输入光纤）输出(shch)的光强为高斯函数，当两光纤共轴时，接收光纤接收到的光强I与其纵向移动间距z近似为线性关系，当有烟雾作用时，接收光纤接收到的光强为:zczztgaIzIcexp)(2220（2-17）光纤传感器及应用(y

25、ngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第54页/共220页第五十五页，共220页。 cztgaIzIc3220（2-18）由上式（2-18）知道：z一定时，增大时，灵敏度增大；烟雾浓度c增大，灵敏度增大；散射光强系数增大，灵敏度增大。一般(ybn)吸收光强系数为定值，当y烟雾浓度c增大时，散射光强系数也增大.光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第55页/共220页第五十六页，共220页。实验测得的纵向移动时接收(jishu)光强实验得到I(z)与z、c、关系如图2.18所示：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示

26、范性专业第56页/共220页第五十七页，共220页。3、光纤烟雾传感器探头设计(shj)与扩展反射式光纤烟雾(ynw)传感器探头图2.19 反射式光纤烟雾(ynw)传感器探头光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第57页/共220页第五十八页，共220页。图2.20 对射式光纤烟雾(ynw)传感器探头对射式光纤烟雾(ynw)传感器探头光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第58页/共220页第五十九页，共220页。4、光纤烟雾(ynw)传感器应用在车内空气净化方面(fngmin)的应用图2.21为空气净化器的烟雾进口示意简图，通过细逢的空气可以自

27、由地流入净化器内部。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第59页/共220页第六十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第60页/共220页第六十一页，共220页。5、相关实验(shyn)实训以武汉发博科技有限公司生产的“光纤烟雾传感实验(shyn)仪（FBKJ-CG-YW）”为例，进行以下实验(shyn)实训。实验(shyn)操作参照任务一 光纤一维位移实验(shyn)仪光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第61页/共220页第六十二页，共220页。任务(rn wu)三 光纤

28、二维位移传感器掌握相关(xinggun)实验实训了解光纤二维位移传感器的相关应用掌握光纤二维位移传感器探头的设计与制作掌握光纤二维位移传感器系统结构组成掌握光纤二维位移传感器原理光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第62页/共220页第六十三页，共220页。二、学习内容1、光纤二维位移传感器简单介绍光纤二维位移传感器通过输出（接收）光纤在移动中测量输入光纤输出光强变化(binhu)进而测量输出（接收）光纤产生的二维位移，测量精度高，属于非功能型光纤传感器。2、光纤二维位移传感器基本原理分析接收光纤横向移动时的I-x图像在图2.22中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样

29、，当两根光纤纤芯对准时，接受光纤接收到的光强最强；光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第63页/共220页第六十四页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第64页/共220页第六十五页，共220页。发射光纤（输入光纤）输出的光强为高斯函数，近距离可以处理为圆锥状，则接收光纤横向移动中接收光强I与其(yq)移动的位移x关系图为：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第65页/共220页第六十六页，共22

30、0页。由图2.23看出，在测量微小距离时，左右两侧近似为线性函数，在MATLAB中模拟出图像(t xin)左右两侧的线性函数，则测出电压就能知道接收光纤移动的位移大小。接收光纤纵向(zn xin)移动时的I-x图像在图2.24中，当移动接收光纤时，其接收到的光强大小不一样(yyng)，当两根光纤纤芯对准时并且紧紧靠在一起时接受光纤接收到的光强最强；两光纤间距越大，发射光纤发射出来的光斑面积越大，单位面积上的接收到的光强越弱；即两光纤间距越大，接收光纤接收到的光强越小。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第66页/共220页第六十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng

31、)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第67页/共220页第六十八页，共220页。实验测得的纵向(zn xin)移动时接收光强I-z图像如图2.25所示。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第68页/共220页第六十九页，共220页。在反射式位移测量中，采用光路准共路原理，接收光纤接收到发射光纤发出去的光遇到反射面后反射回来的光强变化(binhu)，得到I-x关系图如图2.26所示：反射式位移(wiy)的测量I(x)x图2.26 反射式I-x图像(t xin)光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第69页

32、/共220页第七十页，共220页。3、光纤二维位移传感器探头(tn tu)设计与扩展图2.27 对射式光纤二维传感器探头(tn tu)光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第70页/共220页第七十一页，共220页。4、光纤二维位移(wiy)传感器应用细小(xxio)物体的探测 高温-带金属螺旋管的光纤传感器应用范围的温度可至290C，带金属硅外壳的光纤传感器应用范围的温度可至150C。化学要求金属硅外壳的光纤传感器具有很强的耐化学物品腐蚀性。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第71页/共220页第七十二页，共220页。图2.28 细小(xxio)物体探测

33、光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第72页/共220页第七十三页，共220页。5、相关(xinggun)实验实训（1）光路与机械系统组装调试实验a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第73页/共220页第七十四页，共220页。 光源 探测器 光纤支架 螺旋测微 丝杆 2 螺旋测微 丝杆 1 图 2.29 光路机械组装调试图 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第74

34、页/共220页第七十五页，共220页。c.打开电源开关，调节测螺旋(luxun)测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示变化，并分析。d.关闭电源。（2）发光二极管驱动(q dn)实验a. 按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验(shyn)板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 b.仅仅把发射部分用导线按颜色对应接入电路。c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动，观察电压表显示变化，并分析。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第75页/共220页第七十六页，共220页。d.关闭电源。（3）光电探测器PD接收(jishu)实

35、验a.按照图2.29把对射式光纤传感器安装在光纤支架上，发射光纤、接收光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。b.仅仅把接收部分用导线按颜色对应接入电路。c.打开电源开关，调节测螺旋测微丝杆2使得接收光纤移动(ydng)，观察电压表显示变化，并分析。d.关闭电源。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第76页/共220页第七十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第77页/共220页第七十八页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示

36、范性专业第78页/共220页第七十九页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第79页/共220页第八十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第80页/共220页第八十一页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第81页/共220页第八十二页，共220页。e.调节测螺旋(luxun)测微丝杆2使接收光纤移动，每隔0.05mm观察电压表读数变化，把位移与电压记录在表2-4中。X（mm）00.050.100.150.204.0U(V

37、)表2-4光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第82页/共220页第八十三页，共220页。（8）改变每次横向移动接收光纤位移大小后I-X图像对比(dub)实验及分析 a.在表2-4中每次移动位移改为0.02mm。 b.重复（7）步骤。表2-5X（mm） 00.020.040.060.0810U(V)光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第83页/共220页第八十四页，共220页。（10）纵向位移验证(ynzhng)实验 验证(ynzhng)格式如下表2-6：表2-6 光纤纵向(zn xin)位移验证x=0时的千分尺初始读数验证曲

38、线时的电压与U对应的千分尺读数与U对应的位移位移计算值位移绝对值误差x0UxUX=x0-xUx=(y-b)/kx=x-x光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第84页/共220页第八十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第85页/共220页第八十六页，共220页。 光源 探测器 图 2.30 反射式光纤传感器安装示意图 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第86页/共220页第八十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技

39、术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第87页/共220页第八十八页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第88页/共220页第八十九页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第89页/共220页第九十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第90页/共220页第九十一页，共220页。12arcsinnnc（2-24）其中：n1是纤芯折射率，n2是包层折射率，若光源发出的光经空气(kn

40、gq)后耦合到光纤中，那么满足光纤中全反射条件的光的最大入射角c满足：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第91页/共220页第九十二页，共220页。22211)2sin(sinnnncc（2-25）定义光纤的最大理论数值孔径（数值孔径表示光纤的集光能力(nngl)大小）：212221maxnnnNA（2-26）式中： ,对于(duy)梯度光纤，n是光纤轴心处折射率，n是包层折射率。121nnn光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第92页/共220页第九十三页，共220页。光斑(gungbn)法测量数值孔径 z 光纤出光端 c

41、 c 图 2.31 光斑法原理 R 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第93页/共220页第九十四页，共220页。则有：zRtgc/（2-27）cNAsin数值孔径为：（2-28）远场强度(qingd)发测量光纤数值孔径光纤数值孔径的另一种定义是远场强度法定义的有效数值孔径NAeff。NAeff是通过测量光纤远场强度分布来确定的。它被定义为光纤远场光强辐射(fsh)图上光强值下降到最大值的5处半张角的正弦值，CCITT规定的就是这种光纤数值孔径，如图2.32所示：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第94页/共220页第九十

42、五页，共220页。 z P d d 5% 5% x2 光纤端 c c 图 2.32 远场强度法原理 x1 图2.32中数值孔径NA为：4/2/sin21221222xxzxxdzdNAc（2-29）式中：z为入射（发射光纤端面和接收(jishu)（输出）光纤端面对芯时的两光纤端面间的距离；光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第95页/共220页第九十六页，共220页。 22expcbxaxI其中(qzhng)： ，a、b、c均为常数光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第96页/共220页第九十七页，共220页。3、

43、光纤数值孔径传感探头(tn tu)设计与扩展图2.34 对射式光纤传感器探头(tn tu) 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第97页/共220页第九十八页，共220页。4、光纤数值孔径传感仪应用光纤数值孔径测量的一种新方法。5、相关实验实训以武汉发博科技有限公司生产的“光纤数值孔径实验仪（FBKJ-CG-NA）为例，进行以下(yxi)实验实训。实验操作参照任务三 光纤二维位移实验仪光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第98页/共220页第九十九页，共220页。掌握(zhngw)相关实验实训了解光纤微弯传感

44、器的相关(xinggun)应用掌握光纤微弯传感器探头的设计与制作掌握光纤微弯传感器系统结构组成掌握光纤微弯传感器原理一、学习目标光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第99页/共220页第一百页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第100页/共220页第一百零一页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第101页/共220页第一百零二页，共220页。在光纤微弯传感器中，微弯处一般弯曲(wnq)成正弦状，设微弯部分的空间周期为，振幅为A，如图2.35所示：光纤传感器及应

45、用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第102页/共220页第一百零三页，共220页。当有外界因素作用(zuyng)在微弯板上时，使得光纤产生微小型变，光纤进而产生微弯损耗，微弯损耗大小和空间周期、振幅、光纤种类、光纤弯曲形变大小等等都有关系。空间(kngjin)周期如果光纤中两个模式的传播常数分别为1、2， 理论(lln)研究表明，光纤微弯板的空间周期满足：221（2-30）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第103页/共220页第一百零四页，共220页。202202 nnna（2-31）另外，对于抛物线折射率分布光纤而言，传播常数、相

46、对(xingdu)折射率、芯半径a之间关系为：a2（2-32）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第104页/共220页第一百零五页，共220页。22apc（2-33）对于阶跃型光纤而言，n1(n2)分别表示(biosh)距离光纤纤芯、包层处的折射率，相对折射率为： 2122212 nnn（2-34）另外，对于阶跃型折射率分布(fnb)光纤而言，传播常数、相对折射率、芯半径a之间关系为：光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第105页/共220页第一百零六页，共220页。（2-35）（2-36）微弯传感器特性(txng)测试原理图2.36 微弯

47、传感器特性测试(csh)原理及曲线图光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第106页/共220页第一百零七页，共220页。（1）设施加于变形器的外界扰动为E，相应的施加于光纤的力为F，光纤的形变为X，其相应的变化量为X ，光纤的传输(chun sh)常数为T，其相应的变化量为T ，则有EDXTT)(（2-37）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第107页/共220页第一百零八页，共220页。（2）若由施加(shji)于光纤的力F表示，则上式（2-38） 变为1)()(sssflYAKFXTT（2-38）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技

48、术专业-国家重点建设示范性专业第108页/共220页第一百零九页，共220页。（3）变形器将外界(wiji)参量的改变E以F施加于传感光纤上，即： F= EC其中，C为外界(wiji)扰动的函数。（2-39）其中(qzhng)，P压力的改变量。PlYAKAXTTsssfP1)(（2-40）PKAXTTfp1光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第109页/共220页第一百一十页，共220页。（5）对应(duyng)于温度传感，则式2-39可以化简为：（2-41）sslaXTT其中，a变形器的热膨胀系数(png zhng xsh)； 温度的改变量。22464)(bdAF，光纤微弯

49、传感器灵敏度的讨论（2-42）光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第110页/共220页第一百一十一页，共220页。从式（2-42）可知(k zh)：光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第111页/共220页第一百一十二页，共220页。3、光纤微弯传感器探头(tn tu)设计与扩展微弯传感器变形齿间距(jin j)设计：22210)()21 (2ggmMag（2-43）式中，相邻模问的传播常数差；a纤芯半径(bnjng)；g折射率分布参数；包层与纤芯折射率差；M为模总数；m为模序数。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第11

50、2页/共220页第一百一十三页，共220页。图2.37 几种(j zhn)不同周期微弯变形器c221)2(2ac（2-44）光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第113页/共220页第一百一十四页，共220页。4、光纤微弯传感器应用(yngyng)光纤微弯压力(yl)传感器S光纤变形器FFD图2.38 光纤微弯压力(yl)传感器 光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第114页/共220页第一百一十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第115页/共220页第一百一十六页，共220页。

51、图2.39 光在光纤中传输(chun sh)原理图微弯光纤水声传感器光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第116页/共220页第一百一十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第117页/共220页第一百一十八页，共220页。图2.41 微弯光纤水听器结构(jigu)原理图 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第118页/共220页第一百一十九页，共220页。微弯光纤位移(wiy)传感器图2.42 微弯光纤位移(wiy)传感器光纤传感器及应

52、用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第119页/共220页第一百二十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第120页/共220页第一百二十一页，共220页。（2）微弯位移(wiy)传感器实验装置光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第121页/共220页第一百二十二页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第122页/共220页第一百二十三页，共220页。基于OTDR用于工程(gngchng)监测的光纤微弯应变传感器针对(zhndu)各种工程结构应

53、变场的各种应变情况,设计出了能测量和监测拉应变,压应变和拉压双向应变的微弯传感系统。光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第123页/共220页第一百二十四页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第124页/共220页第一百二十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第125页/共220页第一百二十六页，共220页。图2.45 OTDR波形(b xn)曲线在复合材料(f h ci lio)成型表征中的应用光纤传感器及应用光电子技术专业-国家重点建设示范性专

54、业第126页/共220页第一百二十七页，共220页。光纤微弯型悬臂梁传感器如图2.47所示，设计(shj)一个拱型弹性膜片，在膜片上设计(shj)一对带齿，构成一个光纤微弯传感器的变形装置。拱型弹性膜片粘贴在悬臂梁上。当悬臂梁发生弯曲时，带动这一对带齿在光纤横向上(垂直于光纤方向)的微小位移，致使光纤弯曲。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第127页/共220页第一百二十八页，共220页。图2.47 光纤微弯型悬臂梁传感器用于编织复合材料应变检测(jin c)编织复合材料的编织工艺具有较高的灵活性,通过改变编织角、轴向纱、径向纱数目等工艺参数，光纤传感器及应

55、用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第128页/共220页第一百二十九页，共220页。将光纤同时编入材料中,可以形成许多内部(nib)微弯结构,并使光纤产生微弯损耗，由此,可以将光纤微弯传感器用于对编织复合材料内部(nib)应变、温度、振动以及成型工艺等进行监测-将光纤编入三维四向编织碳环氧复合材料试件中，构成微弯传感器。图2.48 编制复合材料应变检测(jin c)系统光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第129页/共220页第一百三十页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设

56、示范性专业第130页/共220页第一百三十一页，共220页。实验操作（1）光路与机械系统组装(z zhun)调试实验a. 按照图2.49把光纤微弯传感器安装在光纤微弯板上，发射端、接收端分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第131页/共220页第一百三十二页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第132页/共220页第一百三十三页，共220页。b.将发射和接收部分用导线按颜色对应接入电路，探测器输出(shch)信

57、号处理电路不接调零电路，输出(shch)端U0接入电路板上电压表。c.打开电源开关，用另外一块微弯板放在光纤上面，施加压力，观察电压表显示变化，并分析。d.关闭电源。(2）发光二极管驱动实验a.按照(nzho)图2.49把光纤微弯传感器安装在光纤微弯板上，发射端、接收端分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。 光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第133页/共220页第一百三十四页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设示范性专业第134页/共220页第一百三十五页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)

58、光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示范性专业(zhuny)第135页/共220页第一百三十六页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第136页/共220页第一百三十七页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第137页/共220页第一百三十八页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点(zhngdin)建设示范性专业第138页/共220页第一百三十九页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业(zhuny)-国家重点建设示

59、范性专业(zhuny)第139页/共220页第一百四十页，共220页。表2-7个数13579U(V)d根据表2-7结果，分析灵敏度高低(god)与空间周期个数关系，分析原因。e.关闭电源。(8）比较同一光纤在不同空间周期大小的灵敏度实验a.按照图2.49把100光纤微弯传感器安装(nzhung)在光纤微弯板上，发射端、接收端分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家重点建设示范性专业第140页/共220页第一百四十一页，共220页。大小1jc3jc5jcU(V)表2-8光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术(jsh)专业-国家重点建设

60、示范性专业第141页/共220页第一百四十二页，共220页。光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第142页/共220页第一百四十三页，共220页。d.把光纤插入PD座孔，用另外一块微弯板放在光纤上面，施加相同重力，观察并记录电压表读数变化(binhu)，填写表2-9。e.换成16光纤微弯传感器，重复ad步骤。f.换成100光纤微弯传感器，重复ad步骤。g.根据表2-9，比较不同光纤微弯传感器的灵敏度高低，分析原因。h.关闭电源光纤传感器及应用(yngyng)光电子技术专业-国家(guji)重点建设示范性专业第143页/共220页第一百四十四页，共2