光纤传感器的应用课件

光纤传感器的应用典型应用：机敏材料和机敏结构在线检测建筑混凝土结构内部应力变化。如：桥梁、水坝、核电站、高层建筑、高速公路等。

一、埋入式光纤传感器干涉型：灵敏度高；结构复杂。偏振光型：灵敏度低；结构简单。干涉型：相位调制原理见第二节由4-46式，只考虑受力长度变化：

△φ≈β△L=2πnLε/λ(4-50)测量臂与参考臂之差L—标距。测量臂与参考臂之间的相位差反应受力变化。偏振光型传感器：光源S1L1平行光P1平行偏振光O1PIN1PIN2检偏P2平行偏振光O2若偏振光偏转了θ角，则射到PIN2的光强为：

I2=I1cosθ(4-51)上折射率光纤受应力ε时，偏振光相位的变化：

△φ=L△β+β△L

（4-52）光纤弹性模量E1,主体弹性模量E2，则光纤所测应力ε1与主体材料实际内应力ε0的关系：

ε0=ε12E1/(E1+E2)(4-53)二、传感器的安装根据主体材料的不同，选择安装方式。对钢筋混凝土主体材料，主要有两种典型的埋入方法。1）金属导管安装法2)预制件安装法置入2组光纤.无外部力作用时,光纤输出的光强度为I0;当构件受到应力F时，光纤输出的光强度为I，则光纤传感器输出值相对变化为：

σ=[（I0-I)/I0]X100%=(△I/I0)00%(4-54)

圆梁和弯曲梁中的光纤可以测得各方向的压力和拉力，见图4-25。三、力学特性对测量的影响要保证测量的准确性，应考虑埋入混凝土的光纤传感器与主体（混凝体）的如下力学特性：1.弹性模量不一致.2.泊松比不一致.3.线膨胀系数不一致.结论:作为新技术的光纤传感器,性能卓越,应用前景光明.作业:1.光纤传感器的类型、特点及调制方法。

2.分析说明图4-10的温度传感器各部分原理.3.简述光纤传感器在混凝土主体测量领域的应用.第五章集成传感器将敏感元件、信号调理电路等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。如：集成压敏、温敏和磁敏传感器。第一节集成压敏传感器两类：1）硅电容式

2）扩散硅式一、硅电容式集成传感器由硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路构成。1.硅敏感电容器压敏电容器,电容量与极板距离和面积有关.两种极板结构:敏感电容Cx；补偿电容C0(温度影响）圆形膜和环形膜的电容值Cx和C0分别由书中式（5-1）、（5-2）、(5-3)和（5-4）计算。由于受压力电容值变化很小（0.1~10pF),对测量电路的要求高（灵敏度、温漂）。2.测量电路电容变化→电信号1)交流信号激励→整流→电压变化.2)作振荡电容器→频率变化.交流信号激励:Up通过耦合电容Cc为电路供电（方波、正弦波等）正半周:电荷从B→VD2→Cx充电；从A→VD3→C0充电;负半周:放电Cx→VD1→A;C0→VD4→B

无外力作用，Cx=C0,电荷转移量相等。有外力作用，Cx﹥C0，从B转移A的电荷大于从A转移B的电荷,导致A电位高于B电位，减少了从B转移A的电荷，增加了从A转移B的电荷，最终达到平衡。平衡后，A、B点电位差=Uo，UA=0.5Uo;UB=-0.5Uo.

△QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx(5-5)△Qab=(Up+0.5U0-Ua)C0(5-6)设C,D点寄生电容Cp

2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=--------------------------(5-7)Cx+C0+2Cp设Up=2V,Ua=0.6V,Cp=2pF,C0=1.7pF,一个大气压（1.33X10-3Pa)下，Cx=2.1pF,则U0=144mV.该传感器性能较好，但由于二极管正相压降，导致降低灵敏度，对激励信号幅值要求也高。3.CP8型集成压敏传感器改进型，增加MOS管控制整流；前后极增加放大电路部分，提高性能，见下图。二、扩散硅压敏传感器将补偿电路和硅压敏元件构成的全桥电路集成到一起，使之体积小、成本低，尤其温度补偿效果好。Uce=Ube(R5+R6)/R6

（5-9）UB=Uc-Uce（5-10）温度↑，Ube↓,Uce↓UB↑,补偿压阻灵敏度的降低若R1=R3=R0+KPR0;R2=R4=R0-KPR0,则

Uo=UBKP(5-11)

则Uo与外加压力P呈线性关系；其灵敏度由压敏电阻的