型傳感器第四章ppt課件(編輯修改稿)
2025-02-10 13:11 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors (三 )、相位調(diào)制法 定義 ：外界物理量改變光纖中 光波的相位 ，通過(guò)檢測(cè) 相位變化 來(lái)測(cè)量物理量的原理。 ?借助于 光纖干涉儀 可以將相位變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，從而最終轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。 ?光纖中光波的相位由光纖的 物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、橫向幾何尺寸 決定， 壓力、張力 、 溫度 等能直接改變上述參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 應(yīng)力 應(yīng)變 效應(yīng) ?受縱向應(yīng)力作用，纖芯的 長(zhǎng)度、直徑、折射率 都將變化，導(dǎo)致光纖中光波相位變化。 ?通過(guò) L長(zhǎng)的光纖后，出射光波的 相位延遲 為： ??為光纖中光波的傳播系數(shù)。 ?纖芯半徑為 r 的光纖長(zhǎng)度 ?L或傳播系數(shù) ??變化時(shí)，引起光波相位變化 ?? ： ??1為光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲 (應(yīng)變效應(yīng)或縱向應(yīng)變 )； ??2為折射率變化 (光彈效應(yīng) )引起的相位延遲；與 ? ? ?3有關(guān)。 ??3為光纖芯的直徑變化 (泊松效應(yīng)或橫向應(yīng)變 )引起的相位延遲。 其中： 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors ?相對(duì)于 ?? ??2而言， ??3要小得多，可以忽略不計(jì)，因此有： ?其中： 式中， k0 = 2? / ?； P1 P12為光纖的光彈系數(shù)， 第一項(xiàng)為 徑向 應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、 第二項(xiàng)為 橫向 應(yīng)變的相位調(diào)制項(xiàng)、 第三項(xiàng)為 光彈 效應(yīng)的相位調(diào)制項(xiàng)。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 溫度應(yīng)變效應(yīng) 式中，應(yīng)變 ? ?3與光纖材料性質(zhì)有關(guān)。 在光纖中光是沿橫向偏振的，可以?xún)H考慮徑向折射率變化，則： 若用溫度變化 ?T 和相位變化（光纖的溫度靈敏度）來(lái)描述，則有： ?由 F引起光纖中光波相位延遲為： ?將 溫度 變化等效為 作用力 F 對(duì)光纖的應(yīng)變作用，那么，作用力 F 將同時(shí)影響光纖折射率 n和長(zhǎng)度 L 的變化。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors ?需用保偏光纖才能獲得好的干涉效果， ?具有很高的相位調(diào)制靈敏度。 ?探頭形式靈活多樣，適用于不同的測(cè)試環(huán)境； ?相位調(diào)制法具有一下特點(diǎn)： ??? 保偏光纖 ??? 偏振保持光纖傳輸線(xiàn)偏振光，廣泛用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測(cè)為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線(xiàn)偏振光偏振方向不變，提高相干信噪比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的高精度測(cè)量。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 領(lǐng)結(jié)型保偏光纖 橢圓型保偏光纖 保偏光纖 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors (四 )、頻率調(diào)制法 通過(guò)測(cè)量多普勒頻移量 ?? = ?s ?0實(shí)現(xiàn)流體速度的測(cè)量 ?由于余弦函數(shù)為偶函數(shù) ， 對(duì)于??的正負(fù)不易斷定 ， 因此零差測(cè)量法只能測(cè)量運(yùn)動(dòng)大小 ， 不能測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)方向 。 零差法 干涉光的光強(qiáng) I(t)為： ?利用 頻譜分析儀 測(cè)量光敏器件電信號(hào)，即可測(cè)出頻移。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 通過(guò)調(diào)節(jié) 聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率 ?1， 就可以檢測(cè)出測(cè)量光的多普勒光頻移量 ?s的大小與頻移方向 。 外差法 干涉光的光強(qiáng) I(t)為： 式中， ?? = ?s ?1為兩束光干涉而形成的光強(qiáng)變化的拍頻。 當(dāng) ?? = ?s ?1=0時(shí)， ?s = ?1。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 第二節(jié) 常見(jiàn)光纖傳感器 一、偏振式光纖溫度傳感器 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors ?光線(xiàn)透過(guò) 1/4波片之前，光矢量與其快軸的夾角為（ β ?）。光線(xiàn)穿過(guò)波片后再被反射鏡反射回來(lái)，往返兩次通過(guò) 1/4波片后，光矢量以 1/4波片的快軸對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)（ β ?）角。 ?光線(xiàn)第一次穿過(guò)石英晶體，被石英晶體 左 旋，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 ?角。 ?迎著光的入射方向觀察， y軸是平行于紙面的方向，F(xiàn)為 1/4波片的快軸方向，它與 y軸夾角為 β。設(shè)石英晶體為左旋晶體。 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors ?光線(xiàn)第二次經(jīng)過(guò)石英晶體 ， 再次被 左 旋 ?角 。 注意光線(xiàn)的方向 。 ?測(cè)溫范圍 18～ 180℃ ，分辨率為 2℃ 。 ?當(dāng) 2(β?) = 45?時(shí)，輸出光強(qiáng)與 ?之間的線(xiàn)性度最好。當(dāng)測(cè)溫的范圍確定后，可以通過(guò)調(diào)整 1/4波片快軸來(lái)滿(mǎn)足要求。 ?設(shè)透過(guò)棱鏡的偏振光強(qiáng)度為 I 0，返回的光矢量被旋轉(zhuǎn)了 α角，按照馬呂斯定律，返回光線(xiàn)透過(guò)偏振棱鏡后的光強(qiáng)度 I與原來(lái)的光強(qiáng) I 0之間的關(guān)系為： I = I 0cos[2(β?)] ? + 2(β ?) ? = 2(β?) ?光線(xiàn)兩次通過(guò)石英晶體后，光矢量總的轉(zhuǎn)角為： 安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院 張紅 新型傳感器 New Type Sensors 反射式光纖位移傳感器 ?當(dāng) b?(d+2a)/2 tg(sin1N)時(shí) ， 即輸出光纖位于光錐之內(nèi) ， 兩光纖的耦合最強(qiáng) ， 接收光強(qiáng)達(dá)到最大值 。 基本原理 被測(cè)表面 2a d b 探測(cè)器 光源 ?輸出光纖接收光強(qiáng)等效于輸入光纖像發(fā)出的光強(qiáng)，有： b b
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