【正文】 束分成兩部分，經(jīng)上、下光路的傳輸后又重新合路，使其在光檢測器處互相干涉。 ? 當(dāng)移動鏡面位移時 合成光的干涉強度 發(fā)生變化。 ? 這種干涉儀靈敏度高，可精確到 1013nm 。 馬赫 ——澤德干涉儀原理 第 9章 新型光電傳感器 ? 常見的 馬赫 ——澤德 （ MachZehnde)干涉儀原理 傳感器原理及應(yīng)用 ? 雖然空氣光路系統(tǒng)有大的動態(tài)范圍，但實現(xiàn)非常困難，通常只能限制在實驗室工作條件。 ? 光纖干涉?zhèn)鞲衅? 如果干涉系統(tǒng)的空氣光路用光纖代替，用 光纖耦合器 取代分束器；幾公里光路對光纖是容易實現(xiàn)的，可取消對光路長度限制，不存在光路中塵埃污染 。 ⑷ 相位調(diào)制 光纖分路器 ? 在光源和檢測器之間，干涉儀只含光纖元件，換能器把被測量轉(zhuǎn)換成光束的相位變化。 第 9章 新型光電傳感器 光纖干涉儀原理 傳感器原理及應(yīng)用 ⑷ 相位調(diào)制 ① 明暗計數(shù)法 輸出脈沖計數(shù)反映光強明暗變化，不能檢測極性； ② 相位鎖定零點檢測法 通過參考臂的相位調(diào)制使系統(tǒng)相差定在 π/2處， （在 π/2處靈敏度最高，光強與相差呈線性關(guān)系）。 π/2 π 3π/2 相對光強 相差 相位干涉儀輸出波形 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟? 第 9章 新型光電傳感器 ? 相位調(diào)制光纖傳感器的信號檢測有多種： 傳感器原理及應(yīng)用 ⑷ 相位調(diào)制 ? 由于 3db耦合器的作用，兩個光電探測器輸出為： ? ?? ?? ?? ?? ?1 0 02 0 03 0 01 c o s1 c o s2 c o sU U s tU U s tU K U s t??????? ? ?????? ? ??????? ????經(jīng)差動放大輸出? ?? ?03/20UKststU???????00 正比于光源功率； 信號與參考光混合效率； 系統(tǒng)相位差； 放 大倍數(shù)； 被測信號相位變化；若系統(tǒng)相差 ，系統(tǒng)處于嚴格平衡狀態(tài)。? 當(dāng)被測信號變化時 S（ t）變化，相差偏離輸出 U3≠0；積分器將這個變化積累后輸出一附加電壓至參考臂上，用附加相差抵消信號臂相差，使系統(tǒng)回到 π/2初態(tài)。 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟? U3 U1 U2 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ⑷ 相位調(diào)制 ? 濾波器濾掉環(huán)境干擾信號，通過有關(guān)信號頻段。 ? 以上系統(tǒng)是典型的閉環(huán)運行狀態(tài)，加到相位調(diào)制器的電壓反映了系統(tǒng)相差的變化。 ? 相位調(diào)制器是將光纖繞在圓柱型 PZT （壓電陶瓷）上或鍍有PVF2材料。 ? PZT直徑隨驅(qū)動信號變化，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，電場作用下產(chǎn)生形變，使繞在上面的光纖伸縮變化，使光的相位變化，實現(xiàn)相位的調(diào)制解調(diào)。 PZT壓電陶瓷環(huán) 光纖 附加電壓 第 9章 新型光電傳感器 光纖干涉儀 傳感器原理及應(yīng)用 ⑸ 頻率調(diào)制 ? 當(dāng)光敏器件與光源之間有相對運動時，光敏器件接收到的光頻率 fs與光源頻率 f 不同，這種現(xiàn)象稱光的“ 多普勒效應(yīng) ”； 第 9章 新型光電傳感器 波源不動 ,觀察者相對介質(zhì)以 運動，聲音的頻率不同。 0v?? ??s ?人耳聽到的聲音的頻率 υ 與聲源的頻率 υ s相同嗎？ 只有波源與觀察者相對靜止時才相等 . S D fs f 傳感器原理及應(yīng)用 ⑸ 頻率調(diào)制 ? 設(shè)光敏器件相對光源的運動速度為 υ，接收的光頻率可表示為： ? 頻率調(diào)制法可以測量運動物體（流體）的速度、流量等； ? 被測體散射光信號由透鏡接收回光纖，與空氣界面直接返回的光信號合成后形成頻率為 fp的拍頻信號，送光敏探測器。 ? ? ? ?/ 1 / 1 /sf f c c fcf???? ? ? ?? ? ?光 速 ； 運 動 速 度 ； 光 源 頻 率第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ⑸ 頻率調(diào)制 ? 測量原理： ? 激光光束頻率 ω0， 由分束送兩路； ? 調(diào)制光 ωR作參考光源送光敏探測器； ? 分束器 2將 ω0的光束經(jīng)光纖射入流體； ? 流體速度 υ，流體中微粒照亮?xí)r產(chǎn)生反射光，反射光通過光纖返回； ? 多普勒效應(yīng)使反射光產(chǎn)生頻移 △ ω 探測器 分束器 1 分束器 2 參考光 ωR=ω0ω1 ω0 ωs =ω0177?！?ω 激光器 調(diào)制器 透鏡 ω1177?！?ω ? 形成的光頻率為測量光 : ωs=ω0177?！?ω， ? 測量光與參考光在探測器混頻（拍頻 ωp=ωsωR）后形成振蕩信號， ? 振蕩頻率為 ω1177?！?ω，由頻譜儀分析 △ ω頻率變化，獲得流體速度。 υ 管道流體速度 θ 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 光纖目前可以測量 70多種物理量 ? 基本組成相似： 光源、透鏡、入射光纖、調(diào)制器、 出射光纖、光敏器件等。 ? 光纖的類型較多大致可分為 功能型 和 非功能型 兩大類。 光纖傳感器 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 功能型 和 非功能型 光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)類型 傳感器原理及應(yīng)用 ? 這類傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到 傳光 作用，而且有 傳感 能力。 ? 在被測對象作用下，如 光強 、相位 、 偏振態(tài) 等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測量信息。 (1) 功能型（又稱傳感型） FF （ Function Fibre Optil Sensor） 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 在光源和檢測器之間只含光纖元件； ? 換能器 把被測量轉(zhuǎn)換成光束的 相位 光強 的變化。 ? 3db耦合器將光信號耦合輸入輸出，換能器利用集成和光電技術(shù)可把所有元件裝入一個很小裝置內(nèi)與光纖對接耦合。 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟? 各種光纖耦合器 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 各種光纖耦合器 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 光纖接頭盒 傳感器原理及應(yīng)用 ? 傳光型 光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介； ? 待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的； ? 光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的 ，光纖只起 傳光 作用。 (2) 非功能型（稱傳光型） NFF（ NonFunction Fibre Optil Sensor） 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 利用半導(dǎo)體材料的 能量隙 隨溫度幾乎成線性變化。敏感元件是一個半導(dǎo)體 光吸收器 ，光纖用來傳輸信號。 ? 當(dāng)光源的光強度經(jīng)光纖達到半導(dǎo)體薄片時，透過薄片的光強受溫度的調(diào)制。 ? 溫度 T升高，半導(dǎo)體 禁帶寬度 Eg變化，材料吸收光波長向長波移動，半導(dǎo)體薄片透過的光強度變化。 ? 一般測溫范圍在 100～ 300℃ 。 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 光纖溫度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ?光纖溫度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ?光纖溫度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 相位調(diào)制型光纖傳感器測量壓力或溫度動畫演示 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 利用光纖實現(xiàn) 無接觸位移測量 。 ? 光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖傳送到光敏元件上。 ? 反射式光纖位移傳感器 第 9章 新型光電傳感器 (3) 應(yīng)用 ? 被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上，光通量發(fā)生變化。再通過光電傳感器檢測出距離的變化。 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 結(jié)構(gòu)： 反射式光纖位移傳感器一般是將發(fā)射和接收光纖捆綁組合在一起，端面分布形態(tài)的組合形式不同，影響位移測量范圍和靈敏度。 ? 分布形態(tài)一般有四種： R型半分式（半圓分布） H型混合式（隨機分布） CII共軸式（內(nèi)發(fā)射分布） CDT共軸式（外發(fā)射分布） ? 混合式靈敏度高， ? 半分式測量范圍大。 第 9章 新型光電傳感器 ? 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 工作原理： ? 由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)光纖探頭緊貼被測物體時，接收光敏元件無光電信號； ? 被測物體逐漸遠離光纖時接收光纖照亮的區(qū)域 B2越來越大； ? 當(dāng)整個接收光纖被照亮?xí)r，輸出曲線達到光峰值； ? 被測體繼續(xù)遠離時部分光線被反射光信號減弱，曲線下降。 ?反射式光纖位移傳感器 b d b 輸入光纖像 2a θ 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ?反射式光纖位移傳感器 討論： ? 前坡 區(qū) —— 輸出信號的強度增加快，位移輸出曲線有較好的線性關(guān)系，可進行 小位移測量 ； ? 后坡 區(qū) —— 信號隨探頭和被測體之間的距離增加而減弱，該區(qū)域可用于距離較遠要求不高的測量； ? 光峰 區(qū) —— 輸出信號有最大值，值的大小決定被測表面的狀態(tài)， 可用于表面狀態(tài)測量，如工件的 光潔度 或 光滑度。 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 KD300光纖位移傳感器性能指標(biāo) ? 分辨率： ；反應(yīng)頻率： 70kHz； ? 信號輸出： 010V ； DC100歐姆； ? 儀器工作溫度： 10攝氏度 65攝氏度； ? 測量不受磁場或靜電影響，能對幾乎所有非金屬甚至漆黑表面物體進行操作； ? 探針長度： 3in.()探針； ? 電纜線長度： 36in.(914 mm)； ? 電源：小于 3W,115/230V,50400Hz。 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 光纖量測位移傳感器 MTI2100 超高分辨率： 反應(yīng)頻率： 190kHz（特殊探針到達 500kHz) 數(shù)值顯示面板， LCD液晶顯示 可接二組傳感器 ,最小探針外徑 輸出：電壓 10V to +10V RS232C數(shù)據(jù)接口 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道 ,當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振動的頻率與流速有關(guān)。測出頻率就可知流速。 ? 光纖旋渦流量傳感器 ? 當(dāng)流體運動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，其旋渦的頻率 f 與流體的流速可表示為 dvSft?式中： v 流體速度， d 截面積； S 常數(shù) 。 (3) 應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 光纖旋渦流量傳感器 ? 加速度通過一定質(zhì)量的物體，在平衡力的反作用下可產(chǎn)生位移、形變、旋轉(zhuǎn)等。 ? 干涉型光纖加速度傳感器 ? 光纖加速度傳感器 ? 慣性系統(tǒng)，質(zhì)量塊質(zhì)量 M，順變體質(zhì)量 MC，順變體是一空心圓柱體，并且 M＞ MC； ? 當(dāng)系統(tǒng)以加速度 a 運動的質(zhì)量塊對順變體施加軸向力 F = ma ； ? F的作用下順變體產(chǎn)生 軸向應(yīng)變 和 徑向應(yīng)變 ， ? 應(yīng)變引起光纖長度變化，應(yīng)變大小為： 22/ 4 / , 4 / ,4/i F EA F Ed i F EdE d AL N ma Ed N? ? ? ? ? ? ???? ? ? ???軸向應(yīng)變 頸項應(yīng)變 彈性模量， 順變柱體直徑， 泊松系數(shù), 順變體截面積光纖總的長度變化為： ， 為光纖匝數(shù)MC 質(zhì)量塊 順變體 光纖 a F d 基座 M 第 9章 新