【正文】 纖的）、光探測器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖 735所示。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測量。 122圖 735光纖傳感器組成示意圖（ a） 傳感型； （ b） 傳光型 123傳感器 光學(xué)現(xiàn)象 被測量 光纖 分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、 PMSM、 PMSM、 PMSM、 PMSM、 PMaaaaa非干涉型強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注： MM多模； SM單模； PM偏振保持； a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類1242. 光纖傳感器的應(yīng)用 （ 1） 光纖加速度傳感器 光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖 736所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束， 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊 M對(duì)光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。 激光干涉儀干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 經(jīng)過信號(hào)處理電路處理后便可以正確地測出加速度值。 125圖 736光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 126（ 2） 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器，圖 737為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)等組成的。光纖是用來傳輸信號(hào)，半導(dǎo)體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內(nèi)，它對(duì)光的吸收隨溫度 T變化而變化。 圖 738為半導(dǎo)體的光透過率特性。半導(dǎo)體材料的光透過率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動(dòng)，如果適當(dāng)?shù)剡x定一種在該材料工作波長范圍內(nèi)的光源，那么就可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強(qiáng)的變化即達(dá)到測量溫度的目的。 127圖 737半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 128圖 738半導(dǎo)體的光透過率特性 129這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，一般在 100~300℃ 溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時(shí)間約為 2s。它的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)間響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應(yīng)用。 130光纖測溫技術(shù)及其應(yīng)用 光纖測溫技術(shù)是在近十多年才發(fā)展起來的新技術(shù)，目前，這一技術(shù)仍處于研究發(fā)展和逐步推廣實(shí)用的階段。在某些傳統(tǒng)方法難以解決的測溫場合，已逐漸顯露出它的某些優(yōu)異特性。但是，正像其它許多新技術(shù)一樣，光纖測溫技術(shù)并不能用來全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，它僅是對(duì)傳統(tǒng)測溫方法的補(bǔ)充。應(yīng)充分發(fā)揮它的特長，有選擇地用于下列常規(guī)測溫方法和普通測溫儀表難以勝任的場合。① 對(duì)采用普通測溫儀表可能造成較大測量誤差，甚至無法正常工作的強(qiáng)電磁場范圍內(nèi)的目標(biāo)物體進(jìn)行溫度測量。如金屬的高頻熔煉與橡膠的硫化、木材與織物、食品、藥品等的微波加熱烘烤過程的爐內(nèi)溫度測量。光纖測溫技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著絕對(duì)優(yōu)勢，因?yàn)樗葻o導(dǎo)電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾，因而能保證測量溫度的準(zhǔn)確性。 ② 高壓電器的溫度測量。最典型的應(yīng)用是高壓變壓器繞組熱點(diǎn)的溫度測量。英國電能研究中心從 70年代中期就開始潛心研究這一課題，起初是為了故障診斷與預(yù)報(bào)，現(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)電能管理的應(yīng)用，便轉(zhuǎn)入了安全過載運(yùn)行，使系統(tǒng)處于最佳功率分配狀態(tài)。另一類可能應(yīng)用的場合是各種高壓裝置，如發(fā)電機(jī)、高壓開關(guān)、過載保護(hù)裝置等。131③ 易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設(shè)備的溫度測量。光纖傳感器在本質(zhì)上是防火防爆器件，它不需要采用隔爆措施，十分安全可靠。④ 高溫介質(zhì)的溫度測量。在冶金工業(yè)中，當(dāng)溫度高于 l 300℃ 或 l 700℃時(shí)，或者溫度雖不高但使用條件惡劣時(shí)，尚存在許多測溫難題。充分發(fā)揮光纖測溫技術(shù)的優(yōu)勢，其中有些難題可望得到解決。例如，鋼水和鐵液在連軋和連鑄過程中的連續(xù)測溫問題。當(dāng)然，作為一項(xiàng)新技術(shù)如何降低生產(chǎn)制造成本，使其產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化直至廣泛實(shí)際應(yīng)用其中還有許多關(guān)鍵技術(shù)與工藝需要人們繼續(xù)努力去攻克、研究與開發(fā)。 132圖 725是某（功能型）光纖溫度測量系統(tǒng)框圖。圖 725（功能型）光纖溫度測量系統(tǒng)框圖133圖 726為 (非功能型 )光纖輻射溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。光纖輻射溫度計(jì)的光纖可以直接延伸為敏感探頭，也可以經(jīng)過耦合器，用剛性光導(dǎo)棒延伸。 圖 726(非功能型 )光纖輻射溫度計(jì) ； ； ； 典型光纖輻射溫度計(jì)的測溫范圍為 200~4000℃ ，分辨率可達(dá) 0．0l℃ ，在高溫時(shí)精確度可優(yōu)于 177。0． 2％讀數(shù)值，其探頭耐溫一般可達(dá)300℃ ，加冷卻后可到 500℃ 。134（ 3） 光纖旋渦流量傳感器 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(shí)，光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)。測出頻率就可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖 739所示。 135圖 739光纖旋渦流量傳感器 136當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí)， 根據(jù)流體力學(xué)原理，在某些條件下，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 （ 711） 式中： v—— 流體流速； d—— 流體中物體的橫向尺寸大?。?St—— 斯特羅哈爾（ Strouhal）系數(shù)，它是一個(gè)無量綱的常數(shù)，僅與雷諾數(shù)有關(guān)。 137在多模光纖中，光以多種模式進(jìn)行傳輸，在光纖的輸出端， 各模式的光就形成了干涉圖樣，這就是光斑。一根沒有外界擾動(dòng)的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的， 當(dāng)光纖受到外界擾動(dòng)時(shí)， 干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。如果外界擾動(dòng)是流體的渦流引起的，那么干涉圖樣斑紋或斑點(diǎn)就會(huì)隨著振動(dòng)的周期變化來回移動(dòng)， 這時(shí)測出斑紋或斑點(diǎn)的移動(dòng)，即可獲得對(duì)應(yīng)于振動(dòng)頻率 f的信號(hào)， 根據(jù)式（ 711）推算流體的流速 v。 這種流體傳感器可測量液體和氣體的流量，因?yàn)閭鞲衅鳑]有活動(dòng)部件，測量可靠，而且對(duì)流體流動(dòng)不產(chǎn)生阻礙作用，因此壓力損耗非常小。這些特點(diǎn)是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計(jì)所無法比擬的。 138 光 柵式傳 感 器 光柵是由許多具有等節(jié)距刻線分布的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件。光柵式傳感器有如下特點(diǎn)： 1. 精度高。 2. 大量程測量兼有高分辨力。 3. 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量。 4. 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計(jì)量光柵。1）物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。2）計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測量位移、速度、加速度、振動(dòng)等物理量。 本節(jié)主要介紹計(jì)量光柵的原理與應(yīng)用。 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理 1. 光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光柵，圖 740為透射光柵的示意圖。圖中 a為柵線的寬度（不透光）， b為柵線間寬（透光）， a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常 a=b=W/2，也可刻成 a∶b=∶。目前常用的光柵每毫米刻成 2 50、 100、 250條線條。 139圖 740透射光柵示意圖 1402. 光柵測量原理把兩塊柵距相等的光柵（光柵 光柵 2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角 θ，如圖 741所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖 132可見，在 dd線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在 f f線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。 141圖 741光柵莫爾條紋的形式142莫爾條紋測位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)。 (1)位移的放大作用 當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距 W時(shí)， 莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度 BH，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋的間距 BH與兩光柵線紋夾角 θ之間的關(guān)系為 （ 712） θ越小， BH越大，這相當(dāng)于把柵距 W放大了 1/θ倍。例如θ=176。，則 1/θ≈573，即莫爾條紋寬度 BH是柵距 W的 573倍， 這相當(dāng)于把柵距放大了 573倍，說明光柵具有位移放大作用， 從而提高了測量的靈敏度。 143（ 2） 莫爾條紋移動(dòng)方向 如光柵 1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵 2的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)光柵 1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵 2的柵線向下移動(dòng)。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵 1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。 (3)誤差的平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 144 光柵傳感器的組成 光柵傳感器作為一個(gè)完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號(hào)；光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。 1451. 光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。 標(biāo)尺光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動(dòng)，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖見圖742。 146圖 742光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖 147前面分析的莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。從圖 132看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù) (如圖 743所示 )， 如以電壓輸出，即 （ 713） 148式中： uo—— 光電元件輸出的電壓信號(hào)； Uo—— 輸出信號(hào)中的平均直流分量； Um—— 輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。 由式（ 713）可見，輸出電壓反映了位移量的大小。 149圖 743光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的