光纖傳感技術(shù)

1、關(guān)于光纖傳感技術(shù)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共88頁階躍折射率光纖階躍折射率光纖階躍階躍 剖面剖面 n(r)a n2n1 r 纖 芯現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共88頁漸變漸變 剖面剖面n(r)梯度折射率光纖梯度折射率光纖 a n2 n1 r纖 芯現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共88頁 名詞解釋：名詞解釋：子午光線子午光線 當(dāng)入射光線通過光纖軸線當(dāng)入射光線通過光纖軸線，且入射角，且入射角 1大于界大于界面臨界角面臨界角 時(shí)，光線將在柱體界面上時(shí)，光線將在柱體界面上不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線不斷發(fā)生全反射，形成曲折回路，而且傳導(dǎo)光線的軌跡始終在光纖的

2、主截面內(nèi)。這種光線稱為子的軌跡始終在光纖的主截面內(nèi)。這種光線稱為子午光線，包含子午光線的平面稱為子午面。午光線，包含子午光線的平面稱為子午面。 )/(sin121nnc現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共88頁z子午平面子午平面現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共88頁 在纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中相位變化為2的整數(shù)倍，就會形成駐波。只有能形成駐波的那些特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波就稱為模。 在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常纖芯直

3、徑較粗（幾十微米以上）時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)（510微米），只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，后者為單模光纖。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共88頁光進(jìn)入光學(xué)纖維后光進(jìn)入光學(xué)纖維后,多次多次在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射在內(nèi)壁上發(fā)生全內(nèi)反射,光從纖維的一端傳向另光從纖維的一端傳向另一端一端.光學(xué)纖維光學(xué)纖維:中央折射率中央折射率大大,表層折射率小的透表層折射率小的透明細(xì)玻璃絲明細(xì)玻璃絲.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共88頁2211sinnsinn現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共88頁12cnnsin現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共88頁ci2n1n21nn 外反射：外反射：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁

4、，共88頁ci入射角大于入射角大于臨界角的光臨界角的光線發(fā)生全反線發(fā)生全反射射2n1n21nn 內(nèi)反射，全內(nèi)反射：內(nèi)反射，全內(nèi)反射：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共88頁121111100s1ncosnsinnsinnin121nnsin2221n-nnsin001現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共88頁22210n-nn1sinc22210n-nn1sinNAc現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共88頁 2008-10-17現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共88頁三、傳光損耗 在實(shí)際上，光纖傳光中，存在費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗

5、以及彎曲損耗等。 下面簡要分析階躍型多模光纖的損耗?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共88頁（一）費(fèi)涅耳反射損耗201201)()(nnnnR221)1 (RT現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共88頁axeII0現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共88頁1secACABlm1secACABlm1secLx 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共88頁1sec02aLeIIT1secLx 1sec0aLeIIaxeII0現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共88頁（三）全反射損耗dtgACtgACd1121,21tgdLN 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共88頁 由上式可知，隨著入射角的增加，光路長度和反射次數(shù)也會增加，光的衰減也會越來越嚴(yán)重?？紤]每

6、次全反射的損耗率為A，則光強(qiáng)的透射系數(shù)T3為1tgdLN 1)1 ()1 (3tgdLNAAT現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共88頁11)1 ()1 (sec2tgdLaLAeRT 將三種損耗綜合考慮，可以得出光纖的總透射率T為：式中： T光纖的總透射率R費(fèi)涅耳反射損耗率a光纖纖芯的吸收系數(shù)L光纖總長度d光纖纖芯的直徑1光線在光纖端面上的折射率現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共88頁A:邁克爾遜干涉儀；b：馬赫-澤德干涉儀；c:塞格納克干涉儀；d：法布里-珀羅干涉儀現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共88頁這類傳感器利用光纖這類傳感器利用光纖 本身對外界被測對象本身對外界被測對象具有敏感

7、能力和檢測具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等測對象作用下，如光強(qiáng)、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信息。光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，須用特殊光纖，成本高，典型例子典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。：光纖陀螺、光纖水聽器等?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共88頁傳光型光纖傳感器的光纖傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待只當(dāng)作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其測對象的調(diào)制功能

8、是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖只起傳光作用。光纖只起傳光作用。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。成本低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：靈敏度較低。靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共88頁Ln12光光纖纖軸軸應(yīng)應(yīng)變變式式中中：LLnnLnLLnLL)(2)(21111現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共88頁（二）應(yīng)用舉例現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共88頁二、光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三

9、十八頁，共88頁（一）微彎曲損耗原理當(dāng)光線在光纖的直線段以大于臨界角入射界面（1c），則光線在界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時(shí)，入射角將小于臨界角（1c）。此時(shí)，一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層，從而導(dǎo)致光能的損耗?；谶@一原理，研制成光纖微彎曲傳感器?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共88頁光纖微彎曲位移（壓力）傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成。其中一塊是活動板；另一塊是固定板。一根階躍多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對波形板之間通過。當(dāng)活動板受到微擾（位移或壓力作用）時(shí)，光纖就會發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中再分配：一部分光從芯模（傳播

10、模）耦合導(dǎo)包層模（輻射模）；另一部分光反射回芯模。當(dāng)活動板的位移或所加的壓力增加時(shí)，泄漏到包層的散射光隨之增大；相反，光纖芯模的輸出光強(qiáng)就減少。光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系如下圖所示?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共88頁這樣光強(qiáng)受到了調(diào)制。通過檢測泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度，就能測出位移（或壓力）信號。光纖微彎曲傳感器，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)范圍寬，線性度較好，性能穩(wěn)定。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共88頁（二）臨界角光纖壓力傳感器 臨界角光纖壓力傳感器也是光強(qiáng)調(diào)制型傳感器。如右圖所示，在一根單模光纖的段部切割一個(gè)反射面。切割角剛小于臨界角。 臨界角c由纖芯折射率n1和光纖端部介質(zhì)的折射

11、率n3決定：131sinnnc 如果臨界角部接近45，那么就需要在端面再切割一個(gè)反射面?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共88頁 入射光線在界面上的入射角是一定的。由于入射角小于臨界角，一部分光折射入周圍介質(zhì)；另一部分則返回光纖。返回的反射光被分束器偏轉(zhuǎn)到光電探測器輸出。 當(dāng)被測介質(zhì)的壓力（或溫度）變化時(shí)，將使纖芯的折射率n1和介質(zhì)的折射率n3發(fā)生不同程度的變化，引起臨界角發(fā)生改變，返回纖芯的反射光強(qiáng)度也就變化。 基于這一原理，有可能設(shè)計(jì)出一種微小探針壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)是靈敏度較低。然而頻率響應(yīng)高、尺寸小卻是它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共88頁VHLdlHVL0 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十

12、四頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共88頁 光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將光纖繞在被測導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)路定律，距導(dǎo)線軸心為R處的磁場為 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖光纖I P12121IIIIRIH2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共88頁VLRI2 由前面二式可知，電流強(qiáng)度I與線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)角度成正比。該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動對測量結(jié)果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖光纖I P12121IIIIRIH2VHL可得偏轉(zhuǎn)角和現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共88頁由

13、于探測器不能直接檢測光的偏振態(tài)，需要將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)度信號。一種檢測方法采用Wollaston棱鏡WP，由光源發(fā)射的激光經(jīng)起偏器P1變?yōu)榫€偏振光進(jìn)入傳感光纖，在輸出端將檢偏器P2輸出的正交偏振分量在空間上分成兩路輸出，分別被探測器1與探測器2接收。探測器1與探測器2接收的光強(qiáng)信號分別為)4/(cos201 II)4/(sin202 II經(jīng)信號處理可得到偏振面的偏轉(zhuǎn)角21211sin21IIII P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖光纖I P12121IIII現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共88頁P(yáng)IIII121211sin21sin21 該解調(diào)方法的特點(diǎn)是可以有效消除光源強(qiáng)度波動對

14、測量結(jié)果的不利影響。 P2 WP 探測器1探測器2I1I2光源光纖光纖I P12121IIII2121IIIIP設(shè)：則：得：2sinP當(dāng)線偏振光旋轉(zhuǎn)角度很小時(shí)，有2P現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共88頁第三節(jié) 非功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器中主要是光強(qiáng)調(diào)制型?？煞譃閭鬏敼鈴?qiáng)調(diào)制型和反射光強(qiáng)調(diào)制型。 一、傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 一般在兩根光纖（輸入光纖和輸出光纖）之間配置機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件。 敏感元件調(diào)制傳輸光強(qiáng)的方式有： 改變輸入光纖和輸出光纖之間的相對位置、遮斷光路和吸收光能等?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共88頁（一）改變光纖相對位置的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器原理現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁，

15、共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁，共88頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十三頁，共88頁 因此在實(shí)際使用中，應(yīng)限制光纖的位置距離，使傳感器在變化距離較小的一段線性范圍內(nèi)，從曲線還可以看出，角越大，曲線的線性段斜率越大。所以為了使傳感器獲得較高的靈敏度，光纖端面的傾斜面（90）要切割得較小?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十四頁，共88頁 2008-10-24現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十五頁，共88頁（二）遮斷光路的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器原理在兩根大芯徑多模光纖之間放置一對線光柵。當(dāng)兩光柵相對平行移動時(shí)，透射光強(qiáng)度發(fā)生變化。圖717 光柵調(diào)制光強(qiáng)的原理圖現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十六頁，共88頁當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過部分和不透過部分重合，這

16、時(shí)將沒有光透過光柵，輸出光強(qiáng)為零。 當(dāng)兩光柵所處的位置正好是全透過和全透過部分重合，這時(shí)輸出光強(qiáng)為最大。 可見輸出光強(qiáng)將隨兩光柵的相對位移成周期性變化。假設(shè)兩個(gè)光柵的間距為5m、格子寬5m的柵元組成，則透射光強(qiáng)如下右圖所示。圖717 光柵調(diào)制光強(qiáng)的原理圖圖719 透射光相對強(qiáng)度與光柵相對位移的關(guān)系現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十七頁，共88頁二、反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器二、反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 反射式位移傳感器 ，其基本原理如圖所示。光源發(fā)出的光通過光纖射向被測物體，其反射光由接收光纖收集，送到探測器，接收光強(qiáng)將隨著反射物體表面與光纖探頭端面的距離變化。通過信號處理得到光纖端面與被測面之間距離的變化（位

17、移）。 探測器光源被測面被測面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖接收光纖接收光纖反射式位移傳感器反射式位移傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十八頁，共88頁Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r 為了定量的說明接收光強(qiáng)變化與位移之間的關(guān)系，參考下圖。反射鏡面即被測物的移動是與光纖探頭端面垂直的。反射鏡面在其背面距離d處形成輸入光纖的虛象。因此光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和接收光纖的耦合是等效的。0現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十九頁，共88頁Ra交疊面R= r+2dT000sinsinnNAdaNAT2tan)tan(sin01假設(shè)兩根光纖均為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖間隔為a，并定義)ta

18、n(sin1NAT現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十頁，共88頁Ra交疊面R= r+2dT接收光纖被測面?zhèn)鬏敼饫w傳輸光纖像da2r 當(dāng)距離 時(shí)，兩光纖的光耦合為零，即沒有反射光進(jìn)入接受光纖； 當(dāng)距離 時(shí)，兩光纖的光耦合隨距離的增大而加強(qiáng)；Tad2/ 當(dāng) 時(shí)，兩光纖的耦合最強(qiáng)，接收光強(qiáng)達(dá)到最大值。此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐完全覆蓋接收光纖端面。 當(dāng) 時(shí)，兩光纖的耦合反而減少。Trad2/ )2( 0Trad2/ )2( TadTra2/2/ )2(現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十一頁，共88頁 反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系如右圖所示。 當(dāng)位移d相對光纖直徑r較小時(shí)（dr）時(shí)，則按x-2的規(guī)律變化。曲線在峰頂?shù)膬蓚?cè)有兩段近似線性的工作

19、區(qū)域（AB段和CD段）。AB段的斜率比CD段的大，線性也較好。因此位移和壓力傳感器的工作范圍選擇在AB段，偏置工作點(diǎn)則設(shè)在AB段的中點(diǎn)M點(diǎn)。AB段的靈敏度和線性度較好，但測量范圍較小。CD段可以測量較大的范圍，偏置工作點(diǎn)設(shè)置在N點(diǎn)，但靈敏度較低。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十二頁，共88頁 光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到廣泛的重視廣泛的重視, , 它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。第四節(jié)第四節(jié) 光纖傳感器的應(yīng)用舉例光纖傳感器的應(yīng)用舉例現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十三頁，共88頁 光纖加速度傳感器的組

20、成結(jié)構(gòu)如下圖所示。 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合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號, 經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 一、一、 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十四頁，共88頁利用馬赫一澤德干涉儀的光纖加速度計(jì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十五頁，共88頁 如右圖所示，在兩根光纖之間懸掛一塊質(zhì)量塊，光纖1牢固地固定在殼體上端蓋和質(zhì)量塊上；光

21、纖2牢固地固定在質(zhì)量塊和傳感器底座上。安裝時(shí)光纖稍微繃緊。這兩根光纖分別被熔接在干涉儀的每一條臂上。光纖加速度傳感器工作原理的具體分析現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十六頁，共88頁 當(dāng)傳感器受到垂直向上的加速度時(shí)，慣性力的作用將使光纖1的軸向應(yīng)變增強(qiáng)，長度伸長L而光纖2的軸向應(yīng)變減弱，長度縮短L。這樣質(zhì)量塊加速所受力F為 F2ST=ma 式中 S為光纖的截面積； T為每根光纖上單位面積張力的變化量； m質(zhì)量塊質(zhì)量 a加速度 式中的因子2是指兩根光纖?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十七頁，共88頁 張應(yīng)力變化引起的光纖應(yīng)變LLL由下式給出ESmaETL2式中 E光纖材料的彈性模數(shù)。 當(dāng)光纖受應(yīng)變后，光速經(jīng)過長度為L光纖的傳

22、播，光的相位將發(fā)生變化。其變化為：)(2)(21111nnLnLLnL式724現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十八頁，共88頁 當(dāng)折射率n1所引起的作用很小時(shí)，可以忽略。這樣光纖中傳播光的相位移為)(211nnLLLLn12ESmaETL2 將代入上式，且因42dS則得214dELman現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十九頁，共88頁 由上式可知，光相位的變化（兩根光纖則變化量加倍）與加速度成正比。利用光學(xué)干涉技術(shù)就可測出加速度。214dELman現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十頁，共88頁 在光纖加速度傳感器中，光纖起著支承質(zhì)量塊的彈簧的作用，因而質(zhì)量塊將會振動，可以計(jì)算出其的振動頻率。 當(dāng)質(zhì)量塊沿光纖軸向位移距離x所需的彈簧力F為kx

23、LESxF2由此可得LESk2式中 k光纖的彈性常數(shù)； E光纖材料的彈性模量； S光纖的截面積； L光纖的長度現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十一頁，共88頁 由此可得質(zhì)量塊連在彈性常數(shù)為k的光纖上時(shí)，其諧振頻率為mkf21將LESk2代入上式，且因42dS則可得LmEdf82現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十二頁，共88頁 左上圖為典型的光纖加速度傳感器的頻響特性?？梢钥闯?，光纖加速度傳感器的頻率響應(yīng)并不高，一般只能響應(yīng)幾百赫茲頻率的振動。 右上圖為光纖加速度傳感器對加速度的響應(yīng)特性?？梢娋哂辛己玫木€性響應(yīng)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十三頁，共88頁二、光纖磁場傳感器 鎳、鐵、鈷等金屬結(jié)晶材料和鐵基非晶態(tài)金屬玻璃（FeSiB）具有很

24、強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)。 將單模光纖和磁致伸縮材料粘合在一起，沿磁場軸向放置。由于磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)，光纖被迫產(chǎn)生縱向應(yīng)變，使光纖的長度合折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中的傳播光產(chǎn)生相移。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十四頁，共88頁 光纖磁場傳感器由三種結(jié)構(gòu)形式如上圖所示。 a、在磁致伸縮材料的圓柱上卷繞光纖； b、在光纖表面上包上一層鎳護(hù)套或用電鍍方法鍍上一層約10m后的鎳或鎳合金金屬層。 c、用環(huán)氧樹脂將光纖粘貼在具有高磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃帶上?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十五頁，共88頁 相位調(diào)制光纖磁場傳感器的靈敏度極高，一種包鎳護(hù)套的光纖傳感器，當(dāng)光纖長1米時(shí)，可檢測到1.410-3A/m的磁場強(qiáng)度。如采

25、用更強(qiáng)的磁致伸縮效應(yīng)的金屬玻璃材料左護(hù)套，當(dāng)光纖長度為1千米時(shí)，預(yù)計(jì)可檢測小至410-9A/m的磁場。 光纖磁場傳感器的線性度也很好，如右圖所示為包鎳的光纖傳感器對于頻率為10kHz的交流磁場的響應(yīng)曲線?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十六頁，共88頁l在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動時(shí),光纖就發(fā)生振動,其振動頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí),其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。 光源頻譜分析記錄探測器123451 夾具2 密封膠3 液體流管4 光纖5 張力載荷現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十七頁，共88頁 當(dāng)流體流動受到一個(gè)

26、垂直于流動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近似與流體的流速成正比，即 式中: v流速; d流體中物體的橫向尺寸大小; S斯特羅哈（Strouhal）數(shù), 它是一個(gè)無量綱的常數(shù), 僅與雷諾數(shù)有關(guān)。 上式是旋渦流體流量計(jì)測量流量的基本理論依據(jù)。由此可見，流體流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。 dsvf 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十八頁，共88頁l光纖的振動頻率與流體的流速和光纖的直徑有關(guān)。在光纖直徑不變時(shí)，近似正比于流速，如右圖所示。光纖中的相干光是通過外界擾動（如振動）來進(jìn)行相位調(diào)制的。在多模光纖中，由于眾多模式干涉的結(jié)果，在光纖射出端可以觀察到“亮”、“暗”無規(guī)則相間的斑圖?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十九頁，共88頁光電探測器信號檢測與處理傳感頭傳輸光纖光源 如右圖所示，用一個(gè)小型光電探測器接受斑圖中的亮區(qū)，便可接受光纖振動頻率的信號，經(jīng)過頻譜儀分析便可檢測出振蕩頻率，由此可計(jì)算液體的流速及流量。 光纖流量傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是能在易爆、易燃的環(huán)境中安全可