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强度调制光纤加速度传感器

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光纤加速度传感器的研究进展

光纤加速度传感器的研究进展

的质量块 ， 此 时 光 栅 与 悬 臂 梁 的 中 性 层所 成 的 角 度 为９． ６ 。 。 加 速 度 的 变 化 会 引起 光
带 宽 与 加 速 度 大 小 成 线性 关 系 ， 且 灵 敏 度
需 求 促 进 了加 速 度 传 感 器 的 不 断 发 展 ， 从 导 致 激 光 偏 振 态 的 改 变 。 从 另外 一 端 输 出 上 的 硅微 反射 镜 形 成一 个 Ｆ — Ｐ 谐振 腔 。 在Ｖ 的偏 振 光 经过 检 偏 器 后 通 过 光 电二 极 管 来 形 槽 与 光 纤 固 定 支 架 之 间 装 有 一 个 ＰＺ Ｔ， 检测 ， 不 同 的 加 速 度 大 小 对 应 不 同 的 偏 振 通 过 施 加 音 频 信 号 对 腔 长 生 成 相 位 载 波 （ Ｐ ＧＣ） 调制 ， 腔 长 的 变化 与光 纤轴 向方 向 的
Ｆ Ｐ ｅ ｎ ｇ 等人 于２ Ｏ １ ２ 年 设计 了一种 紧凑 温 度 不 敏 感 型 加 速 度 传 感 的 目 的 。 ｗ － Ｊ
１ 光纤 光学加速 度传感器
１ ． １强 度调 制型 强度 调 制 型加 速 度 传 感器 是 指 通 过 调 制 光 纤 中 传输 光 的 强 度从 而 达 到 测 量 加 速 度 的 目的 ， 主 要 包 含 有透 射 式 、 反射式 、 偏 解调 、 成 本 相对 低 廉 ， 缺 点是 精 度 不高 。 （ １ ） 透 射式 光纤 加 速 度传 感器 。
种 类 繁 多 的 加 速 度 传 感 器结 构 ， 而 光 纤 加 态 ， 即 不 同 的 接收 光 强 ［ 】 １ 。 速 度 传 感 器 相 比 于 硅 微 电 子 式加 速 度传 感 １ ． ２相位 调 制型 器来说 ， 高精度 、 不受电磁干扰 、 能 在 恶 劣

光纤强度调制加速度传感器的研究

光纤强度调制加速度传感器的研究

Ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉ ｅ － ｐ ｉ ｎｔ ｎ ｉｙ‘ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｃ ｌ ｒ ｔｏ ｅ ｏ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ ｆｂ ｒ ｏ ｔｃ ｉ ｅ ｓ ｔ ‘ ｄ ｌ ｔｏ ｃ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｓ ｎｓ ｒ － ｍ
Ｃｈ ｎ Ｔａ ＬｉＰｅｌ ， ｕ Ｊ ａ ｕ ｅ ｏ， ｉｉ Ｚｏ ｉ ｎｈ ａ
聚 焦 透 镜 ） 连 同护 套 承 担 ， 质 量 块 的 上 下 侧 原 理是 采 用 惯性 原 理 ， 利
用质量 块感受 被测 件 运动 时 产 生 的惯 性力 或 位移 ， 测 量 出 此 惯 性 力 或 位 移 即 可 测 量 出 相 应 的 加 速
ｄ ｓ ｕ ｂ ｎ ｅ ａ ｄ ｍｉｒ ｂ ｎ ｉ ｇ ｌＳ ｒ ｆｅ ｔｖ １ ｏ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｍｕ ａ ｅ ｏ ｉｔ ｒ ａ ｃ ｎ ｃ ｏ ｅ ｄ ｎ Ｏ Ｓ ａ ｅ ｅ ｆｃ ｉ ｅＹ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｅ ｎ ｈ ｉ ｌ ｔｄ ｃ ｍｐ ｔ ｔ ｎ ｎ ｎ ｔ ｌｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ａ ａ ａ ｅ ｕ ａ ｉ ｓ ａ ｄ ｉ ｉ ａ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｒ ｏ ｉ ｇｖ ｎ ｉｅ ．ｗｈ ｃ ｎ ｉａ ｅ ｔ ａ ｈ ｓａ ｃ ｌｒ ｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ａ ｏ ｄ ｌ ｅ ｒｔ ，ｃ ｎ ｉｔ ｎ ｙ ａ ｄ ｓａ ｉ ｔ ． ｉｈ ｉ ｄｅ ｔ ｈ ｔｔ ｉ ｃ ｅｅ ａ ｉ ｅ ｓ ｒｈ ｓ ｇ ｏ ｉ ａ ｉｙ ｏ ｓｓ ｅ ｃ ｎ ｔ ｂ ｌ ｙ ｏ ｎ ｉ
Ｇ ｒ ｄ ｅ —ｎｄ ｘ （ ａ ｉｎｔＩ ｅ ＧＲ Ｉ ） ｌｉｓｊ ｒ ｃ ｌ ｓ ｄ ａ ｅ ｉｉｅ ｉ ａ ｓａｎ Ｗ Ｏ ｃ ｌｍ ａ ｏ ｓＦ ｅ ａ ｏｐｔｄ ｆ ｅ ｅ ｉ ． Ｔｈｅｏｐｔｃ ｏｕ Ｎ ｅｌ ｓｄｉｅ ｔｙ ｕ ｅ ｓａ ｓ ｎｓｔｖ ｌ ｓ ｄ ｔ ｏｌｉ ｔ ｒ ｉ ｄ ｌ ｒ ｅ ｏｒｒ ｃ ｐｔｏｎ ｉａｌ ｅ —

光纤加速度传感器的工作原理

光纤加速度传感器的工作原理

光纤加速度传感器的工作原理引言：光纤加速度传感器是一种常用于工业和科学研究领域的传感器，它可以测量物体的加速度，并将其转化为光信号进行传输和处理。

本文将介绍光纤加速度传感器的工作原理及其应用。

一、光纤加速度传感器的基本原理光纤加速度传感器的工作原理基于光纤的光学特性和加速度对光纤的影响。

光纤是一种细长而柔软的光导纤维，通常由高折射率的芯和低折射率的包层构成。

当光线从高折射率的芯进入低折射率的包层时，会发生全反射现象，使光线在光纤中传输。

光纤加速度传感器利用光纤的这种传输特性，通过将光纤固定在测量物体上，并使其与物体一起运动，当物体发生加速度变化时，光纤也会随之发生微小的形变。

这种形变会影响光线在光纤中的传输，进而改变光纤输出的光信号。

通过测量光信号的变化，可以确定物体的加速度大小。

二、光纤加速度传感器的工作过程光纤加速度传感器的工作过程可以分为三个步骤：光源发射光束、光束在光纤中传输、光信号检测与处理。

1. 光源发射光束光纤加速度传感器通常使用激光二极管作为光源，激光二极管可以产生高亮度和窄束的光束。

光源发射的光束经过适当的光学系统聚焦到光纤的一端，形成入射光束。

2. 光束在光纤中传输入射光束进入光纤后，会在光纤中进行全反射，沿着光纤传输。

当光纤受到加速度作用时，由于光纤的形变，光束的传输路径会发生微小的改变。

这种改变会导致光纤输出的光信号发生变化。

3. 光信号检测与处理光纤输出的光信号进入光电探测器，光电探测器会将光信号转化为电信号。

通过对电信号进行放大和滤波处理，可以得到与加速度大小相关的电信号。

最后，将电信号传输到信号处理单元进行分析和处理，得到准确的加速度数值。

三、光纤加速度传感器的应用光纤加速度传感器具有精度高、抗干扰能力强、体积小等优点，广泛应用于多个领域。

1. 工业领域光纤加速度传感器可以用于检测机械设备的振动和冲击，实时监测设备的工作状态，预测设备的健康状况，及时进行维护和修理，提高设备的可靠性和使用寿命。

南开24年秋季《感知技术与应用》作业参考一

南开24年秋季《感知技术与应用》作业参考一

24秋学期《感知技术与应用》作业参考1.以下不属于摄像管中信号放大方式的为（）。

选项A：电子电导增益选项B：靶面次级发射增益选项C：电子激发电导选项D：移像式增益参考答案：A2.下列不属于物联网智能交通的研究思路的是（）选项A：面向城市交通的大系统，利用物联网的感知、传输与智能技术，实现人与人、人与车、车与路的信息互联互通选项B：针对“人、车、路、基础设施”其中一个主要问题，采取“专项治理”的思路去解决选项C：通过提高车辆主动安全性，达到进一步提高车与人通行的安全性与道路通行效率的目的选项D：实现“人、车、路、基础设施与计算机、网络”的深度融合参考答案：B3.关于RFID标签的描述，错误的是（）选项A：根据工作方式的不同，RFID标签可分为被动式、主动式和半主动三种选项B：无源RFID标签体积小、重量轻、价格低、使用寿命长，但是读写距离短选项C：有源RFID标签读写距离远、存储数据多，但是容易受到周围电磁场的干扰选项D：半主动式RFID标签能够将被动式和主动式的优点结合起来参考答案：C4.下列不属于二维条码特点的是（）选项A：信息容量大选项B：编码范围广选项C：容错能力强选项D：成本较高参考答案：D5.下列哪一种传感器不是按照其制造工艺分类得到的结果（）选项A：集成传感器选项B：液面传感器选项C：薄膜传感器选项D：陶瓷传感器参考答案：B6.下列不属于生物传感器按照敏感膜材料分类的是（）。

选项A：酶传感器选项B：免疫传感器选项C：微生物传感器选项D：光生物传感器参考答案：D7.以下不属于电化学传感器的是（）选项A：电流型传感器选项B：电导性传感器选项C：表面等离子共振传感器选项D：场效应传感器参考答案：C8.按（）的不同，光纤传感器可以分为强度调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、波长（颜色）调制光纤传感器、相位调制光纤传感器和偏振态调制光纤传感器。

选项A：被测物理量选项B：光波被调参数选项C：测量对象选项D：传感器传感原理。

南开大学22秋《感知技术与应用》在线作业三

南开大学22秋《感知技术与应用》在线作业三

2022年秋季新学期南开大学《感知技术与应用》在线作业(含参考答案)按（）的不同，光纤传感器可以分为强度调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、波长（颜色）调制光纤传感器、相位调制光纤传感器和偏振态调制光纤传感器。

A:被测物理量B:光波被调参数C:测量对象D:传感器传感原理正确选项：B凡是由传感器、传感技术及利用某种物体相互作用而感知物体的特征，按约定的协议实现任何时刻、任何地点、任何物体、任何人，实现所有人与人、物与物、人与物之间互联互通，进行信息交换和通信的一种网络，称为（）A:传感器网络B:无线局域网C:物联网D:互联网正确选项：C下列不属于物联网智能硬件的人机交互技术研究的是（）A:桌面交互B:人脸识别C:虚拟现实D:增强现实正确选项：A当车车通信由于距离较远无法实现时，车辆可以通过路边的接入设备或基站连接到服务器，路边的设施通常由一些功能模块组成，下列不属于路边的设施的是（）A:装载在车辆上的敏感系统B:道路设施的信息获取敏感器件C:报警系统D:体域医学无线传感器正确选项：D关于MEMS传感器，以下说法错误的是（）A:从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等B:谐振式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的C:MEMS加速度计分为电容式、压电式和压阻式D:谐振式加速度计易于实现高精度测量，也成为微传感器的一个重要发展方向正确选项：B下列不属于无线网络协同实现分层次的交通相关信息采集和协同管理所采用的技术的是（）A:数据传输技术B:传感技术C:信息处理技术D:无线通信技术正确选项：A压电材料具有的良好特性不包括（）。

A:强度高B:较小的压电常数C:时间稳定性好D:固有振荡频率稳定正确选项：B下列哪一种传感器不是按照其制造工艺分类得到的结果（）A:集成传感器B:液面传感器C:薄膜传感器D:陶瓷传感器正确选项：B下列关于无线传感器网络定位技术的描述，错误的是（）A:无线传感器的覆盖方式分为两类，确定部署与随机部署B:传感器节点通常以随机播撒的方式部署，节点之间以自组织方式互联成网C:随机部署的传感器节点也可以事先确定自身位置，实时地进行定位D:目前定位方法主要有基于距离、基于距离差以及基于信号特征的定位方法正确选项：C磁敏二极管和磁敏三极管是（）结型的磁电转换元件。

光纤传感器的原理及应用

光纤传感器的原理及应用

统外部观察 、 监视系统 内部情 况， 其原理 图如 下图 ４所示 。它 由物镜 、 传像束 、 传光束、 目镜组成 。光源发出的光通过光束 照 射到被测物 体上 ， 明视场 ， 照 通过物镜和传像 束把 内部结构 图 像送出来， 以便观察或照相 。
接 收装置转换为 电信号 ，经过信 号处理电路处理后便 可 以正
聂 帅华 ， ， 西 南 昌 人 ， 男 江 本科 在 读 。研 究方 向 ： 子技 术 ， 电 通信 工程 。
６ ８—
一
应 用 技 术 与 研 究 囊
中的光强度产生调制。可直接连接光探测器变成 电信号 （ 即调 制的强度包括 电信号） 。
３ ． 相 位 调 制 光 纤 传 感 器 ．２ ２
一
部分反射回纤芯。 但当入射角ｅ 小于临界入射角ｅ 时， 。 光线
反复逐 次全反射 ， 呈锯齿波形状在纤芯 内向前传播 ， 最后从光
纤 的 另一 端 射 出 ， 就 是 光 纤 的 传 光 原理 【 这 ２ ＿ 。
器解调后 ， 获得被测参数 。
３２ 光 纤 传 感 器 分类 ．
就 不 会 透 射 出 界面 ， 全 部 被 反 射 ， 在纤 芯 和 包 层 的 界 面 上 而 光
点介绍了光纤传 感器 的原理及 其在 各方面的广泛应用 。光 纤
传 感 器 的 应 用 远 不 止 于 此 ， 了上 述 应 用 之 外 ， 传 感 器 在 全 除 纤 光 网络 安 全 、 长 油 田使 用 、 物 传 感 、 联 网 等 各 方 面 也 有 延 生 物 重 要 应 用 ， 且我 们 相 信 光 纤传 感 器 还 会 得 到进 一 步 的 发 展 ， 并 应 用 到 人们 生活 的方 方 面 面 。

光纤传感技术课件：强度调制型光纤传感器

12
强度调制型光纤传感器
2. 透射式光桥补偿结构采用分光棱镜耦合的方法， 将一束 通过传感头的入射光分成两束差动光， 实现对光源光功率和 入射光纤损耗的补偿； 将另一束光耦合进两根接收光纤， 实 现对两根接收光纤损耗和探测器响应度的补偿， 成功地设计 出一种双光路、 双探测器的新型光桥补偿结构， 达到较好的 补偿效果。
6
强度调制型光纤传感器
3.2.1
1. 光桥平衡法是基于具有两个输入和两个输出的四端网络传 感头结构， 两个输入端分别接两个相同的发光二极管光源， 两个输出端分别接两个相同的光电探测器， 两个发光二极管 光源采用时分调制或频率划分调制工作方式。 1985年由英国 CulShaw首先提出的光桥补偿结构如图3-2所示。
23
强度调制型光纤传感器
图3-5 采用反射式光桥补偿结构的测量精度
24
强度调制型光纤传感器
图3-6 采用反射式光桥补偿结构的长期稳定性
25
强度调制型光纤传感器
光桥平衡补偿法是保证强度调制型光纤传感系统稳定可靠 工作的有效途径之一。 本节对其进行了较详细的分析， 介绍 了透射式和反射式两种光桥补偿结构。 反射式光桥补偿结构 存在突出优点： 一是采用单光源分时发光的工作方式， 弥补 了双光源发光特性不一致造成的不利影响； 二是传感探头采 用反射式补偿光路， 不仅结构简单、 紧凑， 而且使传感系统 的灵敏度提高了一倍； 三是分时工作的两路光都通过传感探 头部分， 从而系统输出不仅对光源发光功率的波动、 光纤传 输损耗的变化和光电探测器响应度漂移因素进行了补偿， 同 时对传感探头分光棱镜分光比、 光学元件传输损耗的变化也 进行了补偿。
18
强度调制型光纤传感器
3. 为了进一步提高系统的稳定性， 简化系统的结构， 减小 传感头的体积， 降低造价， 使系统更趋于实用化， 人们又设 计出了一种反射式光桥补偿结构， 该结构如图3-4所示。

传感器与检测技术光纤式传感器

11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置，如定尺寸、定位、记数等。

特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。

如图11-1所示，当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。

•通过本项目的学习。

•主要给大家介绍光纤•式传感器（简称光纤•传感器）工作原理及•相关传感器。

知识准备•光纤传感器的结构和原理•（一）光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。

中心的圆柱体叫作纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。

纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。

光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。

在计算机控制下，可产生动态图案。

光纤的类型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。

梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。

常用光纤类型及参数如表所示。

纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2～880～1250.10～0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50 50～100125～1500.1～0.2 多模梯度光纤2．光纤的传输原理•（1）光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。

强度调制机理


• 2.赛格纳克光纤干涉仪 • 激光器输出的光由分束器分为反射和透射两部分， 这两束光由反射镜的反射形成传播方向相反的闭 合光路，然后在分束器上会合，被送入光探测器 中，同时也有一部分返回激光器。在这种干涉仪 中，把任何一块反射镜在垂直方向上移动，两光 束的光程变化都是相同的。因此，根据光束干涉 原理，在光探测器上探测不到干涉光强的变化。
• 光纤传感器技被测对象的不同、又可分为 光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤 浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速 传感器等。
5.2 强度调制机理
• 强度调制光纤传感器的基本原理是待测物 理量引起光纤中的传输光光强变化，通过 • 检测光强的变化实现对待测量的测量。一 恒定光源发出的强度为 Pi的光注入传惑 头．在传感头内，光在被测信号的作用下 其强度发生变化，即受到了外场的调制， 使得输出光强Po的包络线与被测信号的形 状一样，光电探测器测出的输出电流
第 5 章 光纤传感技术
5.1 引言
5.2 强度调制机理
5.3 相位调制机理
5.4 光纤位移传感器
5.5 光纤表面粗糙度传感器
5.6 光纤加速度传感器
பைடு நூலகம்
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5.1 引言
光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。
在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。
显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越 好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素
5.2.1 反射式强度调制
• 这是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传 光作用。这里光纤分为两部分，即输入光纤和输 出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。这种传 感器的调制机理是输人光纤将光源的光射向被测 物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中， 其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。 在距光纤端面d的位置放有反光物体——平面反射 镜，它垂直于输入和输出光纤轴移动，故在平面 反射镜之后相距d处形成一个输入光纤的虚像。

光纤传感器的应用研究(中英对照)

光纤传感器的应用研究摘要本文介绍了光纤传感器研究的目的、意义及其发展趋势，通过分析研究各类光纤传感器的基本原理，设计出了几种功能较完善的光纤传感器。

首先从研究光纤传感器的工作原理出发，分析各种光纤传感器的结构和原理，通过对原有光纤传感器的结构和控制机理的分析，结合学过的电子知识，设计光纤传感温度计、光纤传感压强计等。

在整个研究过程中采取实验和理论相结合的方式。

1绪论光纤传感器是70年代末发展起来的一种新型传感器，它具有不受电磁场影响，本质上安全防爆，体积小，耐腐蚀，灵敏度高等优点。

可用在传统传感器难以涉足的极端恶劣环境，所以在军事、航空航天、生物医学、建筑施工等领域被受青睐。

因此对光纤传感器的研究具有很重要的现实意义。

传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。

在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。

在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的魅力。

因此，光纤传感技术应用的研究具有很好的前景。

光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。

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文献标识码: A
文章编号: 1000- 9787( 2001) 11- 0020- 04
Intensity-modulation fiber optic acceleration sensor
FU Jing- qi1, LIU Jun1, DONG Xin- ping2
( 1. Sch. of Mechelectronical Engin. & Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China;
由式( 3) 、( 10) 可知, 当光纤材料、结构尺寸及
接收光纤与入射光纤间的距离确定, 那么, 传感器的
22
传感 器技 术
第 20 卷
最后输出与光源的光强、光纤本身的损耗及微弯附
加损耗等干扰是无关的, 只与被测加速度有关。 2 模拟计算及初步实验
由上面的理论分析可知, 传感器的输出特性主 要是与悬臂光纤的长度、光纤的间距等结构参数有 关。图 3 ~ 图 6 为传感器的输出特性与结构参数之 间的理论计算关系曲线。计算中采用对象光纤为阶 跃折射率分布玻璃光纤, 其特性参数分别取为: 数值 孔径 NA = 0. 3, E = 5. 9 1010Pa, D = 500 m,
2. The 49th Research Institute of the Electronics, Ministry of Information Industry, Harbin 150001, China)
Abstract: A transmission intensity- modulation fiber optic acceleration sensor is designed. The incident fiber optic is used as cantilever and sensitive mass. Two receive optec fibers are adoped . The output is compensated effectly after operated by addtion and subtration and divion to the disturbacce of light sour ce and microbending loss. The simulation operation and primery experiment results are provided. Key words: intensity-modulation; fiber optic; acceleration; sensor
为悬臂光纤的截面积; E 为光纤的杨氏模量; a 为加
速度; J 为截面惯性矩。对于圆形光纤
J=
D4 64
,
( 2)
式中 D 为光纤的直径。
将式( 2) 代入式( 1) , 并由 S =
1 4
D2 可得
y=
2L ED
4 2பைடு நூலகம்
a
.
( 3)
由式( 3) 可知, 悬臂光纤的最大变形量 y 与光纤
的材料特性( E, ) 、几何尺寸( L , D) 及加速度 a 有
20
传感器技术( Journal of Transducer Technology)
2001 年 第 20 卷 第 11 期
设计与制造
强度调制光纤加速度传感器
付敬奇1, 刘 俊1, 董新平2
( 1. 上海大学 机电工程与自动化 学院, 上海 200072; 2. 信息产业部电子第 49 研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001)
K1= K2
.
( 8)
exp1(- i iri ) = exp2(- i iri )
经过光电转换及加、减和比值运算后, 输出 V 为
V=
V( I1) V( I1) +
V( I2) V( I2)
.
( 9)
将式( 6) 、( 7) 、( 8) 代入式( 9) 可得
V=
th[
Dy R2( d
)
]
.
( 10)
图 6 为传感器的固有频率f 0 与悬臂梁长度 L 的 关系曲线, f 0 与 L 之间为反比关系。
图 7 V 与 a 之间关系曲线 Fig. 7 Characteristic of the relati on of V and a
经过最小二乘法进行处理后得到传感器的非 线性度分别为 3. 5% FS, 1. 5% FS。另外, 对只取 两根接收光纤中的任一根进行测试时, 传感器在相 同的条件下的 输出特性的非线性度并 无明显的变 化, 但在对入射光纤或接收光纤中的任一根进行抖
i s
KK R2
1I 0 (d)
ex
p1
(-
i
iri) exp{-
(
D 2 R2
(d
y )
)
2
}
d
s
,
s
( 5)
式中 K 1 为 接 收 光 纤 1 的 光 功 率 损 耗 系 数; exp1(- iri ) 为接收光纤 1 的微弯所附加的损耗; s
i
为接受光面积; d 为接收光纤与入射光纤间的距离;
= 2. 28 103 kg/ m3。 图 3为输出 V 与悬臂梁长度L 的关系, 在 d 一定
的条件下, 随着 L 的增加, V 也随之增加, 也就是传 感器的灵敏度增加, 当 L 增加到一定值后, V 的变化 很小, 趋于饱和。
根据上述原理与分析计算, 制作了一种传感器 的原理样机。所采用的光纤为阶跃折射率分布玻璃 光纤, 选择的结构参数为 L = 30mm, D = 500 m, d1 = 100 m, d2 = 200 m, 加 速 度 的 测 量 范 围 为 0 ~ 500m/ s2。传感器的输出特性曲线如图 7 所示。
s )
ex
p2(-
i
iri ) exp{-
(-
D
2 R 2(
+ d
y )
)
2
}
,
( 7)
式中 K 2 为 接 收 光 纤 2 的 光 功 率 损 耗 系 数; exp2(- i iri ) 为接收光纤 2 的微弯所附加的损耗。
由于接收光纤1 和接收光纤 2相同, 设计中使其 处于相同的环境下, 则有
0引言 加速度传感器是工业、国防等许多领域中进行
冲击、振动测量常用的重要传感器。其工作原理是 采用惯性原理, 利用质量块感受被测件运动时产生 的惯性力或位移, 测量出此惯性力或位移即可测量 出相应的加速度。传统加速度传感器采用机电方法 测量质量块的惯性力或位移, 光纤加速传感器则采 用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。与传 统加速度传感器相比, 光纤加速度传感器不但具有 抗电磁干扰的独特优点, 而且体积小、质量轻、动态 范围宽、准确度高、能在恶劣环境下工作, 因此光纤 加速度传感器的研究受到高度重视, 各种光纤加速 度传感器不断涌现。
其定义为 R( z ) = 0 + z 3/ 2 ktg c,
式中 a0 为光纤芯半径; k 为光纤耦合条件系数; c 为光纤最大入射角。
如果选择接收光纤 1 和接收光纤 2 是完全相同
的, 由图2 可知, 在加速度的作用下, 接收光纤 1 所接
受的光强为
D I 1( d , 2 - y ) =
=
K 1exp1( iri) d s
传感器的原理结构简图见图 1。
收稿日期: 2001- 05- 25
图 1 传感器原理结构简图 Fig. 1 Construction diagram of sensor princi pl e
第 11 期
付敬奇等: 强度调制光纤加速度传感器
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由图 1 可知, 传 感器主要由入 射光纤、接 收光 纤、发光驱动电路、光电转换电路、比值运算电路等 组成。其中入射光纤不但提供入射光, 而且它本身 又相当于悬臂梁和敏感质量块, 当加速度作用于传 感器的壳体时, 入射光纤必然受到一个与加速度成 比例的惯性力的作用, 使入射光纤产生挠曲变形, 两 个接收光纤所接收的光强也随之发生变化, 经过加、 减及比值运算, 从而产生一个与所受加速度成比例 的输出信号。 1. 2 传感器模型建立
关, 在光纤确定的条件下, y 与光纤长度 L 的四次方
成正比, 与光纤直径 D 的平方成反比。可见, 对 y 影
响最大的因素是悬臂光纤长度 L。
悬臂光纤的最小谐振频率 f 0 为
f0 =
0. 44D L2
E.
( 4)
由式( 4) 可知, 传感器的固有频率是与光纤的
材料特性( E , ) 及悬臂光纤的几何尺寸( L , D) 有
[ 1] 付敬奇, 陈关君. 智能 补偿光纤 位移传 感器[ J] . 传 感器技 术, 1999, 18( 4) : 35- 37.
[ 2] Mitsuteru Kimura, Katsuhisa Toshima. V ibration sensor using optica-l fiber cantilever with bulb-lens[ J] . Sensors and A ctuat ors, 1998, 66: 178- 183.
摘 要: 设计了一种透射式强度调制光纤加速度传 感器, 利 用入射光纤 直接作悬 臂梁和敏 感质量 块, 采 用
双接收 光纤, 经过加、减及比值运算, 使光源扰动及微弯损耗干扰的影 响得到有效地补偿, 给出了模拟计 算
和初步实验结果。
关键词: 强度调制; 光纤; 加速度; 传感器
中图分类号:TP212; TN253
图 6 固有频率 f 0 与悬臂梁长度 L 关系曲线 Fig. 6 Characteristic of the rel ation of f 0 and L