5.3.4光纤传感器的应用《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

5.3.4光纤式传感器应用 1 光纤温度传感器 2 光纤位移传感器 3 光纤流量、流速传感器 4 光纤磁传感器 5 医用光纤传感器 6 分布式光纤传感器 光纤式传感器应用 7 工业用内窥镜 8 光纤加速度传感器 9 光纤光栅传感器 10 光纤层析成像分析技术及应用 11 光纤纳米生物传感器 12 光纤传感领域的发展 1 光纤温度传感器 光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。 1 光纤温度传感器 1.半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所示。半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。 1 光纤温度传感器 若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。 1 光纤温度传感器 图示为双光纤参考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感器的结构框图。 光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在40 ℃～120 ℃之间，精度为±1 ℃。 1 光纤温度传感器 2.干涉型光纤温度传感器 温度变化能引起光纤中传输光的相位变化，利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用马赫—曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产生的相位变化为 式中，L为感受温度变化的光纤段的长度，l为光源波长。 1 光纤温度传感器 例8.1 若已知光源波长l＝0.6328 mm，对n＝1.456的单模石英玻璃光纤，有 试计算在1 m的光纤上，温度每变化1 ℃时，将有几根条纹移动。 1 光纤温度传感器 解 根据式(8.20)，对温度求导得 代入已知条件得 则条纹移动数 。 2 光纤位移传感器 1.反射强度调制型位移传感器 通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。 2 光纤位移传感器 发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类)，如图所示。 2 光纤位移传感器 反射光强与位移的关系如图所示。可以看出，随机分布时传感器的灵敏度和线性都较好。还可以看出，AB段的灵敏度和线性好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。 1—随机分布；2—对半分布；3—同轴分布；4—同轴分布 A M B C D M 2 光纤位移传感器 假设传感器工作在AB段，偏置工作点在M，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是M点所对应的距离XM。由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光强减少，故由此可确定位移方向。 1—随机分布；2—对半分布；3—同轴分布；4—同轴分布 A M B C D M 2 光纤位移传感器 光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几mm的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动，而且是非接触测量。 2 光纤位移传感器 2.干涉型光纤位移传感器 干涉型光纤位移传感器和反射光强调制型位移传感器相比，测量范围大，测量精度高。 测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。 1－氦氖激光器；2－分束器；3－扩束镜；4－反射镜；5－可移动四面体棱镜；6－全息照片；7－光纤参考臂；8－光探测器；9－可逆计数器；10－光阑 物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉条纹。四面体棱镜移动时，由于光程差变化而使干涉条纹移动，从干涉条纹的移动量可以确定位移的大小。两个光探测器用来确定移动方向。 1－氦氖激光器；2－分束器；3－扩束镜；4－反射镜；5－可移动四面体棱镜；6－全息照片；7－光纤参考臂；8－光探测器；9－可逆计数器；10－光阑 2 光纤位移传感器 3 光纤流量、流速传感器 1.光纤涡流流量计 原理如图所示。采用一根横贯液流管的大数值孔径的多模光纤作为传感元件。光纤受到液体涡流的作用而振动，这种振动与液体的流速有关。 3 光纤流量、流速传感器 根据流体力学原理，由于光纤不是流线体，在一定条件下，在其下游会产生涡流