《传感器及应用》光纤传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》光纤传感器-讲义 知识点一 光纤传感器的原理及分类 光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。 纤芯由石英玻璃或塑料拉成，位于光纤中心，直径为5~75。纤芯外是包层，有一层或多层结构，总直径在100~200左右，包层材料一般为纯SiO2中掺微量杂质，其折射率略低于纤芯折射率。包层外面涂有涂料（即保护层），其作用是保护光纤不受损害，增强机械强度，保护层折射率远远大于包层材料折射率。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。 光纤传感器是以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维（简称光纤）、光检测器和附加装置等组成。 光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。光纤很细，柔软，可弯曲，是一种透明的能导光的纤维。 光纤之所以能进行光信息的传输，是利用了光学上的全反射原理，即人射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射，反射光仍以同样的角度向对面的界面入射，这样光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。 附加装置主要是一些机械部件，它随被测参数的种类和测量方法而变化。 按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器。 传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化的一种光纤传感器， 它仅起传输光信号的作用，所以也称为非功能型光纤传感器。 光纤传感器的基本原理是基于光在光纤中传输时的（ ）特性 A. 折射 B. 反射 C. 散射 D. 以上都是 【答案】D 【解析】光纤传感器的基本原理是基于光在光纤中传输时的折射、反射、散射等特性，通过这些特性的变化来感知外界物理量的变化。 1. 光纤传感器中，利用光纤的传输特性受外界因素（如温度、压力等）影响而发生变化来测量物理量的传感器属于（ ） A. 功能型光纤传感器 B. 非功能型光纤传感器 C. 拾光型光纤传感器 D. 传光型光纤传感器 【答案】A 【解析】功能型光纤传感器是利用光纤本身的传输特性受外界因素影响而发生变化来测量物理量，光纤不仅起传光作用，还起敏感元件的作用。 2. 下列不属于光纤传感器按测量对象分类的是（ ） A. 光纤温度传感器 B. 光纤压力传感器 C. 光纤位移传感器 D. 干涉型光纤传感器 【答案】D 【解析】干涉型光纤传感器是按光纤传感器的工作原理进行分类的，而不是按测量对象分类。 3. 光纤传感器中，光纤仅作为传光介质，在光纤的端面或中间加装其他敏感元件来感受被测量的变化，这种传感器是（ ） A. 功能型光纤传感器 B. 非功能型光纤传感器 C. 分布式光纤传感器 D. 点式光纤传感器 【答案】B 【解析】非功能型光纤传感器中，光纤仅作为传光介质，在光纤的端面或中间加装其他敏感元件来感受被测量的变化，光纤本身不具有敏感功能。 1. 基于光纤的微弯效应制成的光纤传感器属于（ ） A. 强度调制型光纤传感器 B. 相位调制型光纤传感器 C. 频率调制型光纤传感器 D. 偏振调制型光纤传感器 【答案】A 【解析】基于光纤的微弯效应制成的光纤传感器是通过微弯使光纤中传输的光强发生变化来实现测量的，属于强度调制型光纤传感器。 2. 下列光纤传感器中，利用光纤中传播光的相位变化来测量物理量的是（ ） A. 光纤光栅传感器 B. 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器 C. 光纤温度传感器 D. 光纤压力传感器 【答案】B 【解析】马赫-曾德尔干涉型光纤传感器是利用光纤中传播光的相位变化来测量物理量的，通过两束光的干涉将相位变化转化为光强变化进行测量。 3. 按照光纤传感器的传感机理，光纤陀螺属于（ ） A. 光栅型光纤传感器 B. 偏振型光纤传感器 C. 干涉型光纤传感器 D. 强度型光纤传感器 【答案】C 【解析】光纤陀螺是利用萨格纳克效应，通过干涉测量来检测旋转角速度，属于干涉型光纤传感器。 · 光纤为圆柱形，由纤芯、包层和保护层构成，利用全反射原理导光。 · 光纤传感器由光源、光纤、光检测器和附加装置组成，光源多样，光纤细且可弯曲。 · 按光纤作用，分为功能型和传光型。 · 功能型利用自身特性传感；传光型借助其他元件传感，光纤仅传光。 知识点二 光纤传感器的特点 光纤传感器具有以下一些特点： （1） 不受电磁场的干扰：当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场发生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，使其特别适合于电力系统。 （2） 绝缘性能高：光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，因而光纤绝缘性能高，可很方便地测量带高压电设备的各种参数。 （3） 防爆性能好，耐腐蚀：由于在光纤内部传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此光纤传感器的安全性能好。光纤传感器适合于有强腐蚀性对象的参数测量。 （4） 导光性能好：对传输距离较短的光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视其火焰的状态。 （5） 光纤细而柔软：可制成非常小巧的光纤传感器用于测量特殊对象及场合的参数。 光纤传感器具有很高的灵敏度，主要原因是（ ） A. 光纤的材质特殊 B. 光纤可以传输光信号 C. 光纤对环境变化敏感，能将微小变化转化为光信号变化 D. 光纤很细 【答案】C 【解析】 光纤传感器灵敏度高是因为光纤对诸如温度、压力、应变等环境变化很敏感，能把这些微小变化精确地转化为光的强度、相位、频率等光信号的变化，从而实现高精度测量。 1. 光纤传感器抗电磁干扰能力强的主要原因是（ ） A. 光纤是由玻璃或塑料制成 B. 光信号在光纤内传输，与电磁干扰隔离 C. 光纤的表面有绝缘层 D. 光纤传感器的电路设计特殊 【答案】B 【解析】光纤传感器抗电磁干扰能力强主要是因为光信号在光纤内部全反射传输，不与外界电磁场直接接触，几乎不受电磁干扰的影响。 2. 光纤传感器可用于恶劣环境，以下不属于恶劣环境的是（ ） A. 高温环境 B. 强腐蚀环境 C. 洁净的实验室环境 D. 高湿度环境 【答案】C 【解析】高温、强腐蚀、高湿度等环境对一般传感器有很大影响，但光纤传感器凭借其特性可在这些恶劣环境中工作，洁净的实验室环境不属于恶劣环境。 3. 光纤传感器便于实现分布式测量，是因为（ ） A. 光纤可以做得很长 B. 可以在一根光纤上布置多个传感点 C. 光纤的柔韧性好 D. 光纤的传输损耗低 【答案】B 【解析】光纤传感器便于实现分布式测量是因为可以在一根光纤上通过特殊技术布置多个传感点，对不同位置的物理量进行测量和监测。 1. 光纤传感器的体积小、重量轻的主要原因是（ ） A. 光纤本身直径小，且组成简单 B. 光纤传感器不需要复杂的电路 C. 光纤传感器的应用场景不需要大体积 D. 光纤传感器的精度高，不需要大尺寸来保证性能 【答案】A 【解析】光纤本身直径通常很细，而且光纤传感器的组成相对简单，不需要大量的金属等材料，所以具有体积小、重量轻的特点。 2. 光纤传感器的动态范围大意味着（ ） A. 它能在很大的空间范围内工作 B. 它能适应的温度范围大 C. 它能对快速变化的物理量进行准确测量 D. 它能测量的物理量范围很广 【答案】D 【解析】光纤传感器动态范围大指的是它能测量的物理量从很小的值到很大的值都能准确测量，即能测量的物理量范围很广。 3. 以下哪项不是光纤传感器耐腐蚀的原因（ ） A. 光纤的主要成分化学性质稳定 B. 光纤表面有保护膜 C. 光纤传感器没有金属部件接触腐蚀介质 D. 光纤传感器采用了特殊的封装技术 【答案】B 【解析】光纤主要成分是二氧化硅等，化学性质稳定，且光纤传感器一般无金属部件接触腐蚀介质，再加上特殊封装技术，使其耐腐蚀，一般光纤表面并无专门的保护膜来抗腐蚀。 · 抗电磁干扰强，光在光纤传输不与电磁场作用，适用于电力系统。 · 绝缘性能佳，光纤及外层涂覆均不导电，便于测量高压设备参数。 · 防爆且耐腐蚀，光能量小无安全隐患，能用于强腐蚀环境。 · 导光好且柔软，短距离传输损耗可略，还能制成小巧传感器用于特殊测量。 知识点三 光纤传感器的应用举例 光纤传感器应用的场合很多，工作原理也各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。 光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上，这种承载了被测量信息的调制光再经光探测系统解调，便可获得所需检测的信息。原则上说，只要能找到一种途径，把被测信息叠加到光波上并能解调出来，就可构成光纤传感器的一种应用。 常用的光调制有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种。 光纤传感器中光强度调制的基本原理可简述为以被测对象所引起的光强度变化，来实现对被测对象的检测。 图1为一种按光强度调制原理制成的光纤压力传感器结构图。这种压力传感器的工作原理是： （1） 被测力作用于膜片，膜片感受到被测力而向内弯曲，使光纤与膜片间的气隙减小，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。 （2） 气隙发生改变引起棱镜界面上全内反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强减小。 （3） 接收光纤内反射光强度的改变可由桥式光接收器检测出来。 （4） 桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和 膜片间的距离和膜片的形状有关。 光纤压力传感器的响应频率相当高，如直径为2mm、厚宽为0.65 mm的不锈钢膜片，其固有频率可达128 kHz，因此在动态压力测量中也是比较理想的传感器。 光纤压力传感器在工业中具有广泛的应用前景。它与其他类型的压力传感器相比，除抗电磁干扰、响应速度快、尺寸小、质量小及耐热性好等优点外，还特别适合于防爆要求的场合使用。 图1 光纤压力传感器结构图 按光强度调制原理制成的光纤压力传感器，其主要调制的物理量是（ ） A. 光的频率 B. 光的强度 C. 光的相位 D. 光的偏振态 【答案】B 【解析】 按光强度调制原理制成的光纤压力传感器，主要就是对光的强度进行调制，通过光强的变化来反映压力的变化。 1. 按光强度调制原理制成的光纤压力传感器中，引起光强度变化的主要原因是（ ） A. 压力导致光纤材料折射率变化 B. 压力使光纤发生形变从而改变光的传输路径和损耗 C. 压力改变了光源的发光强度 D. 压力影响了光纤的散射特性 【答案】B 【解析】在这类传感器中，压力作用于光纤，使光纤发生形变，比如拉伸或压缩，这会改变光在光纤内的传输路径和损耗，进而导致光强度变化。 2. 以下哪种不是按光强度调制原理制成的光纤压力传感器可能采用的结构（ ） A. 迈克尔逊干涉结构 B. 弹性膜片结构 C. 光纤光栅结构（利用压力致应变改变光强） D. 悬臂梁结构 【答案】A 【解析】迈克尔逊干涉结构主要用于光的干涉测量等，通常不是基于光强度调制原理的光纤压力传感器的典型结构，而弹性膜片、光纤光栅（利用压力致应变改变光强本质也是光强调制）、悬臂梁结构都可以通过压力作用改变光强来实现压力传感。 3. 按光强度调制原理制成的光纤压力传感器的优点不包括（ ） A. 精度高 B. 抗电磁干扰能力强 C. 响应速度慢 D. 可实现分布式测量 【答案】C 【解析】这类传感器通常具有精度高、抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优点，其响应速度一般是较快的，而不是慢。 1. 当按光强度调制原理制成的光纤压力传感器测量的压力增大时，一般情况下输出光强度会（ ） A. 增大 B. 减小 C. 先增大后减小 D. 不确定，与具体结构有关 【答案】D 【解析】不同结构的基于光强度调制原理的光纤压力传感器，对压力变化的响应不同，有些可能是压力增大光强增大，有些可能是压力增大光强减小，所以不确定，与具体结构有关。 2. 为了提高按光强度调制原理制成的光纤压力传感器的灵敏度，可采取的措施是 ( ) A. 增加光纤长度 B. 减小弹性敏感元件的弹性系数 C. 降低光源功率 D. 增大测量电路的噪声 【答案】B 【解析】减小弹性敏感元件的弹性系数，意味着在相同压力下，弹性元件的形变会更明显，从而能更显著地调制光强度，提高传感器灵敏度；增加光纤长度不一定能直接提高灵敏度，降低光源功率会使信号变弱，增大测量电路噪声会降低测量精度而不是提高灵敏度。 3. 光纤压力传感器在测量压力时，受到环境温度影响较大的主要原因是（ ） A. 光纤材料的热膨胀 B. 光源的温度特性 C. 弹性敏感元件的热胀冷缩及材料性能随温度变化 D. 测量电路的温度漂移 【答案】C 【解析】弹性敏感元件的热胀冷缩以及其材料性能随温度变化，会导致在相同压力下其形变情况发生改变，进而影响光强度调制，是这类传感器受环境温度影响较大的主要原因，虽然光纤材料热膨胀、光源温度特性、测量电路温度漂移也有影响，但不是主要的。 · 光调制是加载信息，解调用于获取检测信息。 · 以光强度调制原理制成的光纤压力传感器，通过被测力改变膜片气隙，影响光反射与吸收。 · 在工业中有广泛应用前景，具抗电磁干扰等优点，适合防爆场合。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$