光纤机械量传感器.docx

利用光纤传感器测量的机械量一般有位移、振动、速度、加速度、角速度（旋转率）、表面粗糙度等。随着光纤测量技术的不断发展，光纤传感器所测量的机械量的种类将不断增加。
光纤机械量传感器可以分为传光型（非功能型）和传感型（功能型）两类，
其调制方式可以是光强调制、相位调制、频率调制及偏振调制等。
传光型光纤传感器的调制区在光纤外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，发射光纤与接收光纤仅起到传输光波的作用；
传感型光纤传感器的调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某种传输特性参量对光波实施调制。
11.1 光纤位移传感器
位移检测是机械量检测的基础，许多机械量都是转换成位移量来检测的。光纤位移传感器主要采用光强调制及相位调制技术。
一、光强调制型光纤位移传感器
光强调制的基本原理是利用外界信号（被测量）的扰动改变光纤中光（宽谱光或特定波长的光）的强度（即调制），再通过测量输出光强的变化（解调）实现对外界信号的测量。常用的光强调制方式主要有以下几种。
1．透射式光纤位移传感器

在透射式光纤位移传感器中，将两根心径相同的光纤端面靠近装配到一起。
光从发射光纤输出，通过两根光纤间的微小空隙，进入接收光纤。
如果两根光纤为同轴光纤，则当光通过光纤的连接处时，几乎不损失光能；
但如果两根光纤的光轴错开，光通过光纤的连接处时，光能损耗增加。
多模光纤在心径内传输的光能密度分布均匀，因此光纤连接处的光通量基本与两根光纤的心径交叠面的面积成正比。
上图(a)为一种透射式光纤位移传感器示意图。
发射光纤与接收光纤心径相同，而且它们的端面均垂直于纤轴，两端面相距约为2～3μm。
通常发射光纤固定不动，接收光纤的入射端受外界信号控制，相对发射光纤的出射端产生微量移动。
如果移动光纤引起两束光的中心轴错位，就会增加光的损耗，光纤移动后得到的光强和两段光纤中心重叠部分的面积[如图(a)中阴影部分所示]成正比。
利用心径为50μm的多模光纤进行实验，轴偏离位移损耗如图(b)所示。
可以看到，当位移量为1μm时，得到的光通量的变化接近2％。
为了提高测量灵敏度，在光纤端面上制作透明与不透明等间隔相间排列的栅状条格，如图所示，

用这种栅格控制光纤端面上光强的分布。光纤中光通量的变化，由间距为L的两个栅格之间错开的位移量来决定。
为了消除光源波动的影响，还可以采用差动接收方式，以提高测量精度。

在两根光纤的端面之间放入活动光闸门，对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡，外界信号通过控制光闸门的位移来约束遮光程度，实现对进入接收光纤的光强的调制。
为了提高传感器灵敏度，可以利用下面的栅格法。

这种结构增加了光纤端面间的距离，为了提高光传输效率，需要在光纤端面上组装光学透镜。
2．反射式光纤位移传感器
传光型光纤位移传感器也可以设计成反射型的，这样就能实现无接触测量。
反射式光纤位移传感器可以使用两根光纤，分别用于传输光及接收光；也可以用一根光纤同时承担这两种功能，其原理图如图所示。

A面是一个反射膜板。光源发出的光进入发送光纤，从光纤端面射出，照射到A面上，A面的反射光有一部分进入接收光纤。当A面到光纤端面之间的距离z变化时，进入接收光纤的光强度也随之发生变化，通过检测反射光的光强变化测定出反射膜的微小位置变化。

上图是位移量z与光探测器上输出电压U的变化曲线。
AB段灵敏度高，线性也好，但z的变化范围不大。CD段斜率较小，灵敏底较低，但线性范围比AB段宽。
测光端面处光纤排列情况及反射面的情况都和仪器的灵敏度、测量范围有关，一般光纤束面积大时，线性测量范围也大。
3．微弯式光纤位移传感器

被测物理量的变化引起微弯变形器位移，导致光纤发生微弯变形，改变模式耦合，使纤心中的光部分透入包层，造成传输损耗。微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同，从而达到光强度调制的目的。由于光强与位移之间有一定的函数关系，所以利用微弯效应可以制成微弯式光纤位移传感器，如图所示。
两块波纹板组成一个微弯变形器，微弯变形器将光纤夹在中间，在变形器前设有脱模器，脱模器的作用是在光纤进入微弯变形器之前吸收掉光纤包层中的光。
理论和实验证明，当被测物理量变化使变形器产生相对位移，导致光纤沿轴向产生周期性微弯变形时，就会产生光功率的耦合，通过检测出纤心模或包层模中的光功率就可以检测出相对位移了。
通过选择适当的变形器周期，就能得到任何所需的模式耦合。
微弯式光纤位移传感器可分为亮场型和暗场型两种。
亮场型是通过对纤心中光强度的变化来实现信号性能的转换；

亮场微弯位移测量实验装置如图所示。
在微弯变形器的前后均设有脱模器，前面的脱模器的作用是在光纤进入微弯变形器之前吸收掉光纤包层中的光；后面的脱模器的作用是将经变形器作用后射进包层的光都吸收掉，使这部分光不进入光电探测器，以免干扰测量结果。微弯效应不仅和微弯板的位移有关，而且也和光源的光射入光纤的入射角有关。当光线沿着光纤心轴方向入射，即入射角为0°时，增加变形最多只能使心模光强减少20％。在接近临界入射角的情况下，如入射角为90°时，因为这时纤心中的光比较容易射进包层，同样的变形可使心模光强减少40％。
而暗场型则检测包层中的光信号。

暗场微弯位移测量装置如图所示。
由He-Ne激光器发出的光经透镜系统聚焦后，射入阶跃型多模光纤的一端。此多模光纤放在一个木盒里，木盒放在用气体悬浮着的防震工作台上，以减小环境噪声的影响。为了消除包层模的光，在变形器前的光纤外面涂上油基黑漆。
微弯变形器由两块配对的有机玻璃波形微弯板组成，其中一个微弯板与压电换能器连接，另一个微弯板与手动千分尺连接，从而通过调节千分尺使两个微弯板间产生相对位移。
检测器的直流输出电压利用数字电压表显示，而交流输出则利用锁相放大器检测，再由记录仪记录锁相放大器的输出。
亮场微弯传感器的信号光很强，采用高灵敏度的光电探测器时，光信号会使器件饱和；
而暗场微弯传感器的背景光很弱，受微弯位移调制明显，调制深度大，其灵敏度高于亮场微弯传感器。
微弯式光纤传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以避免周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。
另外，它还有灵敏度较高（能检测小至100μPa的压力变化）、结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。
因此，微弯式光纤传感器是一种有发展前途的传感器。
4．受抑全内反射式光纤位移传感器
基于全反射原理的光纤位移传感器主要有两种：
一种是全反射条件下，光纤端面迅衰场耦合位移传感器，又称为受抑全内反射式光纤位移传感器；
另一种是折射系数变化改变全反射条件的力或声压传感器。
下图为受抑全内反射式光纤位移传感器的原理示意图。

它由两根光纤组成，其抛光端面与光纤轴所成角度应保证光纤中传播的光所有膜都能产生全内反射。
由于全反射界面还存在迅衰场，当两光纤的端面充分靠近时，迅衰场还是能够耦合到另一根光纤中去的，但是这种耦合机理与波导光直接耦合是完全不同的。如果一根光纤固定，另一根光纤受力产生垂直位移，那么光纤间迅衰场耦合的光功率因位移而变化，于是接收光纤的输出光受到强度调制。

The reflected light beam in total internal reflection appears to have been laterally shifted byan amount z at the interface.

When medium B is thin (thickness d is small), the field penetrates tothe BC interface and gives rise to an attenuated wave in medium C.The effect is the tunnelling of the incident beam in A through B to C.
二、相位干涉型光纤位移传感器
除光强调制的非干涉型光纤位移传感器之外，为了提高测量精度或者扩大测量范围，常使用相位调制的光纤干涉仪作为位移传感器。
光相位调制，是指外界信号（被测量）按照一定规律使光纤中传播的光波的相位发生相应的变化，光相位的变化量即反映外界被测量。
但是目前的光探测器只能探测光的强度信号，而不能直接探测光的相位信号，因此通常采用干涉法将光相位信号转换为相应的光强信号。
测量位移的光学迈克尔逊光纤干涉仪
下图为一种用于测量位移的光学迈克尔逊光纤干涉仪

He-Ne激光器作为光源，由分束器把光束分成光强相等的两路，一路进入光纤参考臂作为参考光束；
另一路通过可移动四面体棱镜、反射镜后再与参考光束会合，并产生干涉。
如果因被测位移的变化引起四面体沿图示箭头方向移动，则因光程差的改变而引起干涉条纹移动，干涉条纹的移动量反映出被测位移量的大小。
在两束光会合处放置全息干板，目的是利用干板上的干涉图形的全息照片来起到光学补偿的作用。由于参考光路是多模光纤，光束通过后波面发生畸变，引起干涉条纹扭曲。使用全息照片补偿之后，干涉条纹恢复为直条纹，而且可通过全息照片得到两个干涉图，用两个独立的光电探测器检测干涉条纹信号。如果分别调节两个光阑使两路条纹变化相差90°，则可以由两个光探测器得到的信号判断出四面体棱镜位移的方向。
下图是一个由集成光学双光路迈克尔逊干涉仪芯片(DMIIOC)组成的集成光学光纤微位移传感器的示意图。

DMIIOC是以LibNO3基片为衬底，其上集成两个截面不对称的X形波导结（2×2耦合器）、两个固定反射镜和其他波导，组成两个相互对称、共用输入臂和输出臂的迈克尔逊干涉仪。每一个X形波导结，又可分为两个Y形联结，一个宽度为μm的波导；另一个宽度为4μm和3μm的波导。前一个宽度相同的Y形联结分别作为参考臂和信号臂，后一个宽度不同的Y形联结分别与保偏光纤和多模光纤相连，作为干涉仪的输入臂和输出臂。
两个参考臂的终端与溅射金属固定反射镜相连，信号臂的终端与梯度透镜、
被测反射面相连。为了测量位移的方向，两个参考臂的光程差调整到波长1/4。
通过保偏光纤注入DMIIOC的输入臂的偏振光，被Y形波导结分为两束光再分别注入两个X形波导结，通过X形波导结又分成两束光分别注入信号臂和参考臂。从固定反射镜反射的信号光经参考臂波导和信号臂波导至面X形波导结相干，相干光从两个输出臂输出，送入多模光纤，进行检测。参考光的光程是固定的，而信号光的光程随梯度透镜和被测反射面之间的距离而变化。这种位移传感器不仅可以测量位移的大小，同时也能测量位移的方向。
由于位移检测是机械量检测的基础，故许多机械量都转换成位移的变化再被检测。因此，只要对位移传感器进行适当的改进，就可以检测形变、压力、加速度等多种机械量。
11.3 光纤振动传感器
光纤振动传感器常用于现场监测，测量工作必须在没有经过精加工的钢制工件上进行，光纤探头必须保持整体光学化，不使用电连接。
三、双波长光纤振动传感器
下图是为远距离测量振动而设计的光纤振动传感器。

为了提高稳定性，采用双波长交替工作的差动方式，其光源是波长为750μm和850μm的能在高频交替发光的两个LED，光投影到由两片滤光片构成的振动传感器头上，这两片滤光片的透射率与波长的关系正好相反，如下图所示。

若光源频率高于振动频率，可以认为λ1和λ2光斑位置不变，光λ1和λ2的反射光强就会因振动位移发生差动变化。因为光源及光纤传输特性的变化对于光λ1和λ2来说为是同相的，因此可以利用上上图中的电路求出来自振动传感头部分的信号光强与参考光强的对数比信号，再用交变频率进行同步检测，以取出λ1和λ2成分的信号差，从而实现不受光源和光纤特性变动影响的稳定测量。
11.4 光纤速度和流量传感器
多模光纤是速度和流量传感器的理想光纤材料，已广泛应用到速度和流量传感器的开发中。
一、光纤速度传感器
1．多普勒型光纤速度传感器
当光源和观察者作相对运动时，观察者接受到的光频率和光源发射的频率不同，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应已经广泛应用于雷达、气象、光学和声学等领域，大多用于测量微粒运动的速度、液体的流量和流速等。
如果一个频率为f的静止光源的光入射到速度为v的运动物体上时，从运动物体上观测的频率为f1，则f1与f之间的关系为
(32)
式中，c为真空中的光速；θ为物体至光源方向与物体运动方向的夹角。
式(32)是相对论多普勒频移的基本公式。但是，一般最关心的还是运动物体所散射的光的频移，而光源与观察者是相对静止的。对于这一种情况，可以作为一个双重多普勒频移来考虑，即先考虑从光源到运动物体，然后再考虑从运动物体到观察者。
如下图所示，

图中S为光源，P为运动物体，Q是观察者所处的位置。如果物体P的运动速度为v，P的运动方向与PS和PQ的夹角分别为θ1和θ2，从光源S发出的频率为f的光经过运动物体P散射，观察者在Q处观察。
物体P相对于光源S运动时，在P点观察到的光频率f1为
(33)
频率为f1的光通过运动物体P散射重新发出来，观察者在Q处观察到的光频率为f2为
(34)
根据式(33)和式(34)，并考虑实际上V<<C ，可以近似地把双重多普勒频移方程表示为
(35)
下图是一个典型的激光多普勒光纤测速系统。

激光多普勒光纤测速传感器与传统激光测速方法的最大不同是激光束以及运动微粒散射信号光的传输与耦合都是通过光纤实现的。这就很好地解决了光路的准直问题，同时也提高了光路抗干扰的能力，使得这种技术的应用范围大大扩展了。
激光沿着光纤投射到测速点A上，然后被测物的散射光与光纤端面的反射光（起参考光作用）一起沿着光纤返回。为消除从发射透镜和光纤前端面B反射回来的光，在光电探测器前边装了一块偏振片P，使光电探测器只能检测出与原来光束偏振方向相垂直的偏振光。这样，频率不同的信号光与参考光
共同作用在光探测器上，并产生差拍，光电流经频谱分析器处理，得到频率的变化，即可以推知速度。
2．光纤激光渡越速度计
如下图所示是光纤激光渡越速度计的原理图，

该系统可以用来测量气流的速度。激光束耦合进梯度光纤，由光纤射出后，由透镜Ll准直，再经过渥拉斯顿棱镜P将激光束分为夹角为1°的两束光，此两束光经过透镜L2在其焦平面F2上聚成两个光点。透镜L3把两个光点投射到15 ~ 45 cm远的被测物体上。
在被测物体处（如气流），光束呈现出两个光斑。将两个斑点连线的方向调整到与气流方向平行，气流中携带的粒子并可相继通过两个斑点。被光斑照亮的粒子使光发生散射，散射光进入望远镜透镜L4，经M1, M2进行两次反射后在S平面处形成双斑点图像。调整好接收光纤，使两根光纤的端面分别对准一个光斑，光纤端面接收到的散射光经过干涉滤光片后到达光探测器，根据接收到的两个光斑的时间差，以及在流场中两个光斑的距离，通过电路处理，就可以计算出气流的速度。