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第三节 光纤传感器的应用 典型应用：机敏材料和机敏结构 在线检测建筑混凝土结构内部应力变化。 如：桥梁、水坝、核电站、高层建筑、高速公路等。 一、埋入式光纤传感器 干涉型： 灵敏度高；结构复杂。 偏振光型：灵敏度低；结构简单。 干涉型：相位调制原理见第二节 由4-46式，只考虑受力长度变化： △φ≈β △L=2πnLε/ λ (4-50) 测量臂与参考臂之差L—标距。 测量臂与参考臂之间的相位差反应受力变化。 偏振光型传感器： 光源S1 L1平行光 P1平行偏振光 O1 PIN1 PIN2 检偏P2 平行偏振光 O2 若偏振光偏转了θ 角，则射到PIN2的光强为： I2=I1cosθ (4-51) 当光纤受应力ε 时，偏振光相位的变化： △φ=L △ β+ β△L （4-52） 光纤弹性模量E1,主体弹性模量E2，则光纤所测应力ε1与主体材料实际内应力ε0的关系： ε0= ε1 2E1/(E1+E2) (4-53) 二、传感器的安装 根据主体材料的不同，选择安装方式。 对钢筋混凝土主体材料，主要有两种典型的埋入方法。 1）金属导管安装法 2)预制件安装法 置入2组光纤. 无外部力作用时,光纤输出的光强度为I0;当构件受到应力F时，光纤输出的光强度为I，则光纤传感器输出值相对变化为： σ=[（I0-I)/I0]X100%=(△I/I0)00% (4-54) 圆梁和弯曲梁中的光纤可以测得各方向的压力和拉力，见图4-25。 三、力学特性对测量的影响 要保证测量的准确性，应考虑埋入混凝土的光纤传感器与主体（混凝体）的如下力学特性： 1.弹性模量不一致. 2.泊松比不一致. 3.线膨胀系数不一致. 结论:作为新技术的光纤传感器,性能卓越,应用前景光明. 作业: 1.光纤传感器的类型、特点及调制方法。 2.分析说明图4-10的温度传感器各部分原理. 3.简述光纤传感器在混凝土主体测量领域的应用. 第五章 集成传感器 将敏感元件、信号调理电路等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。 如：集成压敏、温敏和磁敏传感器。 第一节 集成压敏传感器 两类：1）硅电容式 2）扩散硅式 一、硅电容式集成传感器 由硅压力敏感电容器、转换电路和辅助电路构成。 1.硅敏感电容器 压敏电容器,电容量与极板距离和面积有关. 两种极板结构: 敏感电容Cx；补偿电容C0(温度影响） 圆形膜和环形膜的电容值Cx和C0分别由书中式（5-1）、（5-2）、(5-3)和（5-4）计算。 由于受压力电容值变化很小（0.1~10pF),对测量电路的要求高（灵敏度、温漂）。 2.测量电路 电容变化→电信号 1)交流信号激励→整流→电压变化. 2)作振荡电容器→频率变化. 交流信号激励: Up通过耦合电容Cc为电路供电（方波、正弦波等） 正半周:电荷从B →VD2→ Cx充电； 从A →VD3 →C0充电; 负半周: 放电 Cx →VD1→A; C0→VD4→B 无外力作用，Cx=C0,电荷转移量相等。 有外力作用， Cx﹥C0，从B转移A的电荷大于从A转移B的电荷,导致A电位高于B电位，减少了从B转移A的电荷，增加了从A转移B的电荷，最终达到平衡。 平衡后，A、B点电位差=Uo，UA=0.5Uo;UB=-0.5Uo. △QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx (5-5) △QAB=(Up+0.5U0-Ua)C0 (5-6) 平衡时二者相等,可以得到直流输出信号 2(Up-Ua)(Cx-C0) Uo=-------------------------- (5-7) Cx+C0 设C,D点寄生电容Cp 2(Up-Ua)(Cx-C0) Uo=-------------------------- (5-7) Cx+C0+2Cp 设Up=2V,Ua=0.6V,Cp=2pF,C0=1.7pF,一个大气压（1.33X10-3 Pa)下，Cx=2.1pF,则U0=144mV. 该传感器性能较好，但由于二极管正相压降，导致降低灵敏度，对激励信号幅值要求也高。 3.CP8型集成压敏传感器 改进型，增加MOS管控制整流；前后极增加放大电路部分，提高性能，见下图。 二、扩散硅压敏传感器 将补偿电路和硅压敏元件构成的全桥电路集成到一起，使之体积小、成本低