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光纤光栅传感器介绍;光纤的传光原理;光纤传感器 光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。 它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。 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。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 ;①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量;;;第7页/共129页;第8页/共129页;第9页/共129页;第10页/共129页;第11页/共129页;4.4 光纤传感器;4.4.1 光导纤维的结构和导光原理;传光原理--斯乃尔定理 ;光纤导光 ;n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1;当θr =90°的临界状态时， ;4.4 光纤传感器;4.4.2 光导纤维的主要参数;1. 数值孔径（NA）;2. 光纤模式;3. 传播损耗;4.4 光纤传感器;4.4.3 光纤传感器结构原理;光纤传感器光学测量的基本原理 ;4.4 光纤传感器;4.4.4 光纤传感器的分类;光纤传感器的分类;(1) 光纤的传感器中的作用;(1)功能型传感器 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强 、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。;(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器;(2)非功能型传感器 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调 制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。;(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器;;(c) 拾光型光纤传感器;(2) 根据光受被测对象的调制形式 ;光调制技术;光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。;(1)强度调制 光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。 传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。 ;;（b）偏振调制光纤传感器;;;4.4 光纤传感器;4.4.5 光纤传感器的特点;4.4 光纤传感器;4.4.6 光纤传感器的应用; （1）采用弹性元件的光纤压力传感器;传感器的固有频率可表示为 ;;将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到 ;光纤压力传感器 利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成强度型光纤压力传感器。;（b）光弹性式光纤压力传感器 ;光弹性式光纤压力传感器 ; （c）微弯式光纤压力传感; 光纤开关与定尺寸检测装置 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。;;;4.5 光栅传感器;光栅传感器的结构;光栅传感器光源：;;;反射式光栅;透射式光栅;透射式圆光栅;4.5 光栅传感器;什么是光栅？ 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件;什么是光栅;;;;;;;莫尔现象演示;;4.5 光栅传感器;莫尔条纹形成原理;4.5 光栅传感器;莫尔条纹特性;3、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。 4、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。 ;;;莫尔条纹技术的特点;莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期 误差对于精度没有直接的影响。;光栅副：指示光栅＋主光栅 ;光电元件 ;4.5 光栅传感器;光栅的光路;（1）透射式光路;（2）反射式光路;4.5 光栅传感器;辨向原理;辨向光路设置;辨向电路;辨向电路各点波形图;;整形放大;整形放大;;;采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以提高分辨率。;用鉴频器鉴取四个信号的零电平， 当每个信号从负到正过零点时发一个计数脉冲;;为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）;为光栅设计的专用信号处理单元 （光栅插补器）;光栅在机床上的安装位置（2个自由度）;光栅在机床上的安装位置（3个自由度）;光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）（续）;2自由度光栅