第4章 光纤光栅传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光纤传感器,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。,电绝缘性能好。,抗电磁干扰能力强。,非侵入性。,高灵敏度。,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,纤芯,包层,涂覆层,护套,光纤的结构,光纤的传光原理,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（,n,2,arcsinNA,，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；,i,arcsinNA,，光线才可以进入光纤被全反射传播。,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,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,1.,数值孔径（,NA,）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。,意义：无论光源发射功率有多大，只有,2,i,张角之内的光功率能被光纤接受传播。,大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。,但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,2.,光纤模式,按传输模式分为单模光纤和多模光纤。,阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,希望,V,小：,d,不能太大，,n,2,与,n,1,之差很小,3.,传播损耗,损耗原因：,光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响,传播损耗（单位为,dB,）,式中, I,光纤长度；,a,单位长度的衰减；,I,0,光导纤维输入端光强；,I,光导纤维输出端光强。,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,4.4.3,光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，,使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量,E,被测量调制：,光的强度、偏振态（矢量,B,的方向）、频率和相位,解调：,光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,4.4.4,光纤传感器的分类,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干,涉,型,光纤传感器相位调制,干涉（磁致伸缩）,干涉（电致伸缩）,Sagnac,效应,光弹效应,干涉,电流、磁场,电场、电压,角速度,振动、压力、加速度、位移,温度,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,SM,、,PM,a,a,a,a,a,非,干,涉,型,光纤传感器强度调制,遮光板断光路,半导体透射率的变化,荧光辐射、黑体辐射,光纤微弯损耗,振动膜或液晶的反射,气体分子吸收,光纤漏泄模,温度、振动、压力、加速度、位移,温度,温度,振动、压力、加速度、位移,振动、压力、位移,气体浓度,液位,MM,MM,MM,SM,MM,MM,MM,b,b,b,b,b,b,b,光纤传感器偏振调制,法拉第效应,泡克尔斯效应,双折射变化,光弹效应,电流、磁场,电场、电压,温度,振动、压力、加速度、位移,SM,MM,SM,MM,b,a,b,b,b,光纤传感器频率调制,多普勒效应,受激喇曼散射,光致发光,速度、流速、振动、加速度,气体浓度,温度,MM,MM,MM,C,b,b,注：,MM,多模光纤；,SM,单模光纤；,PM,偏振保持光纤,光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用,光受被测量调制的形式,光纤传感器中对光信号的检测方法不同,(1),光纤的传感器中的作用,功能型,非功能型,拾光型,(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,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。,优点：,结构紧凑、灵敏度高。,缺点：,须用特殊光纤，成本高，,典型例子,：光纤陀螺、光纤水听器等。,(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,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。,优点：,无需特殊光纤及其他特殊技术，,比较容易实现，成本低。,缺点：,灵敏度较低。,实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,(3),拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号,处理,光受,信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,(c),拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。,典型例子：,光纤激光多普勒速度计,辐射式光纤温度传感器,(2),根据光受被测对象的调制形式,(a),强度调制型光纤传感器,(b),偏振调制光纤传感器,(c),频率调制光纤传感器,(d),相位调制传感器,光调制技术,光的调制和解调可分为：,强度、相位、偏振、频率和波长,等方式。,光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。,在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。,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。,(a),强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。,应用：,压力、振动、位移、气体,优点,:,结构简单、容易实现、成本低。,缺点,:,易受光源波动和连接器损耗变化等的影响,（,b,）偏振调制光纤传感器,利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息,应用：,电流、磁场传感器：法拉第效应；,电场、电压传感器：泡克尔斯效应；,压力、振动或声传感器：光弹效应；,温度、压力、振动传感器：双折射性,优点：,可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。,（,c,）频率调制光纤传感器,被测对象引起的光频率的变化来进行监测,利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；,利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；,利用光致发光的温度传感器等。,（,d,）相位调制传感器,被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。,利用光弹效应的声、压力或振动传感器；,利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；,利用电致伸缩的电场、电压传感器,利用,Sagnac,效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）,优点：,灵敏度很高，,缺点：,特殊光纤及高精度检测系统，成本高。,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,4.4.5,光纤传感器的特点,（,1,）电绝缘。,（,2,）抗电磁干扰。,（,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。,4.4,光纤传感器,4.4.1,光导纤维的结构和导光原理,4.4.2,光导纤维的主要参数,4.4.3,光纤传感器结构原理,4.4.4,光纤传感器的分类,4.4.5,光纤传感器的特点,4.4.6,光纤传感器的应用,4.4.6,光纤传感器的应用,强度调制型：,基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；,相位调制型：,利用光纤本身作为敏感元件；,偏振调制型：,主要是利用晶体的光弹性效应。,光纤压力传感器,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。,图,光弹性式光纤压力传感器,1,、,7,起偏器；,2,、,8 1/4,波长板；,3,、,9,光弹性元件；,4,、,10,检偏器；,5,光纤；,6,自聚焦透镜,线偏振光,光源,1,2,3,4,P,圆偏振光,椭圆偏振光,光弹性效应：,晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,（,1,）采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,若利用,Y,形光纤束位移特性的线性区，,则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,1 Y,形光纤,2,壳体,3,膜片,与所加的压力呈线性关系,传感器的固有频率可表示为,式中,膜片材料的密度；,g,重力加速度。,结构简单、体积小、使用方便，,光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，,其精度就要受到影响。,差动式膜片反射型光纤压力传感器,1,输出光纤,2,输入光纤,3,输出光纤,4,胶,5,膜片,两束输出光的光强之比,A,常数；,p,待测量压力,输出光强比,I,2,/I,1,与膜片的反射率、光源强度等因素均无关,将上式两边取对数，在满足,(Ap),2,1,时，得到,表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。,若将,I,1,、,I,2,检出后分别经对数放大后，再通过减法器,即可得到线性的输出。,采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。,（,b,）光弹性式光纤压力传感器,光弹性效应：,晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,1,光源,2,、,8,起偏器,3,、,9 1/4,波长板,4,、,10,光弹性元件,5,、,11,检偏器,6,光纤,7,自聚焦透镜,光弹性式光纤压力传感器,在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度,（,c,）微弯式光纤压力传感,基于光纤的,微弯效应,，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1,聚碳酸酯薄膜,2,可动变形板,3,固定变形板,4,、,5,光纤,微弯式光纤水听器探头,End the 4.4,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。,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,采用遮断型光纤光电开关对,IC,芯片引脚进行检测,遮断型光纤光电开关,定位 条形码检测,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,光栅传感器光源：,钨丝灯泡：,输出功率较大，工作范围较宽（,-40,到,+130,）,与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。,半导体发光器件,:,转换效率高，响应特征快速。,如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达,30%,左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十,ns,，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头 （与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头,（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,什么是光栅,在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。,a ,栅线的宽度,b ,缝隙的宽度,W ,光栅的栅距,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,a,b,W,光栅栅距,或,光栅常数,W,条纹间距,W,条纹间距,光电元件,W,如何测量微小位移量？,光电元件,光电元件感受的光强变化是否明显？,莫尔现象演示,条纹位置,方向不同,条纹运动,方向不同,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,莫尔条纹形成原理,横向莫尔条纹的斜率,莫尔条纹间距,莫尔条纹的宽度,B,H,由,光栅常数与光栅夹角决定,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,莫尔条纹特性,1.,莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。,2.,当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。,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。,L,W,L,条纹间距大大增加,L=W/sin,分辨力,=,W,=1/50=0.02mm=20,m,放大倍数,1/= 1/(1.8,3.14/180,) 31.83,莫尔条纹的宽度,L=W,/0.637,mm,例：,一直线光栅，每毫米刻线数为,50,，主光栅与指示光栅的夹角,= 1.8,，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？,莫尔条纹技术的特点,调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。,例：当,时,得,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。,例如：设 ，接收元件为,10x10mm,的硅光电池，则在接收范围内将有,500,条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。,莫尔条纹技术的特点,光栅副：指示光栅主光栅,光电元件,包括有,光电池,和,光敏三极管,等部分。,在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。,在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,光栅的光路,透射光路,反射光路,（,1,）透射式光路,1-,光源,2-,准直透镜,3-,主光栅,4-,指示光栅,5-,光电元件,此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。,特点：,结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。,（,2,）反射式光路,1,反射主光栅,2-,指示光栅,3-,场镜,4-,反射镜,5-,聚光镜,6-,光源,7-,物镜,8-,光电电池。,该光路适用于黑白反射光栅。,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,辨向原理,单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就,不能判别运动零件的运动方向,，以致不能正确测量位移。,如果能够在物体正向移动时，,将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数,，这样就能得到正确的测量结果。,辨向光路设置,在相距的位置上设置两个光电元件,1,和,2,，,以得到两个相位互差,90,的正弦信号,辨向电路,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中,减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。,辨向电路各点波形图,微分,微分,反,相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,整形放大,整形放大,u1,u2,u1,u2,整形放大,u1,u2,u2,u1,微分,微分,反,相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1,f,u1,f,正向移动时,u1,整形放大,u2,u2,整形放大,u1,u2,u2,u1,微分,微分,反,相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1,f,u1,f,u1,整形放大,u2,u2,正向移动时,u1,u2,u2,u1,f,u1,整形放大,微分,微分,反,相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1,f,u1,整形放大,u2,u2,反向移动时,微分,微分,反,相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,整形放大,整形放大,u1,u2,u1,u2,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。,u1,L,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,L,n,W/n,W,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,为光栅设计的专用信号处理单元 （光栅插补器）,功能同上页,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）,数显表,光栅在机床上的安装位置 （,3,个自由度）（续）,2,自由度光栅数显表,X,位移,显示,Y,位移,显示,3,自由度光栅数显表,光栅数显表（续）,三,座标,数显表,SDS8-3E,光栅数显箱功能,:,公制,/,英制转换绝对,/,相对转换线性误差补偿正反方向计算归零插值补偿到达目标值停机,PCD,圆周分孔,200,组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆,光栅数显表（续）,设定按键,比较,电路,驱动,装置,伺服,电动机,信号处理电路,工作台,光栅,传感器,位置指令,P,c,P,e,位置偏差,位置反馈,P,f,数控机床的位置控制系统,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,精细位移难测量,请来光栅帮帮忙,要想真正测的准,莫尔条纹最紧要,如何保证精度高,辨向细分少不了,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅传感器的结构,4.5.2,莫尔条纹形成的原理,4.5.3,莫尔条纹技术的特点,4.5.4,光栅的光路,4.5.5,辨向原理,4.5.6,细分技术,细分技术,提高分辨力方法,：,在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。,细分,就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。,（,1,）直接细分,直接细分,又称,位置细分,，常用的细分数为,4,。四细分可用,4,个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生,4,个计数脉冲，实现了四细分。,优点：,对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。,缺点：,光电元件安放困难，细分数不能太高。,未细分,(a),与细分,(b),的波形比较,（,2,）电阻电桥细分法（矢量和法）,用此信号去触发施密特电路,电阻电桥细分法用于,10,细分,（,c,）电阻链细分法（电阻分割法）,等电阻链细分电路,实质：用电阻衰减器来进行细分。,End the 4.5,