浅议光纤加速度传感器系统
光纤加速度传感器的研究进展
的质量块 ， 此 时 光 栅 与 悬 臂 梁 的 中 性 层所 成 的 角 度 为９． ６ 。 。 加 速 度 的 变 化 会 引起 光
带 宽 与 加 速 度 大 小 成 线性 关 系 ， 且 灵 敏 度
需 求 促 进 了加 速 度 传 感 器 的 不 断 发 展 ， 从 导 致 激 光 偏 振 态 的 改 变 。 从 另外 一 端 输 出 上 的 硅微 反射 镜 形 成一 个 Ｆ — Ｐ 谐振 腔 。 在Ｖ 的偏 振 光 经过 检 偏 器 后 通 过 光 电二 极 管 来 形 槽 与 光 纤 固 定 支 架 之 间 装 有 一 个 ＰＺ Ｔ， 检测 ， 不 同 的 加 速 度 大 小 对 应 不 同 的 偏 振 通 过 施 加 音 频 信 号 对 腔 长 生 成 相 位 载 波 （ Ｐ ＧＣ） 调制 ， 腔 长 的 变化 与光 纤轴 向方 向 的
Ｆ Ｐ ｅ ｎ ｇ 等人 于２ Ｏ １ ２ 年 设计 了一种 紧凑 温 度 不 敏 感 型 加 速 度 传 感 的 目 的 。 ｗ － Ｊ
１ 光纤 光学加速 度传感器
１ ． １强 度调 制型 强度 调 制 型加 速 度 传 感器 是 指 通 过 调 制 光 纤 中 传输 光 的 强 度从 而 达 到 测 量 加 速 度 的 目的 ， 主 要 包 含 有透 射 式 、 反射式 、 偏 解调 、 成 本 相对 低 廉 ， 缺 点是 精 度 不高 。 （ １ ） 透 射式 光纤 加 速 度传 感器 。
种 类 繁 多 的 加 速 度 传 感 器结 构 ， 而 光 纤 加 态 ， 即 不 同 的 接收 光 强 ［ 】 １ 。 速 度 传 感 器 相 比 于 硅 微 电 子 式加 速 度传 感 １ ． ２相位 调 制型 器来说 ， 高精度 、 不受电磁干扰 、 能 在 恶 劣
光纤光栅加速度传感器
传感器的标定测试：
加速度传感器的标定测试系统主要包括软件和硬件两部分。 其中硬件部分主 要包括振动台、信号源、功率放大器、电荷放大器和在控制箱。控制箱是系统主 控设备，其内部设有底层单片机，采集测试过程中的模拟信号，并转换成数字信 号上传给计算机；同时接收计算机的数字指令，传送给信号源，驱动信号源，经 功率放大后控制试验台进行激励扫频。 数字化标定系统组成如图所示：
4 E光纤 S光纤 ML光纤
传感器设计方案：
利用飞秒激光在光纤上刻制光栅，方法为光纤沿着 z 轴匀速移动，利用飞秒 激光器射出激光， 透过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在光纤上 形成光栅如图所示。
传感器的外壳以及弹性元件材料都为钢，可以使用机床直接进行加工。各个 部分都加工好之后， 将光纤光栅用胶水固定在弹性元件之上，然后将弹性元件以 及质量块一起安装到传感器的钢制壳体中进行封装。
2ma 1 P ES 其中上式中 P 0.22 是光纤的弹光系数， E 为钢片的弹性模量。上式为光纤光 栅波长改变量与加速度的线性变化关系。 根据上述公式可得到钢片的弹性系数为 ES K L 由此得到系统的无阻尼谐振频率：
f0
0 1 2 2
2 ES ML
f f1 f 2 f3 f 4 f5 f 6 f 7
即
f 1
2 ES3 1 2 ES1 2 ES2 1 (2 2 2 ) 2 ML1 ML2 ML3 2 ( 2 ES3 2 ES1 2 ES2 1 ) ML1 ML2 ML3 2
4 E光纤 S光纤 ML光纤
光纤传感器 研究与设计报告
题 姓 学 年 专
目： 名： 号： 级： 业：
光纤光栅加速度传感器
光纤光栅加速度传感器
传感器的标定测试：
加速度传感器的标定测试系统主要包括软件和硬件两部分。其中硬件部分主要包括振动台、信号源、功率放大器、电荷放大器和在控制箱。控制箱是系统主控设备，其内部设有底层单片机，采集测试过程中的模拟信号，并转换成数字信号上传给计算机；同时接收计算机的数字指令，传送给信号源，驱动信号源，经功率放大后控制试验台进行激励扫频。
传感器的基本原理:
FBG加速度传感器是将光纤光栅固定在钢片上，当传感器外部有加速度时，钢片会发生形变从而引起光纤光栅的形变，由下式
式中λ为FBG反射的波长，Λ是光栅周期， 是光纤光栅的有效折射率。当光纤光栅发生形变时，光纤光栅的光栅常数Λ发生改变，导致其输出波长发生变化，通过测量光纤光栅输出波长的漂移量，即可得到加速度。
传感器的应用领域：
光纤光栅加速度传感器与其他电子类加速度传感器相比，具有本质防电、抗电磁干扰、信号传输距离远和灵敏度高等特点，因此光纤加速度传感器与电子类加速度传感器相比具有更广阔的应用空间。光纤光栅加速度传感器可应用于汽车、船舶、桥梁、航空航天和振动监测等多个方面。
传感器设计指标：
此光纤传感器是由光纤光栅和钢结构以及质量块组成的系统，传感器的谐振频率极大的提高。将两个光纤光栅分别固定在两个弹性钢结构上，通过感知钢结构的应变来实现机械振动到光波长的转换。此传感器的设计谐振频率应该达到3000Hz以上，并且应该具有较高的灵敏度和较大的线性测量范围。
即
传感器设计方案：
利用飞秒激光在光纤上刻制光栅，方法为光纤沿着z轴匀速移动，利用飞秒激光器射出激光，透过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在光纤上形成光栅如图所示。
加速度传感器
加速度传感器传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。
输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。
如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。
自动化程度越高，系统对传感器要求越高。
在今天的信息时代里，信息产业包括信息采集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。
现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展，而已经充分发达后，不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求其成本低廉且使用方便。
显然传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。
世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发，并且都已取得极大的突破。
如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：一．发现并利用新现象利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。
日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。
它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。
可用于磁成像技术，有广泛推广价值。
利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。
用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。
如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。
美国加州大学已研制出这类传感器。
传感器的发展历程二．利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。
例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。
高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。
光纤传感器原理与应用
光纤传感器原理与应用光纤传感器是一种基于光学原理的传感器，利用光的散射、干涉、吸收等特性来测量目标物理量。
它具有高灵敏度、快速响应、无电磁干扰等优点，在各个领域得到广泛应用。
本文将介绍光纤传感器的原理、分类以及在不同领域的应用。
一、光纤传感器的原理光纤传感器的工作原理基于光的传输和光与物质的相互作用。
其基本结构由光源、光纤和光检测器组成。
光源发出光信号经光纤传输到目标位置，通过光与目标物理量的相互作用，改变光信号的特性，最后被光检测器接收并转换成电信号进行处理。
光纤传感器的原理主要有散射原理、干涉原理和吸收原理。
散射原理是利用目标物质对光的散射程度与目标物理量之间的关系来进行测量；干涉原理利用光的相位干涉来测量目标物理量；吸收原理则是利用目标物质对光的吸收程度与目标物理量之间的关系来进行测量。
根据不同的原理，可以设计出不同类型的光纤传感器。
二、光纤传感器的分类光纤传感器根据测量方式的不同，可以分为直接测量型和衍射测量型。
1. 直接测量型直接测量型光纤传感器是通过测量光的散射、干涉或吸收来间接测量目标物理量的。
根据光的散射、干涉或吸收特性的不同，直接测量型光纤传感器又可以分为散射型、干涉型和吸收型。
散射型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质散射导致的光功率、频谱或相位的变化来进行测量的。
常见的散射型光纤传感器有拉曼散射和布里渊散射传感器。
干涉型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质引起的干涉引起的相位差变化来进行测量的。
干涉型光纤传感器可以实现高灵敏度的测量，常见的干涉型光纤传感器有光纤干涉仪和弗罗伊德森干涉仪。
吸收型光纤传感器是通过测量光信号在光纤中由于目标物质吸收导致的光功率变化来进行测量的。
吸收型光纤传感器可用于测量目标物质的浓度、温度和压力等。
常见的吸收型光纤传感器有光纤光栅传感器和吸收型光纤传感器。
2. 衍射测量型衍射测量型光纤传感器是通过测量目标物质对光的衍射现象来直接测量目标物理量的。
浅谈光纤在传感器技术领域的应用及工作原理
浅谈光纤在传感器技术领域的应用及工作原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号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，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
光纤传感器传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。
在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。
光纤具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
光纤传感器的基本工作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，称为被调制的信号光，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。
光纤传感器的测量原理有两种:一、物性型光纤传感器原理，物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。
其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性，如相位与光强，会发生变化的现象。
因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。
这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。
激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。
外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压等。
二、结构型光纤传感器原理，结构型光纤传感器是由光检测元件(敏感元件)与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。
光纤加速度传感器的工作原理
光纤加速度传感器的工作原理引言：光纤加速度传感器是一种常用于工业和科学研究领域的传感器，它可以测量物体的加速度，并将其转化为光信号进行传输和处理。
本文将介绍光纤加速度传感器的工作原理及其应用。
一、光纤加速度传感器的基本原理光纤加速度传感器的工作原理基于光纤的光学特性和加速度对光纤的影响。
光纤是一种细长而柔软的光导纤维，通常由高折射率的芯和低折射率的包层构成。
当光线从高折射率的芯进入低折射率的包层时，会发生全反射现象，使光线在光纤中传输。
光纤加速度传感器利用光纤的这种传输特性，通过将光纤固定在测量物体上，并使其与物体一起运动，当物体发生加速度变化时，光纤也会随之发生微小的形变。
这种形变会影响光线在光纤中的传输，进而改变光纤输出的光信号。
通过测量光信号的变化，可以确定物体的加速度大小。
二、光纤加速度传感器的工作过程光纤加速度传感器的工作过程可以分为三个步骤：光源发射光束、光束在光纤中传输、光信号检测与处理。
1. 光源发射光束光纤加速度传感器通常使用激光二极管作为光源，激光二极管可以产生高亮度和窄束的光束。
光源发射的光束经过适当的光学系统聚焦到光纤的一端，形成入射光束。
2. 光束在光纤中传输入射光束进入光纤后，会在光纤中进行全反射，沿着光纤传输。
当光纤受到加速度作用时，由于光纤的形变，光束的传输路径会发生微小的改变。
这种改变会导致光纤输出的光信号发生变化。
3. 光信号检测与处理光纤输出的光信号进入光电探测器，光电探测器会将光信号转化为电信号。
通过对电信号进行放大和滤波处理，可以得到与加速度大小相关的电信号。
最后，将电信号传输到信号处理单元进行分析和处理，得到准确的加速度数值。
三、光纤加速度传感器的应用光纤加速度传感器具有精度高、抗干扰能力强、体积小等优点，广泛应用于多个领域。
1. 工业领域光纤加速度传感器可以用于检测机械设备的振动和冲击，实时监测设备的工作状态，预测设备的健康状况，及时进行维护和修理，提高设备的可靠性和使用寿命。
一种光纤加速度传感器
长度的改变 l 和光弹效应引起的光纤折射率的
改变 n
s 4nklll nn
光纤加速度传感器的光学研究
为了简化分析，假设弹性橡胶柱是顺变体，它在发 生变形时保持体积不变。由这个假设有
(D D )2 (L L )(D D )2 (L L )
光纤加速度传感器结构简图
芯轴式干涉型光纤加速度传感器的工作原理示意图
光纤加速度传感器原理
激光束通过分光板后分为两束光, 透射 光作为参考光束,当传感器感受加速度时, 由 于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤被拉 伸, 引起光程差的改变。 相位改变的激光束 由单模光纤射出后与参考光束会合产生干 涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可 由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电 路处理后便可正确地测出加速度值。
一种光纤加速度传感器
光纤传感器的优点 一维光纤加速度传感器的原理 三位光纤加速度传感器的原理 光纤加速度传感器工作的力学研究 光纤加速度传感器工作的光学研究 实验结果
光纤传感器的优点:
•不受电磁干扰 •体积小 •重量轻 •可挠曲 •灵敏度高 •耐腐蚀 •优良的电绝缘 •防爆性好 •易与微机连接, 便于遥测等
三分量的光纤加速度传感器
一维扩展到三维的做法：
直接用三个一维光纤加速度传感器分 别测x 、y 、z 三个方向的加速度,然后 将三个方向的一维光纤加速度传感器测 得的加速度进行矢量合成
对一维的结构进行改进,设计出三维一 体的结构。
三 分 量
1-3：三个相互正 交的芯轴式传元 件
加
4：光纤耦合器
速
5：包管
实验结果
不同频率下沿轴和垂直轴方向的灵敏度
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系统 构 成 。
关键 词 ： 光纤加速度 传感器 相位调制 光纤干 涉仪 中图 分类 号 ： Ｎ１ Ｔ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： ６ ４ ９ Ｘ（ ０ ０ １ （） ０ ９ １ １ ７ —０ ８ ２ １ ） ０ｂ一０ ４ —０ ３ ２光纤干 涉仪 （ ） 纤 干 涉 仪 原 理 １光 光 纤 相 位 传 感 器 要 求 由 干 涉 仪 实 现 相 位 检 测 过程 。 光波 的 干 涉测 量 中 ， 播 的 在 传 光 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 。 光 波 的 在 干 涉 测 量 中 ， 波 可 能 是 两 束 或 多 束 相 干 光 光。 （） ｅ ｅ Ｓ ｎ ２ Ｍｉ １ ｏ 光纤 干涉 仪 ｈ 分 束 器将 激光 器输 出 的 单 色 光 分 成 光 强 相等 的两 束 光 。 束通 过 固定 反 射 镜 ， 一 反 射 回分 束 器 ， 探 测 器 接 收 ， 回 到 激 光 被 返 器。 另一 束 光 入 射 到 可移 动 反 射 镜 上 ， 反射 回 分束 器上 ， 分 束 器传 至 光 探 测 器 。 经 当两 反射 镜 到 分 束 器 间的 光 程 差 小 于 激 光 器的 相 干 长 度 时 ， 到 光 探 测 器 上 的 两 相 干 光 射 束便产生干涉 ， 涉光强确定。 干 ３ ３基于 Ｍｉｈ ＩＯ 干 涉仪 的加 速度 传感器 ． ｃｅＳ ｎ Ｍｉｈｅｓ ｎ 光 束干 涉 仪将 外界 信 号带 ｃ ｌｏ 双 来 相 位 移 变 化 转 换 为 光 强 的 变 化 。 涉 仪 干 将 振 动 加 速 度 造 成 的 光 相位 变化 转 化 为 光 强 变 化 ， 通 过 光 电 转 换 器 将 转 变 为 电 压 再 信号 ， 电路 信 号 处 理 ， 电压 信号 中提 取 作 从 用 在 干 涉 仪 上 的加 速 度 信 号 。 光纤 加 速 度传 感 器 是 一 种 简 谐 振 子 的 结 构 形 式 。 光 束 通 过 分 光 板 后 分 为 两 束 激 光， 透射 光 作 为 参 考 光 束 ， 射光 作 为 测量 反 光束。 当传 感 器 感 受 加 速 度时 ， 由于 质 量块 Ｍ对 光 纤 的 作 用 ， 而 使 光 纤 被 拉 伸 ， 从 引起 光程 差 的 改变 。 相位 改变 的激 光 束 由单模 光 纤 射 出后 与 参 考 光 束 会 合 产 生 干 涉 效 应 。 光 干 涉 仪 的 干 涉 条纹 的 移 动 可 由光 激 电 接 收 装 置 转 换 为 电 信 号 ， 过 处 理 电路 经 处 理 后 便 可 正 确 地 测 出加 速 度 值 。 纤 加 光 速 度传 感 器 分 为 五 类 ： 位 调 制 型 、 度调 相 强 制 型 、 振 态 调 制 型 、 长 调 制 型 和模 式 调 偏 波 制 型 。 纤 加 速 度 传 感 器 最 适 合 测 量 微 小 光 振 动加速度 ， 由重 物 、 尼 器 、 簧 构 成 的 阻 弹 振 动 子 组 成 。 框 架 随 振 动 物 体 做 低 频 振 当 动 时 ， 物 上 产 生 一 个 与 运 动 方 向 相 反 的 重 惯 性 力ｆ ＝ｍａ。 Ｍｉｈｅ Ｓｏ ｃ ｌ ｎ双 光 束 干 涉 仪利 用 两 臂长 度 差 变 化 来 测 量 加 速 度 信 号 。 加 速 度 传 在 感 器 中 ， 离 Ｘ的 变 化 量 公 与 惯 性 力 成 比 距 例 ， 与物 体 的 振 动 加 速 度 成 比 例 。 即 当振 动 频率达 到到振动子 的固有振动频率 时 ， 产 生 共 振 。 速 度 传 感 器 是 以 共 振 条 件 为界 加 限 ， 频 时 测 量 加 速 度 ， 频 时 测 量 位 移 低 高
２光线传感原理
２． 光纤 传感 器的 定义 及分 类 １ 在通 信 技 术 中 ， 纤 用 于 长 距 离 传 递 光 信息。 光波 在 光 纤 中传 播 时 ， 光波 的特 征 参 量（ 振幅 、 振 态 、 位 、 长 等 ） 外界 因素 偏 相 波 因 （ 温度、 如 位移 、 场 、 力 、 动 、 磁 压 转 电场 等 ） 作 用 而 发 生 变化 ， 因此 光纤 可 用 作 传 感 元 件 来探测各种物 理量。 光 纤 传 感 器 分 为 两 类 ： 感 型 与 传 光 传
摘 要 ：目前 ， 用光纤 作 为敏 感元 件 测 量 位 移 ， 利 加速 度 ． 度 、 力 、 速 压 温度 ． 声 ． 水 电场 ， 场 等各 种 物理 量 。 有极 高的 灵敏 度 磁 具 安全性 、 电磁干扼 、 缘性 等诸 优 点 ， 抗 绝 广泛 应 用 于 现 代 测 量 领 域 。 文 首 先 介 绍 了光 纤 传 感 的 基 本 原 理 ； 后 介 绍 了光 纤 加 速 传 感 器 本 最
１ 引ห้องสมุดไป่ตู้言
基于 光纤传 感技术 的加速 度传 感器 ， 由于 其 不受 电磁 干 扰 、 体积 小 、 灵敏 度高 、 容 易 复用 、 传输 距 离远 、 一 在 线 监 测 等特 点 司 已经 受到 越 来越 多 的关 注 和研 究 。 本文 将对 光纤 加 速 度 传 感 器 的 传 感 原 理和 解调 方式 进 行研 究 ， 力解决 整 个检 测 系 统 的灵 敏度 着 和 动 态 范 围 ， 根 据 实 际 需 求 ， 究和 开 发 并 研 具有 实际工程应用价值的传感 器和仪器 。
工 业 技 术
Ｓ ｉ ｃ ｎ Ｔｃｎｌ ｙＩｏａＱ ｅ． ｃ ｎｅａｄ ｅｈｏ ｇ ｎｖＺｎＨＱＺ ｅ ｏ ｎ ｔ ０ ｒｌ ｉ ｏ 】 ａ ｄ ９
浅 议 光纤 加 速 度 传 感 器 系统
刘 泽 利
（ 内蒙古 电子信 息职业 技术 学 院
内蒙古呼 和浩特 ０ ０ ０） １ ７ ０