光纤的基本结构如图2-18所示。光纤是由很小直径的分层玻 璃或塑料圆柱构成。圆柱体的中心是纤芯，用某种类型的玻璃或 塑料割成。环绕纤节的柱形层，称为句层。句层材料的折射 率略低于纤芯材料。最后一层是护套，包覆着纤芯和包层。光纤 的导光能力取决于纤芯和包层的性能，而光纤的强度则是由塑料 制成的护套来维持 光纤在光纤传感器中既作敏感元件，又作传输单元。图219 为基本的光纤线路。输入信号经过光源的调制后，从光电耦合器 图218光纤的基本结构 中骤焦并投射到光纤的一端。光在光纤中传输并从光纤的另-一端 1一职料护套；2涂履层； 射出，经过透镜射入光检测器。光源要求具有良好的光束质量， 3一包层：4.轩芯 通常选用半导体激光或H-Ne激光。光电糯合器要求有最大的数值孔径，实现最佳耦合 一光挥测器 图219基本的光纤线路 (2)光纤的工作原理 为了简明起见，我们从几何光学理论来讨论光纤的传输理论。光纤的工作基陆是光的全 反射。假定光纤为理想的直圆柱休，其特征是光纤的折射率沿径向呈台阶状分布，沿轴向 则均匀分布，纤芯的折射率高于包层的折射率。图220所示为光纤导光原理。 aaaaaabossnaaaa ○a 图2-20光纤导光原理 当光线从光纤端面的中心点以9角人射到折射率为n的光纤芯体时，光线产生折射，根 据斯乃尔定律。 可以得到式(27) no sing-m sina-m sin(90)=n 1-sin (2-7) 由于”>？·在r=a,即纤芯和包层交界处产生全反射的条件是 sind≥si.- (2-8) 式中，民为产生全反射的临界角，当>日时才产生全反射 将式(2-8)代人式(2-7)，得 osin0≤%sin。=w1√/个-sin0.-√m (2-9) 式中，为与9对应的端面入射角，称之为光纤波导的孔径角，当0>，时，不产生全反 17
203040 形光纤微位移传感器原 图公22反射光强与位移的关系曲线 1500p 网 0.luF k CIK L LED 1888 -1 GND MCI413 图223光纤传感委微位移测量电路
射，有部分光线折射进人包层。只有日<a时，才能产生全反射，并向前传播，我们定义光 纤波导的数值孔径为 NA= (2-10) NA越大，表示有效进光量越多。 外界信号可以引起光的强度、波长、频率、相位、编振态等性质发生变化。光纤传感器 就是利用光能被外界参数调制的原理进行工作。根据对光调制方法的不同，光纤传惑器有强 度调制、相位调制、波长调制，频率调、编振调制等不同工作原理的光纤传感器， (3)光纤微位移传感器 Y形光纤传感器测量微位移的原理如图221所示。将传输和接受的两路光导纤维束扎 在一起，从传输纤维发射出的光经被测对象表面反射后，由接受纤维传输回原端的光敏元件 上，光敏元件检测的光量会随着传惑器端面和被测对象端面的相对位置而变化。接受端反射 光强。与位移S的关系曲线如图222所示。该曲线可以用2个直线段讲行近似或话近，曲 线I段线性度、灵敏度高、范围窄，适合于测量微小位移，曲线Ⅱ段灵敏度低，用于测量较 大位移。 用于测量微小位移的光纤传感器测量电路如图223所示。接受端的光强变化通过光电 二极管转化为电信号的变化。整个测量电路由3个部分构成：光电转换和放大电路、峰值保 持和报警电路、A/D转换和显示电路】 2.3速度传感器 2.3.1测速发电机 测東发电机《TG)有直流和交流两种，可根据实际情况进行洗用。在伺服系统中多采 用直流测速发电机。为了提高检测的灵敏度，通常将测速发电机直接连接在电机轴上。图 224为直流测速发电机的工作原理。当位于磁场中的线圈旋转时，在线圈的两端将产生感 应电势E,根据法拉第定律可以得到式(211) E=Ko (2-11) 式中K,一一测速发电机的增益，V·s: -电框的角速度，rad/s。 整子 安转线置 图2-24直流测速发电机工作原理 当直流测速发电机有负载时，电枢的旋转线圈便会产生电流，破坏了籍出电压与转速的 19
线性度，使发电机的输出特性产生误差。因此，为保证直流测速发电机的测速精度，应尽可 能使测速发电机在低负载下工作，即工作在转速变化范出小而负电阻较大的场合。 测速发电机有线性度好、灵敏度高和输出信号强等优点、故广泛用于工业白动检测和自 动调节电机转速。检测范围20400r/mi.精度0.2为~0.5% 如果将测速发电机的转子轴同DC或AC伺服电动机的转子轴直接连在一起，则测速发 电机就成为饲服电动机的速度反馈传感器。坭在很多DC和AC何服电动机中配置了测速发 电机和回转编码器。 2.3.2光纤多普勒速度计 在光纤传感器中，根据频率调制原理可以制作光纤多普勒速度计。频率调制基于多普勒 效应。由于光的传播不依赖于弹性介质。因此光的多普勒效应是研究光源和被测者之间的相 对运动对接收光的频率所产生的影响。如果颗率为的光入射到相对丁探测器速度为口的运 动物体上，则从运动物体反射的光频率近似为 *+ f.=-I (2-12) 式中f人.一一接收光的频率，Hz c一光波波速，m/s。 图2-25为典型的激光多普测速系统。光源激光频率为，通过分光器进人光纤探测 器。一部分由探测器射出，射出的方向与被测对象的运动方向成·角，被测对象的散射光由 于多普勒效应发牛類移，其颖率为手。十△、并向四周发射。其中一部分反射光被同一探测 器接收返回，另-部分反射光在探测器端面就被反射回光纤，其频率保持不变，作为参考 光。将反射光频率人+△了和参考光频率f。一起通过分光器和光纤由光电转换器件接收并 分离出外差信号。 数光发生器 + 频车分检器光接收器 图2-25典型的激光多普勒测速系统 A-0 (2-13) 式中—被测对象的速度： 入一光的波长： 一发射光和被测物体运动方向的夹角。 光纤多音勒测速的优点是系统的灵敏度高，系统无需用光学器件进行零位调整 2.3.3量尔式转速传感器 将半导体薄片置于磁场强度为B的磁场中，在薄片的两端面通以电流「，则在垂直于电 流和磁场方向上产生霍尔电势U,这种现象称之为霜尔效应。图2-26为霍尔效应原理。霜 尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势表示为 20
U=KIB (2-14) 式中K一尔元件的灵敏度，它与材料的性质和几何尺寸有关，V·m/(A·s): 【-一电流，A: B—磁感应强度，T。 称具有霍尔效应的元件为霜尔元件。将霜尔元件、放大器、混度补偿电路以及稳压电 等做在一个芯片上，形成尔传感器。尔传感器尺寸小、外围白路简单、频响宽、动态特 性好、使用寿命长，广泛应用于自动控制领域。用密尔元件测址转速的原理如图2-2？所示 在被测物体上粘上多对小磁雨，露尔元件固定在小磁铜的附近。当被测物体转动时，每当 个小磁钢转过霍尔元件时，霍尔元件就输出一个相应的脉冲。测量单位时间内的脉冲个数， 就可以计算出被测物体的转速。 需尔元件 图226霍尔效应原理 图2-2？霜尔转速测量原理 2.34电容式转速传感器 电容式转速传感器的结构原理如图228所示，当电容极板与齿顶相对时，电容量最大， 而电容极板与齿隙相对时，电容量最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，通过电路 即可获得到脉冲信号，由频率计显示的频率可计算转速大小。设齿数为2，则转速为 (2-15) 式中 f 一领率计显示的频率，H: 一被齿轮的转速，r/min 顿率计 电究传感器 齿轮 图2-28电容式转速传感器的结构原理 图229光电式转速传感器原理 21