1、 基于椭圆光纤的扭转传感器 摘 要 基于椭圆光纤的扭转传感器是一种高灵敏度的光纤扭转传感器。扭转效应已经被理论和实验证明。由于光弹影响，共振波长随扭转的增加而线性变化，波长的偏移取决于扭转方向。理论研究和实验可以证明通过优化核心和包层的折射率差异、纤芯和包层直径的椭圆度来增加扭曲灵敏度。近几年，光纤通信技术和光纤传感技术有良好的前景，通过光纤材料制成的器件已经覆盖到各个领域。这类器件一般情况下制作的费用较低，体积小，抗损坏性能好，灵敏度不受外界环境的影响等优良特性。 本文设计了一种基于椭圆光纤的扭转传感器 ，有小型化，高灵敏度，和低温度敏感等特点。介绍了光纤传感器的发展现状，并从基本原理入手通
2、过实验测试等多个方面验证了这种传感器的优势和应用领域。从光的传播模式进行研究，进一步验证了椭圆光纤制成的扭转传感器是可行的。 关键词 ：扭转传感器 椭圆光纤 扭曲灵敏度 椭圆度 Torsional Sensor Based on Elliptic Fiber ABSTRACT Torsional Sensor based on Elliptic Fiber has a high sensitivity. Reverse effect has been demonstrated by theory and experiment. Because of the photoelastic effec
3、ts, resonance wavelength change linearly with the increase of torsional, the shift of wavelength depends on the reverse direction. Theoretical and experimental research can be proved that the sensitivity can be increased by optimizing the refractive index difference between core and cladding and inc
4、reasing Ovality of the core and the cladding diameter. In recent years, optical fiber communications and optical fiber sensing technology have been vigorous developed, the devices made by optical fiber have covered all the fields. Such devices have advantages, such as low production costs, small siz
5、e, non-destructive, sensitivity doesnt effected by the external environment. A Torsional Sensor based on Elliptic Fiber has been presented in this paper. It has many advantages, such as small size, high sensitivity, low sensitivity with temperature. The development of fiber optic sensors has been in
6、troduced, advantages and applications of this sensor have been proved by theoretical analysis and experimental verification. Researching from the transmission mode light to prove that Torsional Sensor based on Elliptic Fiber is feasible. Key Words: Torsional Sensor Elliptic Fiber Twisted Sensitive O
7、vality 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 光纤传感及光纤光栅 .1 1.2 传感器的概述 .2 1.3 扭转传感器的概述 .5 1.4 光纤扭转传感器的应用状况 .7 1.4.1 新型双向可调光纤扭转传感器 .7 1.4.2 高灵敏度光纤扭转传感器 .8 1.5 本毕业设计的主要内容 .10 第二章 光纤模场干涉及椭圆光纤扭转传感器的基本理论 .12 2.1 光纤模式的基本概念 .12 2.2 椭圆光纤传感器基本理论 .14 2.2.1 保偏光纤 .14 2.2.2 椭圆光 纤 .15 第三章 基于椭圆光纤扭转传感器的设计与结果分析 .17 3.1 椭圆光纤 扭转传感器的设计原理与实验
8、 .17 3.2 实验结果与分析 .18 3.3 结论 .25 第四章 总结与展望 .26 4.1 总结 .26 4.2 展 望 .26 参考文献 .27 致谢 .29 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 1 第 一 章 绪论 1.1 光纤传感及光纤光栅 1.1.1 光纤诞生与发展 在 1966 年 ，科学家首次发现运用 石英玻璃生产光学纤维 ，并且运用与通信领域。 为信息技术的发展做出了突出的贡献，跨过了一个新的 里程碑 。 几十年 后 ，光纤 存 在 于 世界 的各个角落 ，并 以飞快的速度向前发展。近几 年光 纤 通信业继续 繁荣 发展 ， 在 市场 上的 表现 有目共睹 。
9、各大 通信设备供应商的 收入一路飙升 ， 新趋势 下国内很多商家对 光纤 的 需求 量很大 ，国内 生产光纤的厂家又急于出口 。 经过数据统计，光纤的覆盖面积在中国已经占到四分之三左右。相比其他发达国家，我国的光纤发展速度 迅猛 ，将来有可能成为 世界上最大的 “ 光纤 帝国 ” 。 今 年 是光纤 50 岁的生日 ， “ 光纤改变世界 纪念光 纤发明 50 周年大会 ”将在北京召开 ，来 纪念这一 伟大的 发明对世界 产生 的影响，放眼新技术 在 未来 的 发展趋势。 1.1.2 光纤传感 1977 年 ， 光纤传感技术 诞生并被应用 ，随 着光信息 通信 科技 的 快速 发展， 一个国家如
10、果光纤传感技术发展慢，那意味着整体经济的发展都不容乐观 。 随着社会进步和科学技术的日新月异 ，光纤传感技术已广泛用于 军事制造也、医疗建设、工商企业、农业、航空航天、新兴能源的开发 等领域 ， 有 很大的发展前景 。 当下 已 经发现的 光纤传感技术 有很多 ， 比 如 扭转、温度 及辐射等物理量都 可以作为 传感 的条件 。 在工程检测中 的 光纤传感技术： 光纤应用在工程检测中的主要形式大概有两种。第一种是将光纤材料放置于混凝土内，第二种就是将它放置在外层，可以用来检测凝结度、 挠度 、形变等。混凝土由于自身结构的特殊性，在降温凝固时内部的温度是不一样的。若在混凝土冷却的过程中，热胀冷缩
11、的原理会使自身结构发生改变，通过光纤传感就能精确的测量出混凝土内部的温度，可以有效的防止其损坏。 应变光纤传感器已被设计生产出来，混凝土结构的挠度能被传感器精确地度量出，整个结构中的传感器被根较长的光纤连接并进行测量。在正常负荷下，由于温度引起裂缝，通过检测光纤中光强度可以测得裂缝所在的具 体位置，方便修复。 1.1.3 光纤光栅 通过 特定 方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅 就 是光纤光栅。损耗小、体积小、能 加 入智能材料等 都是 光栅光纤 显著的特 点， 因而 在 当今通信系统中天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 2 有良好的发展前景。 光纤光栅，在目前
12、的光纤通信系统中是性价比较高的材料之一，它可以制作成很多新型的光学器件，有了它资源可以被人们更好的利用。光纤光栅已经深入到光纤通信系统的方方面面。 光纤光栅 对光纤通信的发展具有重要的历史意义 ， 是将来 全光通信系统中 不可或缺 的一环 。 1.2 传感器的概述 1.2.1 传感器及其特点 传 感器 (transducer)是一种用于检测的装置。为了满足信息的传递、确认、收发等要求，它能将感受到被测物体的信息，通过一系列的转化，用另外的一种方式告诉我们，方便获得信息。 传感器赋予了物体生命，让物体有了感知周围，并获得信息的能力。传感器广泛应用于人类生活的各个领域，如军事、医疗、工业、航天等。
13、 图 1.1 传感器的组成 转换元件、敏感元件、变换电路、辅助电源这几部分组成的我们常见的传感器，敏感元件能够感知周围的环境响应，输出为物理量信号；转换元件会把该信号转化为其他形式的信号；变换电路会把接收 到的信号进行放大调制；电源可以为转换元件和变换电路供电 1。 人类可以通过自身的皮肤神经感觉器官感知周围的一切并获取信息，但在研究世界万物时就显得远远不够了。因此传感器就是我们的得力助手，它能帮我们感知我们感受不到的信息并传递给我们。 信息时代到来，信息的准确性在当下显得十分重要。想在自然和各个其他领域中获取准确的信息必须用到传感器。一些高尖端项目的研究，高科技的发展，都需要人类从中获取大量
14、可用且较为准确的信息，只有传感器才能胜任。 1.2.3 环境对传感器的影响 (1)对于高温的环境下工作，通常采用耐高 温的传感器。高温会引起传感器外部材料的熔化或内部结构的改变等问题。另外，必须要加有隔热、冷却等装置。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 3 (2)当在 干燥 的环境下 工作 时 ， 应该 选 用 涂胶 传感器 ，而 当 在潮湿的环境下工作 时 ，应选用密闭性 较 高的传感器 ，因为 潮湿 会使 传感器 内部的线路接触处粘连形成 短路 ，所以 此环境条件下 传感器密闭性要高 。 (3)当工作 环境腐蚀性 较 高 时 ，选择抗腐蚀的传感器 ， 如 长期在 酸性 较高的环
15、境下工作 传感器 会 短路或 者 弹性体受损， 所以要求传感器的抗腐蚀性要好 。 (4)当在 磁场 强度较大的环境下工作时，应选择抗干扰能力较强的传感器，否则电磁波会对信号 进行干扰 。 所以 在此 条件 下，应 选择抗干扰能力较强的传感器 。 (5)在易燃 和 易爆 的 环境下工作 ，传感器必须有良好的防爆性。燃烧和爆炸将直接损害传感器，且严重影响了我们的安全。所以，我们要 选 择 防爆传感器，这种传感器防爆强度 高 性能好。 1.2.4 传感器的发展 早在 N 年前，逻辑元件、记忆元件与感测元件就已经并列是电子系统的三大元件。从压力测量到机械测量，到电气测量的发展经历很多的变革，在到如今的
16、 传感器时代 ，那是一个电子元件的历史蜕变。随著云端概念普及，逐渐不被重视的同时，传感器元件却以黑马之姿，打出一片属于自己的天下。 1594 年伽利略出生在比萨 (意大利 )，他获得了用泵将河水抽到陆地灌溉的这种机器的专利。泵的核心是一个注射器。伽利略发现，水在抽水机中最高能上升到 10 米，但为何会产生这种现象不得其解。此后，许多科学家都致力于找出产生这种现象的原因。 1644 年意大利物理学家托里切利在一个 1 米长一端密封的管子中加满水银，将它垂直放置，敞开的管口倒立进入水银槽中，水银柱始终是下降到 76 公分左右，水银柱 最上方留下一些空间。托里切利认为产生这种现象的原因是来自地表的一
17、种无法探知的力量。他得出的结论是，管子顶部的空间是空的，没有任何东西存在，可以把它称为 “ 真空 ” 。 1648 年在听到的托里切利实验后，法国物理学家、哲学家及数学家帕斯卡，一直致力于寻找伽利略和托里切利的研究结果的原因，他坚信是上方空气重量产生的力量压使水银柱保持在 760 毫米。因此在山上，山谷和山脉间空气的重量一定会使压力减少。他预言，水银柱的高度会降低，他在法国中部的多姆山进行了实验证实了这个观点，他可以根据水银柱下降的高度计算空气的重量，帕斯卡 尔还用公式阐明了这种力量，他称之为 “ 压力 ” ，它平均分布于四面八方。 后来经过科学家们的不断努力，在 1843 法国科学家路辛 维
18、蒂，发明并制造了无液膜盒气压计，它用弹簧平衡代替液体来测量大气压力，弹簧在测量仪表中受压力作用而伸长。波登 (BourdonSedeme 公司创始人 )使用维蒂的指示器方式 ,于 1849 年获得用于更高压力的弹性金属曲管式压力计的专利权。 1930 年第一个 压力传感器 是转导机制，其中隔膜的运动、波登的弹性金属曲管是电气量的一部分，压力膈膜充当某个电容的一部分，指针是电位计的滑动端。 1938 年加州理工学院的西蒙斯 (E.Simmons)和麻省理工学院的鲁奇 (A.Ruge)分别独立研制出了 (粘贴型纸基 )电阻应天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 4 变计，西蒙斯更快地申请了
19、专利。 1955 第一个设计出的箔式应变片中有一个整合的全方位桥式电路。如果将其固连在一个隔板上，在边缘和中心会显现出相反的压力。 1965 测量器具与隔板的固连常常是导致迟滞和不稳定的原因。 在 20 世纪 60 年代 ，塔森推出了具有良好的稳定性和低磁滞的第一代薄膜传感器。今天，该技术在高压市场扮演着主要的角色。 1973 年， WilliamR.Poyle 申请了以玻璃或石英为基础的电容传感器专利，凯维力科公司的鲍勃 贝尔在陶瓷的基础上申请了专利，几年后也就是1979 年。这项技术弥补了低压力范围差距 (薄膜所不适合的 )。今天也如此，陶瓷隔板的电阻也是如此，在非良性的媒体中可谓最广泛的
20、传播技术。从压力测量到一个压力传感器的诞生，都是传感器发展的变革，为传感器时代的到来奠定了基础。 电子元件的发展在近几年可谓突飞猛进，逻辑元件和感测 元件已经在现在的系统中有着举足轻重的地位。电子元件的历史就好比人类的进化史，最开始是压力测量后来有有了机械测量，再往后就到了电气测量时代。到如今有了传感器的加入，其他都显得过时了。逐渐被大家遗忘，退出了历史舞台，属于传感器的时代到来。 随着科技的发展，传感器技术日新月异，许多新型传感器被开发出来。 新型传感器，新在何处。第一是采用了不同的基本原理，二是具有人工智能，三是满足各个行业的不同需求。 传感器被设计出来是以各种定律为基础的，科学家们由此想
21、出了可以通过开发新的传感器制作材料，应用不同的材料设计出 了不同原理工作机制也不同的新型传感器。这有利于传感器向着多功能，强适应性的方向发展。物性型传感器在当今是比较热门的话题，许多专家学者都对其进行了较为细致的研究。 早期，我国的科学技术水平较落后，比起许多发达国家还有很大的差距。而传感器作为生产工业等领域必不可少的一部分，多数情况下需要从国外进口传感器，来满足国内生产的需要。在这种严峻的大环境下，一批专家学者开始自主研发传感器，来替代进口传感器。随着科学技术的发展，现在已经有许多生产传感器的厂家，生产的传感器与国外的相比也几乎相同。 经过多年的发展的传感器技术 大体可分为三个阶段 2： 第
22、一阶段是结构型传感器，它是通过感受结构参量的变化这一过程，从而来感受信号，进而转化信号。 第二阶段是固体型传感器，它发展于 70 年代，利用半导体、磁性材料、电介质等固体元件的构成材料的某些特性制成。如：利用热电效应制成了电热偶传感器、利用光敏效应制成了光敏传感器、利用霍尔效应制成了霍尔传感器。 第三阶段是智能型传感器。该传感器是近年来刚刚兴起的新兴产品。为了使智能型传感器具有检验和处理信息的功能，专家们将检测技术与微型计算机技术相联系。一般以集成电路为主，在内部操作方面，采用嵌入 式软件协调；利用输入信号的非线性补偿和故障诊断的方法来掌控工业过程，从而进一步改善控制系统的功能。 天津理工大学
23、 2016 届本科毕业设计说明书 5 1.3 扭转传感器的研究现状 近年来由于科技不断进步，对扭转传感器的需求也越来越大。至今，已经有多种多样的扭转传感器被应用。基于轴向应变片的机械式扭转传感器，这类机械式传感器对零件的精度有严格的控制，消耗费用多。光纤型扭转传感器需要较为精密的干涉仪。 1.3.1 扭矩传感器 扭矩传感器是一种常见的扭转传感器，是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。有高准确度 、 方便使用等优点，广泛的应用于生产生活的 各个领域。 扭矩传感器 (力矩传感器 )分为动态和静态两大类， 动态扭矩传感器 包括 转矩传感器、 旋转扭矩传感器 等。它可以对物体的扭转力矩进
24、行检测，并输出信号。 静态扭矩传感器顾名思义是相对静止的，测量范围 为 0到 360， 两端是平键连接，金属外壳，有很好抗干扰能力。静态扭矩传感器是将扭曲时产生的响应转换成电信号，并与之互为线性关系。 在粘度计 的工业生产中也用到了 扭矩传感器 。 扭转角相位差式传感器 可以精确的 检测旋转扭矩。该传感器 的基本结构 是 放置两个参数基本一样的 齿轮 于 弹性轴的两端， 并且 在 齿轮表面放置 一 个 接近传感器。 工作原理为通过 弹性轴 的 转 动 ， 扭矩 传感器 感应到扭力并输 出两组脉冲波，两组脉冲波 之间是存在明显的 相位差 ，从而进行画图计算，就可以得出 弹性轴所承受 的范围 。
25、采用 该 这种测量 方 式信号为数字 信号 且传递方式为非接触 ， 但是同时传感器的占用空间大，速度较慢时测量不够准确。 应变电测技术 是一种 比较成熟的检测手段，它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点 。 应变桥 是 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，向应变桥提供电即可测试该弹性轴受扭的 电信号 。在旋转动力传递系统中，最 棘手 的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于 磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可
26、靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。 为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法 :将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进 行 V/F 转 换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 6 图 1.2 应变片扭矩传感器的构成 (a)传感器测量系统的构成 (b)应变器在轴上的粘贴方式 (c)电桥电路 应变片扭矩传感器： 应用 应变电测 的基本原理设计了该扭矩 传感器 ，束流环、应变计、振荡器、放大器、显示记录仪等
27、组成 了基本的应变片 扭矩传感器 如 图 1.2(a)。将是 应变计粘贴 在 轴上， 受到扭力的影响， 弹性轴 发生了形变，应变计感受到了 电 流发生改变 ， 通过 应变电桥 的 电 流 变化 ，应输出信号 实现 了对 扭矩 的 测量。传感器 的工作原理 如 图 1.2。 高性能无线扭矩传感器 ： 高性能无线扭矩传感器是将传感器与 无线通信 技术相结合，从而实现无线传输数据。 将扭矩电信号先经过单片机控制的信号处理电路进行放大、再经过 A/D 转换后，采集到的数字量编码将由编码器传送给发射模块并发送。接收模块会接收到数据，解码器译出数据后，再发送给单片机，由 LED 的显示得到扭矩数据。 扭矩
28、传感器、信号处理部分、单片机和无线发射电路组成了传感器数据采集发射的电路。电阻应变片将会产生应变电信号并由扭矩传感器传送给信号的处理电路。 信号处理部分会对传感器的模拟信号进行提取和放大，并模 /数转换。控制系统的各部分器件工作是微处理器完成的，并对数字信号处理。编码器将采集的信息数据通过相应的编码处理，并采用发射模块进行发射，实现了无线传输。 1.3.2 角度传感器 角度传感器，通过对角度的监测来达到传感的目的。将它与控制器相连接，当圆轴转过一定的角度之后，角度传感器感应响应并转化为其他形式 的信号输出。同向转动时与异相转动输出的数据相反。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 7
29、图 1.3 角度传感器的构造 方位角传感器 是角度传感器的一种。方位角即地平经度，是测量平面上物体间的角度差的一种方法。以下是一种在天文学中度量方位角所用的方法。用角度传感器测量方位角是从某点的方向线开始，从顺时针方向到目标方向线之间会有个水平的角，它是一个两面角，同时也是午圈所在平面与通过天体所在地平经圈平面的夹角，若午圈所在平面是一个起始面，按顺时针的方向进行度量。方位度量也能在地平圈进行，若南点是起算点，从南点开始按顺时针的方向进行度量。方位角在 0 360之间变化，东点 是 270，南点是 0，西点是 90，北点是 1803。 在军事领域， 我国 军事武器不够现代化机械化，当下都是人工
30、来解决在 炮塔方位角系统中 计算参数、处理数据， 很难在艰苦的环境下对数据进行 准确 且 快速 的 采集。 现在最重要的是运 用高 科技 新技术 ，改善我国的军事装备系统，来应对 现代化 战争的需求 。 实现现代化方位角系统的配备能让我军战斗力大大加强 。军事技术 中 方位角传感器在 飞速的 发展， 属于 高科技作战 装备 。 1.4 光纤扭转传感器的应用状况 1.4.1 新型双向可调光纤扭转传感器 光纤式传感器 研究与设计是因为光纤及光纤光栅具有体积小、强柔韧性、抗电磁干扰能力强等特性。光纤式传感器可进行长距离传感、分布式传感、多参数传感，是一个高新的无损检测技术，被广泛的应用在复合材料的形变、结构探测等方面。因此，为了迎合科技的快速发展我们需要探索新的方法、开发新的技术。
