第三节 光纤传感器的应用
? 典型应用,机敏材料和机敏结极
在线检测建筑混凝土结构内部应力变化。
如：桥梁、水坝、核电站、高层建筑、高
速公路等。
一、埋入式光纤传感器
干涉型,灵敏度高；结极复杂。
偏振光型,灵敏度低；结极简单。
干涉型：相位调制原理见第二节
? 由 4-46式，只考虑受力长度变化：
△ φ≈β △ L=2πnLε/ λ (4-50)
测量臂与参考臂之差 L— 标 距 。
测量臂与参考臂之间的相位差反应受力变化。
偏振光型传感器：
光源 S1 L1平行光 P1平行偏振光 O1
PIN1 PIN2 检偏 P2 平行偏振光 O2
? 若偏振光偏转了 θ 角，则射到 PIN2的光强
为：
I2=I1cosθ (4-51)
上折射率光纤受应力 ε 时，偏振光相位的变
化：
△ φ=L △ β+ β△ L （ 4-52）
光纤弹性模量 E1,主体弹性模量 E2，则光纤
所测应力 ε1与主体材料实际内应力 ε0的关
系：
ε0= ε1 2E1/(E1+E2) (4-53)
二、传感器的安装
? 根据主体材料的不同，选择安装方式。
对钢筋混凝土主体材料，主要有两种典型
的埋入方法。
1）金属导管安装法
? 2)预制件安装法
置入 2组光纤,
? 无 外部力作用 时,光纤输出的光强度为 I0;当
极件受到应力 F时，光纤输出的光强度为 I，
则光纤传感器输出值相对变化为,
σ=[（ I0-I)/I0]X100%=(△ I/I0)00% (4-54)
圆梁和弯曲梁中的光纤可以测得各方向的
压力 和 拉力,见图 4-25。
三、力学特性对测量的影响
? 要保证测量的准确性，应考虑埋入混凝
土的光纤传感器与主体（混凝体）的如
下力学特性：
1.弹性模量不一致,
2.泊松比不一致,
3.线膨胀系数不一致,
结论,作为新技术的光纤传感器,性能卓越,
应用前景光明,
作业, 1.光纤传感器的类型、特点及调制方
法。
2.分析说明图 4-10的温度传感器各部
分原理,
3.简述光纤传感器在混凝土主体测量
领域的应用,
第五章 集成传感器
? 将敏感元件、信号调理电路等制作在同
一芯片上，使传感器具有很高的性能。
如：集成 压敏, 温敏 和 磁敏 传感器。
第一节 集成压敏传感器
两类,1）硅电容式
2）扩散硅式
一、硅电容式集成传感器
? 由硅压力 敏感电容器,转换电路和辅助
电路构成。
1.硅敏感电容器
压敏电容器,电容量与枀板距离和面积有关,
两种极板结构,
? 敏感电容 Cx；补偿电容 C0(温度影响）
? 圆形膜和环形膜的电容值 Cx和 C0分别由
书中式（ 5-1）、（ 5-2）,(5-3)和（ 5-4）
计算。
? 由于受压力电容值变化很小（ 0.1~10pF),
对测量电路的要求高（ 灵敏度、温漂 ）。
2.测量电路
电容变化 →电信号
1)交流信号激励 →整流 →电压变化,
2)作振荡电容器 →频率变化,
交流信号激励,
? Up通过耦合电容 Cc为电路供电（方波、
正弦波等）
正半周,电荷从 B →VD2→ Cx 充电；
从 A →VD3 →C0 充电 ;
负半周, 放电 Cx →VD1→A; C0→VD4→B
? 无外力作用, Cx=C0,电荷转移量相等 。
? 有外力作用, Cx﹥ C0，从 B转移 A的电荷
大于从 A转移 B的电荷,导致 A电位高于 B电
位，减少了从 B转移 A的电荷，增加了从 A
转移 B的电荷，最终达到平衡 。
? 平衡后, A,B点电位差 =Uo，
UA=0.5Uo;UB=-0.5Uo.
△ QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx (5-5)
△ Qab=(Up+0.5U0-Ua)C0 (5-6)
? 设 C,D点寄生电容 Cp
2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=-------------------------- (5-7)
Cx+C0+2Cp
设 Up=2V,Ua=0.6V,Cp=2pF,C0=1.7pF,一
个大气压（ 1.33X10-3 Pa)下,Cx=2.1pF,
则 U0=144mV.
? 该传感器性能较好，但由于二枀管正相
压降，导致降低灵敏度，对激励信号幅
值要求也高。
3.CP8型集成压敏传感器
改进型，增加 MOS管控制整流 ；前后极增
加 放大电路部分,提高性能，见下图。
二、扩散硅压敏传感器
? 将 补偿电路 和 硅压敏元件构成的全桥电
路 集成到一起，使之体积小、成本低，
尤其温度补偿效果好。
? Uce=Ube(R5+R6)/R6
（ 5-9）
? UB=Uc-Uce （ 5-10）
温度 ↑,Ube↓,Uce ↓
UB ↑,补偿压阻灵敏度的
降低
? 若 R1=R3=R0+KPR0;
R2=R4=R0-KPR0,则
Uo=UBKP (5-11)
则 Uo与外加压力 P呈线性关系；其灵
敏度由压敏电阻的灵敏度 K和相关电路参
数决定，见书式 5-13
特点,补偿简单；效果较好；广泛使用 。
为进一步提高性能，可以将电桥输出电压
的放大电路部分也集成在 一个芯片 内。
? 特点,温度补偿效果更加；
抗干扰能力更强。
? 典型应用,机敏材料和机敏结极
在线检测建筑混凝土结构内部应力变化。
如：桥梁、水坝、核电站、高层建筑、高
速公路等。
一、埋入式光纤传感器
干涉型,灵敏度高；结极复杂。
偏振光型,灵敏度低；结极简单。
干涉型：相位调制原理见第二节
? 由 4-46式，只考虑受力长度变化：
△ φ≈β △ L=2πnLε/ λ (4-50)
测量臂与参考臂之差 L— 标 距 。
测量臂与参考臂之间的相位差反应受力变化。
偏振光型传感器：
光源 S1 L1平行光 P1平行偏振光 O1
PIN1 PIN2 检偏 P2 平行偏振光 O2
? 若偏振光偏转了 θ 角，则射到 PIN2的光强
为：
I2=I1cosθ (4-51)
上折射率光纤受应力 ε 时，偏振光相位的变
化：
△ φ=L △ β+ β△ L （ 4-52）
光纤弹性模量 E1,主体弹性模量 E2，则光纤
所测应力 ε1与主体材料实际内应力 ε0的关
系：
ε0= ε1 2E1/(E1+E2) (4-53)
二、传感器的安装
? 根据主体材料的不同，选择安装方式。
对钢筋混凝土主体材料，主要有两种典型
的埋入方法。
1）金属导管安装法
? 2)预制件安装法
置入 2组光纤,
? 无 外部力作用 时,光纤输出的光强度为 I0;当
极件受到应力 F时，光纤输出的光强度为 I，
则光纤传感器输出值相对变化为,
σ=[（ I0-I)/I0]X100%=(△ I/I0)00% (4-54)
圆梁和弯曲梁中的光纤可以测得各方向的
压力 和 拉力,见图 4-25。
三、力学特性对测量的影响
? 要保证测量的准确性，应考虑埋入混凝
土的光纤传感器与主体（混凝体）的如
下力学特性：
1.弹性模量不一致,
2.泊松比不一致,
3.线膨胀系数不一致,
结论,作为新技术的光纤传感器,性能卓越,
应用前景光明,
作业, 1.光纤传感器的类型、特点及调制方
法。
2.分析说明图 4-10的温度传感器各部
分原理,
3.简述光纤传感器在混凝土主体测量
领域的应用,
第五章 集成传感器
? 将敏感元件、信号调理电路等制作在同
一芯片上，使传感器具有很高的性能。
如：集成 压敏, 温敏 和 磁敏 传感器。
第一节 集成压敏传感器
两类,1）硅电容式
2）扩散硅式
一、硅电容式集成传感器
? 由硅压力 敏感电容器,转换电路和辅助
电路构成。
1.硅敏感电容器
压敏电容器,电容量与枀板距离和面积有关,
两种极板结构,
? 敏感电容 Cx；补偿电容 C0(温度影响）
? 圆形膜和环形膜的电容值 Cx和 C0分别由
书中式（ 5-1）、（ 5-2）,(5-3)和（ 5-4）
计算。
? 由于受压力电容值变化很小（ 0.1~10pF),
对测量电路的要求高（ 灵敏度、温漂 ）。
2.测量电路
电容变化 →电信号
1)交流信号激励 →整流 →电压变化,
2)作振荡电容器 →频率变化,
交流信号激励,
? Up通过耦合电容 Cc为电路供电（方波、
正弦波等）
正半周,电荷从 B →VD2→ Cx 充电；
从 A →VD3 →C0 充电 ;
负半周, 放电 Cx →VD1→A; C0→VD4→B
? 无外力作用, Cx=C0,电荷转移量相等 。
? 有外力作用, Cx﹥ C0，从 B转移 A的电荷
大于从 A转移 B的电荷,导致 A电位高于 B电
位，减少了从 B转移 A的电荷，增加了从 A
转移 B的电荷，最终达到平衡 。
? 平衡后, A,B点电位差 =Uo，
UA=0.5Uo;UB=-0.5Uo.
△ QBA=(Up-0.5U0-Ua)Cx (5-5)
△ Qab=(Up+0.5U0-Ua)C0 (5-6)
? 设 C,D点寄生电容 Cp
2(Up-Ua)(Cx-C0)Uo=-------------------------- (5-7)
Cx+C0+2Cp
设 Up=2V,Ua=0.6V,Cp=2pF,C0=1.7pF,一
个大气压（ 1.33X10-3 Pa)下,Cx=2.1pF,
则 U0=144mV.
? 该传感器性能较好，但由于二枀管正相
压降，导致降低灵敏度，对激励信号幅
值要求也高。
3.CP8型集成压敏传感器
改进型，增加 MOS管控制整流 ；前后极增
加 放大电路部分,提高性能，见下图。
二、扩散硅压敏传感器
? 将 补偿电路 和 硅压敏元件构成的全桥电
路 集成到一起，使之体积小、成本低，
尤其温度补偿效果好。
? Uce=Ube(R5+R6)/R6
（ 5-9）
? UB=Uc-Uce （ 5-10）
温度 ↑,Ube↓,Uce ↓
UB ↑,补偿压阻灵敏度的
降低
? 若 R1=R3=R0+KPR0;
R2=R4=R0-KPR0,则
Uo=UBKP (5-11)
则 Uo与外加压力 P呈线性关系；其灵
敏度由压敏电阻的灵敏度 K和相关电路参
数决定，见书式 5-13
特点,补偿简单；效果较好；广泛使用 。
为进一步提高性能，可以将电桥输出电压
的放大电路部分也集成在 一个芯片 内。
? 特点,温度补偿效果更加；
抗干扰能力更强。
