光纤传感器设计课件.pptx

1、1目录目录n光纤传感背景 n光纤传感原理n光纤传感应用2传感器分类传感器分类3电电类类传传感感器器被被测测参参量量光光纤纤传传感感器器被被测测参参量量电电 源源电电量量检检测测光光 源源光光量量检检测测电电类类传传感感器器光光纤纤传传感感器器电电缆缆光光缆缆传感器比较传感器比较4分类分类 内容内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位、偏振态相位、偏振态.电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传

2、输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。 5 光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、频率等），因外界因素（如温度、压力、应力、磁场、电场等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。优点高灵敏度、高精度、高速度质轻、体小、外形可变环境适应性强；耐腐蚀、无电火花、安全可靠对被测介质影响小被测对象广泛便于复用，便于成网基本原理基本原理6n温度温度Temperaturen压力压力Pressuren应力应力Strainn位移位移Displ

3、acementn加速度加速度Accelerationn流量流量Flow raten振动振动Vibrationn化学成分化学成分Chemical concentrationsn电电/磁场磁场Electrical and Magnetic Fieldsn转速转速Rotation rate可测量的物理量可测量的物理量7n强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 Intensity Modulation OFSn相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 Phase Modulation OFSn偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器 Polarization Modulation OFSn波长调制型

4、光纤传感器波长调制型光纤传感器 Wavelength Modulation OFS光纤传感器（光纤传感器（OFSOFS）分类）分类8是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质的吸收特性吸收特性；振动膜；振动膜或液晶的或液晶的反射光强度反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮机

5、械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。强度调制型传感器强度调制型传感器9当一恒定光源的光波当一恒定光源的光波I IN注入调制区，在外力场强注入调制区，在外力场强Is的作用下，的作用下，输出光波的强度被输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光所调制，载有外力场信息的出射光 IOUT

6、的的包络线与包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调等来调制入射光，从而形成相应的调制器。制器。10滤模器激光器光探测器信号处理变形器变形器光纤微弯传感器光纤微弯传感器1101c1 c1 cn1 n2包层n2纤芯n1c1 当光线射入微弯曲段的界面上时，入射角将小于临界角当光线射入微弯曲段

7、的界面上时，入射角将小于临界角 。这时。这时一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层，从而导致光能的损耗。而导致光能的损耗。12光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导模式间发光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲，则光纤中传输的波导模式间发生耦合而使能量交换生耦合而使能量交换简单地说，当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量会转换成包层模能量而简单地说，当光纤受到弯曲后，有少量的芯模能量会转换成包层模能量而损失掉，通过测量包层模或芯模能量的变化获得外界待测物理量的变化。损失掉，通过测量包层模或芯模能量的变

8、化获得外界待测物理量的变化。光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样就可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，它还有灵敏度免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外，它还有灵敏度较高、结构简单、动态范围宽（超过较高、结构简单、动态范围宽（超过110dB）、线性度较好、性能稳定等）、线性度较好、性能稳定等优点。优点。13n功能型调制功能型调制 （光纤既传输又传感）（光纤既传输又传感） 相位调制型传感器相位调制型传感器相位变化的检测需要转换为强度的变化相位变化的检测需要转换为强度的变化-干涉法

9、！干涉法！14功能型调制功能型调制 laalnnlllll)()()()(光波通过长度为光波通过长度为l的光纤，的光纤， 相位延迟为相位延迟为 为光波在光纤中的传播常数为光波在光纤中的传播常数nnllll可以写成可以写成a是光纤直径变化，通常较小，可以忽略15迈克尔逊光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪光纤干涉仪（光纤干涉仪（1）LD探测臂 参考臂 PD信号处理光纤反射端面固定可移动耦合器16马赫增德尔（马赫增德尔（MZ）光纤干涉仪）光纤干涉仪光纤干涉仪（光纤干涉仪（2）LD探测臂 参考臂 干涉条纹 耦合器耦合器17萨格奈克效应相位调制萨格奈克效应相位调制tRRLCCW2tRRLCW2tRL2CW经历

10、的光程为经历的光程为CCW经历的光程为经历的光程为两者的光程差为两者的光程差为又可以写成又可以写成cSL4环包围的面积18萨格奈克效应相位调制萨格奈克效应相位调制00882cScSL对应的相位差对应的相位差 0-真空中的波长真空中的波长C0-真空中的光速真空中的光速19偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也是最精巧的传感器.使用法拉第效应（ Faraday Effect）通过极化测量磁场 极化不是由弯曲、拉伸和扭转引起的法拉第磁光效应：法拉第磁光效应： 1845年，法拉第在实验中发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则光

11、通过介质后，光振动（指电矢量）的振动面转过一个角度，这种磁场使介质产生旋光性的现象称为法拉第效应法拉第效应或者磁致旋光效应磁致旋光效应。20偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）拉第效应（磁光效应） 激光器起偏器显微物镜I光纤载流导线光纤电流传感器原理示意图光探测器记录显示器检偏器光纤电流传感器21当平面偏振光在强度为当平面偏振光在强度为H H的磁场作用下，线偏振光的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离在物质中通过的距离L L时

12、电矢量时电矢量E E旋转角为旋转角为。如果。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：路定律：rIH2光纤电流传感器式中：式中：I 载流导线中的电流强度；载流导线中的电流强度；r 导线外任一观测点导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度的磁场强度H，即可得到导线，即可得到导线中的电流中的电流I。22为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载

13、流导线上，形成一个半径为导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线管的光纤长度的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为为L。在强度为。在强度为H H 的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流电流I的大小。的大小。 光纤电流传感器 测量范围：50A2400A 测量准确度：好于0.3% (偏振光磁旋)常数：0.0155 minute/A测量相角误差： 损耗增大（速度极损耗增大（速度极慢）慢）在环境温度在环境温度850C850C时退火光栅和未退时退火光栅和未退火布喇

14、格光栅反射率变化的比较火布喇格光栅反射率变化的比较3M质量保证质量保证10年年51光纤光栅型分布式传感系统光纤光栅型分布式传感系统应用WDM解调器的分布式FBG传感系统宽带光源宽带光源WDM探测器探测器1探测器探测器2 1 3， 4 1， 2WDMWDM 2 3 4探测器探测器3探测器探测器4传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3传感器传感器4折射率匹配液折射率匹配液FBG1FBG2折射率匹配液折射率匹配液FBG3FBG4 1 2 3 4 1, 2, 3, 452光纤光栅传感器光纤光栅传感器埋入式应变传感器埋入式应变传感器埋入式温度传感器埋入式温度传感器表面式应变传感器表面式应变传感器表面

15、式温度传感器表面式温度传感器53光纤光栅地震检波器光纤光栅地震检波器技术： 成熟的光纤器件 光纤光栅传感 阻尼系统 可实现的指标： (1) 有效频率范围：10300 Hz (2) 主频范围：6090 Hz (3) 动态范围：90110 dB (4) 阻尼系数：0.71.0 (5) 工作温度范围: -40+80 0C (6) 使用寿命: 跌落次数大于3000次 (1米高度跌落)54background0.0840.0890.0940.0990.1040.1090.114151 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551Tim e (2 s econd tota

16、l)Output (volts) 左图是无振动时的背景噪声，右图出示了当人从传感器周围跑过时的效果图，充分说明了该传感器的性能。光纤光栅地震检波器光纤光栅地震检波器55光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器的优势光纤光栅传感器输出的是绝对量，无零飘；体积小，易于安装；抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、可靠性高，可以用于各种潮湿、强电磁干扰的恶劣环境中；感应与传输传感信号的载体为光波，本质安全；在一根光纤中可以串联多个光纤光栅，形成准分布式传感系统；寿命长，适于长期监测；信号传输损失极小，可实现远距离的监测。 56光纤光栅传感器的应用领域光纤光栅传感器的应用领域n桥梁、大坝、隧道、特殊建筑物的结构健康监测

17、桥梁、大坝、隧道、特殊建筑物的结构健康监测n高速公路、铁路、地铁的应力应变分析高速公路、铁路、地铁的应力应变分析n船体结构与飞行器的结构健康监测船体结构与飞行器的结构健康监测n电厂、电力线、隧道和石化企业的火灾监控电厂、电力线、隧道和石化企业的火灾监控n山体滑坡、松动与地震的监测山体滑坡、松动与地震的监测n海上石油平台和提升装置的监测海上石油平台和提升装置的监测n井下温度与压力的测量井下温度与压力的测量n输油管道、天然气管道等泄露、流量与健康状况输油管道、天然气管道等泄露、流量与健康状况的监测的监测n油罐，蓄水池的温度、液位监测油罐，蓄水池的温度、液位监测57光纤周界安全警戒网光纤周界安全警戒

18、网n可埋入地下，也可与传统铁丝网结合使用，n具有事件的智能判断和定位功能，n适用于：边防线警戒，军营及重要库区的安全警戒58光纤周界安全警戒网光纤周界安全警戒网n性能指标：n高灵敏度的警戒网，工作距离500米50公里，n报警响应：响应时间4s，n长距离工作时定位精度：100mn误报率：对固定介质方式2次/季度、地埋方式2次/年n防范距离：50KMn报警输出接口：RS485、RS232、USB2.0、继电器干触电n可区分紧急警报与非紧急警报、可通过网络、GPRS、手机短信发送报警信息。嵌入式传感n将传感头以特定的方式与被测材料/结构相结合n植入n粘接n应用需求n航空、航天领域的应用n智能型士兵n

19、智能型降落伞n大型建筑物桥梁、大坝的监测59适宜用作嵌入式的传感器类型n对嵌入式传感器的要求对被测材料的性能无无影响。n机械性能：体积、材质、理化稳定性、与材料的结合能力等n传感功能：测量精度、信号处理n网络功能：分布式传感、通信、组网等n适合的类型：n光纤传感器强度型、 相位调制型、FBGs60嵌入式光纤传感器制造技术光纤与多种材料的结合嵌入铝锭材料的高温蓝宝石光纤嵌入陶瓷材料的光纤61嵌入式光纤传感器制造技术光纤与多种材料的结合(续)编织在复合材料中 的多模光纤(carbon/resin-epoxy)62 需求1、军事应用n智能士兵63n主要问题n实现光纤与纺织材料/纤维的自动编织n自动编

20、织对光纤的选择性要求n被嵌入材料特性对光纤传输特性的理论与实验研究嵌入式传感器光纤与复合材料结合技术研究（续）6465knittingweaving光纤与复合材料结合技术研究（续）自动编织技术66与 Philadelphia University 合作研究项目 对自动织布机的技术改造光纤与复合材料结合技术研究（续）光纤与复合材料结合技术研究（续）自动编织技术自动编织技术67光纤与复合材料结合技术研究（续）光纤与复合材料结合技术研究（续）自动编织技术自动编织技术68光纤与复合材料结合技术研究（续）光纤与复合材料结合技术研究（续）自动编织技术自动编织技术69需求2、航空航天采用了FBG传感器阵列的

21、自适应机翼DaimlerChrysler AG装有FBG气体温度传感器阵列的太空船模型CL-7570太空飞船太空飞船X-38X-38的再入式实验飞行器的再入式实验飞行器（NASANASA图片）图片）传感器布测区域传感器布测区域a.a.分布式温分布式温度传感方案度传感方案b.b.分布式应分布式应力传感方案力传感方案输出信号输出信号沿光纤传输光的沿光纤传输光的背向散射分量背向散射分量光纤温度传光纤温度传感元平面感元平面温度场分布温度场分布输入信号输入信号埋入光纤埋入光纤应力传感应力传感元元输入信号输入信号输出信号输出信号光纤监测网光纤监测网损伤探测损伤探测71光纤蒙皮光纤蒙皮需求2、航空航天（续）7172