光纖壓力傳感器

1、光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 l一、光纖傳感技術(shù)概念一、光纖傳感技術(shù)概念 l二、光纖壓力傳感器分類二、光纖壓力傳感器分類 l三、光纖壓力傳感器的應(yīng)用三、光纖壓力傳感器的應(yīng)用 光纖傳感技術(shù)概念光纖傳感技術(shù)概念 l光纖傳感技術(shù)光纖傳感技術(shù) 伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體, 光纖為媒質(zhì),感知和傳輸外界信號(被測量)的新型傳感技術(shù)。當(dāng)這種外界信號為 壓力時,即構(gòu)成光纖壓力傳感器。光纖壓力傳感器作為一種新型的傳感器,與傳 統(tǒng)的壓力傳感器相比體積小、重量輕,具有電絕緣性、不受電磁干擾、可用于易 燃易爆的環(huán)境中等優(yōu)點(diǎn),另外還可以構(gòu)成光纖分布式壓力傳感器,對

2、橋梁、大壩 等進(jìn)行健康狀況的實(shí)時監(jiān)測。 一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器 l微彎型微彎型 原理：原理：當(dāng)齒形板受當(dāng)齒形板受 外部擾動時外部擾動時, ,光纖的光纖的 微彎程度隨之變化微彎程度隨之變化, , 從而導(dǎo)致輸出光功從而導(dǎo)致輸出光功 率的改變率的改變, ,通過光檢通過光檢 測器檢測到的光功測器檢測到的光功 率變化來間接地測率變化來間接地測 量外部壓力的大小量外部壓力的大小 。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, ,容易裝配容易裝配, ,造價低。造價低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：傳感器的微彎結(jié)構(gòu)周期要求嚴(yán)格傳感器的微彎結(jié)構(gòu)周期要求嚴(yán)格, ,因此機(jī)械設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜因此機(jī)械設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜, ,另

3、外加速度另外加速度 效應(yīng)也會使其性能惡化。效應(yīng)也會使其性能惡化。 一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器 l透射型透射型 原理：原理：在發(fā)射光纖與在發(fā)射光纖與 接收光纖之間放置一接收光纖之間放置一 個遮光片個遮光片, ,對進(jìn)入接收對進(jìn)入接收 光纖的光束產(chǎn)生一定光纖的光束產(chǎn)生一定 程度的遮擋程度的遮擋, ,外界信號外界信號 通過控制遮光片的位通過控制遮光片的位 移來制約遮光程度移來制約遮光程度, ,實(shí)實(shí) 現(xiàn)對進(jìn)入接收光纖的現(xiàn)對進(jìn)入接收光纖的 光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，線性度好。靈敏度高，線性度好。 一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器 l反

4、射型反射型 原理：原理：利用彈利用彈 性模片在壓力作性模片在壓力作 用下變形從而調(diào)用下變形從而調(diào) 制反射光功率信制反射光功率信 號號, ,壓力的大小壓力的大小 與發(fā)射光的強(qiáng)度與發(fā)射光的強(qiáng)度 成一定關(guān)系。成一定關(guān)系。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、易調(diào)試等。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、精度高、易調(diào)試等。 一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器一、強(qiáng)度調(diào)制光纖壓力傳感器 l消逝波耦合性消逝波耦合性 原理：原理：根據(jù)受抑全根據(jù)受抑全 反射原理，當(dāng)兩根反射原理，當(dāng)兩根 光纖的纖芯相互靠光纖的纖芯相互靠 近到一定距離時近到一定距離時, ,消消 逝光波可以從一根逝光波可以從一根 光纖耦合進(jìn)入到另光纖耦合進(jìn)入到另 一根光

5、纖中去。一根光纖中去。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高靈敏度很高, ,當(dāng)兩根光纖靠的很近時當(dāng)兩根光纖靠的很近時, ,即使間隙變化很小即使間隙變化很小( (即被測壓力即被測壓力 改變量很小改變量很小),),相對輸出光強(qiáng)仍有很大的變化。相對輸出光強(qiáng)仍有很大的變化。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：這種傳感器對光纖端面平整度要求較高這種傳感器對光纖端面平整度要求較高, ,當(dāng)光纖端面距離增加時當(dāng)光纖端面距離增加時, ,耦耦 合效率將成指數(shù)減小合效率將成指數(shù)減小, ,因此動態(tài)范圍比較小因此動態(tài)范圍比較小, ,不適合壓力變化較大的場合。不適合壓力變化較大的場合。 二、頻率調(diào)制光纖壓力傳感器二、頻率調(diào)制光纖壓力傳感器 l頻率調(diào)制光纖壓

6、力傳感器頻率調(diào)制光纖壓力傳感器 原理：原理：硅諧振器在硅諧振器在 調(diào)制光的激勵下以固調(diào)制光的激勵下以固 有頻率振動有頻率振動, ,當(dāng)壓力當(dāng)壓力 影響了硅諧振器的頻影響了硅諧振器的頻 率后率后, ,通過檢測頻率通過檢測頻率 的變化就可以得到壓的變化就可以得到壓 力的大小。力的大小。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測量精度高測量精度高, ,抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng), ,采用頻率輸出采用頻率輸出, ,屬于數(shù)字式傳感器屬于數(shù)字式傳感器, ,省掉省掉 了模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)了模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié), ,具有廣泛的應(yīng)用前景。具有廣泛的應(yīng)用前景。 三、相位調(diào)制光纖壓力傳感器三、相位調(diào)制光纖壓力傳感器 lMach-ZehnderMach-Zeh

7、nder干涉式光纖壓力傳感器干涉式光纖壓力傳感器 原理：原理：光纖內(nèi)傳播光纖內(nèi)傳播 的光波相位在壓力的的光波相位在壓力的 作用下發(fā)生變化作用下發(fā)生變化, ,通通 過干涉測量技術(shù)把相過干涉測量技術(shù)把相 位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變 化化, ,從而檢測出待測從而檢測出待測 的壓力值。的壓力值。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小體積小, ,并且制造成本較低，靈敏度高。并且制造成本較低，靈敏度高。 四、波長調(diào)制光纖壓力傳感器四、波長調(diào)制光纖壓力傳感器 l光纖光柵壓力傳感器光纖光柵壓力傳感器 原理：原理：光纖布拉格光柵貼在光纖布拉格光柵貼在 形變體上形變體上, ,當(dāng)壓力加在被測物當(dāng)壓力加在被測物 體上時體上時

8、, ,形變體受到外界壓力形變體受到外界壓力 產(chǎn)生形變產(chǎn)生形變, ,光纖光柵的有效折光纖光柵的有效折 射率和光纖周期都將發(fā)生變射率和光纖周期都將發(fā)生變 化化, ,光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)發(fā)生光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)發(fā)生 形變的光纖光柵反射形變的光纖光柵反射, ,布拉格布拉格 波長產(chǎn)生移位波長產(chǎn)生移位, ,通過光譜儀測通過光譜儀測 量反射光的光譜量反射光的光譜, ,根據(jù)公式可根據(jù)公式可 得到壓力的大小。得到壓力的大小。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：精度高、大量程測量分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、測量結(jié)果具有很好精度高、大量程測量分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、測量結(jié)果具有很好 重復(fù)性重復(fù)性, ,因此常用于溫度、壓力和液體高度等的測量。因此

9、常用于溫度、壓力和液體高度等的測量。 五、分布式光纖壓力傳感器五、分布式光纖壓力傳感器 l基于基于OTDROTDR的分布式壓力傳感器的分布式壓力傳感器 原理：原理：當(dāng)鋼絲繩受軸向應(yīng)力當(dāng)鋼絲繩受軸向應(yīng)力 作用而被拉伸時作用而被拉伸時, ,光纖也一起光纖也一起 跟著被拉緊跟著被拉緊, ,并貼敷在繩索上并貼敷在繩索上 , ,從而光纖產(chǎn)生側(cè)向變形。另從而光纖產(chǎn)生側(cè)向變形。另 外隨著鋼繩的縱向拉長外隨著鋼繩的縱向拉長, ,其直其直 徑將不斷減小徑將不斷減小, ,同時它對光纖同時它對光纖 產(chǎn)生的微彎曲率脈沖峰值、產(chǎn)生的微彎曲率脈沖峰值、 寬度將分別增大和減小寬度將分別增大和減小, ,這樣這樣 就造成光纖的

10、光功率損耗就造成光纖的光功率損耗, ,建建 立損耗與應(yīng)變的關(guān)系立損耗與應(yīng)變的關(guān)系, ,從而測從而測 量出應(yīng)變量的大小。量出應(yīng)變量的大小。 光纖壓力傳感器的應(yīng)用光纖壓力傳感器的應(yīng)用 l1.1.光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域應(yīng)用研究光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域應(yīng)用研究 l2.2.光纖壓力傳感器在煤礦中的應(yīng)用研究光纖壓力傳感器在煤礦中的應(yīng)用研究 l3.3.光纖壓力傳感器在原油開采中的應(yīng)用研究光纖壓力傳感器在原油開采中的應(yīng)用研究 1. 1. 光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究 l研究背景：研究背景：稱重領(lǐng)域是光纖壓力傳感器應(yīng)用的一個方向稱重領(lǐng)域是光纖壓力傳感器應(yīng)用的一個方向, ,目前主

11、要集目前主要集 中于動態(tài)稱重方面的研究。動態(tài)稱重指在汽車運(yùn)動狀態(tài)下稱出其質(zhì)量，中于動態(tài)稱重方面的研究。動態(tài)稱重指在汽車運(yùn)動狀態(tài)下稱出其質(zhì)量， 利用光纖壓力傳感器進(jìn)行稱重已成為目前動態(tài)稱重研究的重點(diǎn)。利用光纖壓力傳感器進(jìn)行稱重已成為目前動態(tài)稱重研究的重點(diǎn)。 l應(yīng)用：應(yīng)用：光纖壓力傳感器包括強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型及波長調(diào)制型。光纖壓力傳感器包括強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型及波長調(diào)制型。 基本原理：基本原理：當(dāng)光當(dāng)光 纖彎曲時，在光纖纖彎曲時，在光纖 中傳輸?shù)膶?dǎo)行模會中傳輸?shù)膶?dǎo)行模會 在彎曲點(diǎn)變?yōu)檩椛湓趶澢c(diǎn)變?yōu)檩椛?模，損耗掉部分光模，損耗掉部分光 功率，光功率的損功率，光功率的損 耗值與待測壓力具耗值

12、與待測壓力具 有一定關(guān)系，通過有一定關(guān)系，通過 測量光功率可得到測量光功率可得到 待測壓力。待測壓力。 光纖加強(qiáng)材料和光纖光柵組成的傳感器 封裝好的動態(tài)稱重傳感器 l1.1 1.1 強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究 工作原理：工作原理：采用傳感光纖與采用傳感光纖與 一根橫截面為圓形的均勻細(xì)一根橫截面為圓形的均勻細(xì) 線絞合的辦法使光纖產(chǎn)生一線絞合的辦法使光纖產(chǎn)生一 個預(yù)彎曲，在光纖受力時，個預(yù)彎曲，在光纖受力時， 曲率會發(fā)生變化，從而使光曲率會發(fā)生變化，從而使光 纖的損耗值也發(fā)生變化，其纖的損耗值也發(fā)生變化，其 結(jié)構(gòu)如圖所示，該力一案可結(jié)構(gòu)如圖所示

13、，該力一案可 通過通過OTDROTDR技術(shù)或正向光功率技術(shù)或正向光功率 測量技術(shù)測量光纖彎曲損耗。測量技術(shù)測量光纖彎曲損耗。 絞合式光纖壓力傳感器 l1.2 1.2 強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究 l工作原理：工作原理：通過干涉測量技術(shù)，相通過干涉測量技術(shù)，相 位調(diào)制型光纖壓力傳感器測量光纖位調(diào)制型光纖壓力傳感器測量光纖 內(nèi)傳播的光波相位在壓力作用下發(fā)內(nèi)傳播的光波相位在壓力作用下發(fā) 生的變化。該技術(shù)用在稱重領(lǐng)域通生的變化。該技術(shù)用在稱重領(lǐng)域通 過測量壓力后轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。過測量壓力后轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。 l實(shí)例：實(shí)例：20052005年，袁申芳等人設(shè)計(jì)了年

14、，袁申芳等人設(shè)計(jì)了 一套基于邁爾訊干涉儀動態(tài)稱重系一套基于邁爾訊干涉儀動態(tài)稱重系 統(tǒng)。如有圖所示將干涉儀的測量光統(tǒng)。如有圖所示將干涉儀的測量光 纖鋪設(shè)在一塊鋼板上。當(dāng)有壓力作纖鋪設(shè)在一塊鋼板上。當(dāng)有壓力作 用在鋼板上時，干涉儀輸出信號會用在鋼板上時，干涉儀輸出信號會 發(fā)生變化，通過測量輸出信號的變發(fā)生變化，通過測量輸出信號的變 化進(jìn)行稱量。該稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，化進(jìn)行稱量。該稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 價格低，可為許多實(shí)際應(yīng)用提供更價格低，可為許多實(shí)際應(yīng)用提供更 高精度需求。高精度需求。 l1.3 1.3 相位調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究相位調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究 基于邁爾訊干涉儀

15、動態(tài)稱重系統(tǒng) 工作原理：工作原理：根據(jù)光纖光柵的中心根據(jù)光纖光柵的中心 波長漂移特性，利用光纖光柵進(jìn)行波長漂移特性，利用光纖光柵進(jìn)行 壓力測量的實(shí)驗(yàn)基本方案如圖。透壓力測量的實(shí)驗(yàn)基本方案如圖。透 射型和反射型光纖光柵壓力傳感器射型和反射型光纖光柵壓力傳感器 都需進(jìn)行波長解調(diào)而得到壓力值。都需進(jìn)行波長解調(diào)而得到壓力值。 在進(jìn)行稱重實(shí)驗(yàn)時，多用將光纖光在進(jìn)行稱重實(shí)驗(yàn)時，多用將光纖光 柵貼在形變體上的方法。研究人員柵貼在形變體上的方法。研究人員 一般采用承重梁模型或懸臂梁模型，一般采用承重梁模型或懸臂梁模型， 光纖光柵被平行或垂直的貼在承重光纖光柵被平行或垂直的貼在承重 梁上，當(dāng)車輛通過時，光纖光柵

16、受梁上，當(dāng)車輛通過時，光纖光柵受 到拉伸或壓縮到拉伸或壓縮! !通過解調(diào)波長得到通過解調(diào)波長得到 車輛的質(zhì)量。車輛的質(zhì)量。 l1.4 1.4 波長調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究波長調(diào)制型光纖壓力傳感器在稱重領(lǐng)域的研究 光纖光柵壓力傳感器 研究背景：研究背景：鑒于國內(nèi)煤炭安全問題頻出鑒于國內(nèi)煤炭安全問題頻出, , 煤礦安全監(jiān)控行業(yè)也逐漸被人們所煤礦安全監(jiān)控行業(yè)也逐漸被人們所 重視重視, , 先進(jìn)而可靠的監(jiān)控技術(shù)可以極大的提高和保障煤礦安全生產(chǎn)能效先進(jìn)而可靠的監(jiān)控技術(shù)可以極大的提高和保障煤礦安全生產(chǎn)能效, , 并且并且 可以預(yù)測或預(yù)警事故的發(fā)生。光纖傳感具有本質(zhì)安全、耐腐蝕、漂移小、靈敏可以

17、預(yù)測或預(yù)警事故的發(fā)生。光纖傳感具有本質(zhì)安全、耐腐蝕、漂移小、靈敏 度高、使用壽命長并且便于與光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)融合等一系列獨(dú)特優(yōu)勢度高、使用壽命長并且便于與光纖環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)融合等一系列獨(dú)特優(yōu)勢, , 已廣已廣 泛應(yīng)用于油井、電力、建筑等高危行業(yè)。同時光纖傳感器也非常適用于煤礦井泛應(yīng)用于油井、電力、建筑等高危行業(yè)。同時光纖傳感器也非常適用于煤礦井 下單點(diǎn)或多點(diǎn)多參數(shù)檢測下單點(diǎn)或多點(diǎn)多參數(shù)檢測, , 是煤礦安全監(jiān)控的理想選擇。是煤礦安全監(jiān)控的理想選擇。 基本原理：基本原理：壓力壓力( (應(yīng)力應(yīng)力) )是光纖光柵傳感器的主要檢測量之一是光纖光柵傳感器的主要檢測量之一, , 壓力壓力( (應(yīng)力應(yīng)力) )

18、的的 變化可被光纖光柵傳感器直接感知。而壓力變化可被光纖光柵傳感器直接感知。而壓力( (應(yīng)力應(yīng)力) )在不同場合表示不同的物理在不同場合表示不同的物理 量量, , 煤礦中很多和壓力煤礦中很多和壓力( (應(yīng)力應(yīng)力) )有關(guān)的參數(shù)都可由光纖光柵傳感器感知測量。有關(guān)的參數(shù)都可由光纖光柵傳感器感知測量。 應(yīng)用：應(yīng)用：礦用光纖稱重傳感器、礦用光纖液壓傳感器等。礦用光纖稱重傳感器、礦用光纖液壓傳感器等。 l2.2.光纖壓力傳感器在煤礦領(lǐng)域的研究光纖壓力傳感器在煤礦領(lǐng)域的研究 l工作原理：工作原理：沒有施加載荷作用沒有施加載荷作用 時時, , 光譜儀接收到的光纖光柵布光譜儀接收到的光纖光柵布 拉格反射光譜具

19、有單一的反射峰拉格反射光譜具有單一的反射峰; ; 當(dāng)載荷增加到一定程度時當(dāng)載荷增加到一定程度時, , 在光在光 譜儀中看到反射光譜逐漸變寬、譜儀中看到反射光譜逐漸變寬、 幅值逐漸減小幅值逐漸減小, , 直至出現(xiàn)兩個峰直至出現(xiàn)兩個峰 值值, , 隨外界載荷的增加隨外界載荷的增加, , 反射峰反射峰 向波長方向移動向波長方向移動, , 并伴隨著兩個并伴隨著兩個 反射峰彼此越發(fā)分離。再通過保反射峰彼此越發(fā)分離。再通過保 偏分束器將兩個反射波峰分偏分束器將兩個反射波峰分離開離開, , 進(jìn)入功率探測器就可以實(shí)現(xiàn)簡單進(jìn)入功率探測器就可以實(shí)現(xiàn)簡單 的光纖光柵反射光譜的解調(diào)。的光纖光柵反射光譜的解調(diào)。 稱重原

20、理圖 l2.1 2.1 礦用光纖稱重傳感器礦用光纖稱重傳感器 l工作原理：工作原理：當(dāng)上部通道傳當(dāng)上部通道傳 入壓強(qiáng)時入壓強(qiáng)時, , 此裝置中部活塞此裝置中部活塞 向下運(yùn)動向下運(yùn)動, , 通過觸點(diǎn)使得雙通過觸點(diǎn)使得雙 拱型懸臂梁發(fā)生形變。此時拱型懸臂梁發(fā)生形變。此時 粘貼在懸臂梁一側(cè)的粘貼在懸臂梁一側(cè)的 會受到徑向應(yīng)力的作用。通會受到徑向應(yīng)力的作用。通 過有限元分析懸臂梁的受力過有限元分析懸臂梁的受力 不均勻不均勻, , 從而變?yōu)榱藦亩優(yōu)榱?啁啾光纖光柵啁啾光纖光柵, , 這就會導(dǎo)致這就會導(dǎo)致 反射波譜寬的增加。反射波譜寬的增加。 雙拱型結(jié)構(gòu)壓力傳感裝置結(jié)構(gòu)和外型圖 l2.2 2.2 礦用光

21、纖液壓傳感器礦用光纖液壓傳感器 研究背景：研究背景：伴隨新的技術(shù)的采用，也伴隨新的技術(shù)的采用，也 給用于提供井下地球物理信息的傳感器給用于提供井下地球物理信息的傳感器 提出了更加苛刻的要求。因此，對油藏提出了更加苛刻的要求。因此，對油藏 和石油井下的一些關(guān)鍵的物理參數(shù)以及和石油井下的一些關(guān)鍵的物理參數(shù)以及 他們隨著時間和空間的變化實(shí)時、在線他們隨著時間和空間的變化實(shí)時、在線 的測量和監(jiān)測就變得非常重要。比如對的測量和監(jiān)測就變得非常重要。比如對 于海上油田，許多超深油井下的壓強(qiáng)高于海上油田，許多超深油井下的壓強(qiáng)高 達(dá)近百達(dá)近百M(fèi)PaMPa，對傳感器的工作壓力范圍，對傳感器的工作壓力范圍 也提出了極高的要求。也提出了極高的要求。 發(fā)展趨勢：發(fā)展