光纖傳感器原理及應(yīng)用課件

光纖傳感器

原理及應(yīng)用主要內(nèi)容概論光纖傳感器原理光源光探測器光信號檢測技術(shù)特殊光纖典型應(yīng)用第一講概論傳感器將待測量對象的狀態(tài)變換為可處理信號的器件或裝置?？梢詫崿F(xiàn)信息檢測、轉(zhuǎn)換和傳輸。從字面上講可比做人感知自然界物理現(xiàn)象的器官。從工程技術(shù)上講，指檢測被測物體某種信息的儀器。它是感知、獲得、檢測和轉(zhuǎn)換信息的窗口，處于探討對象與傳輸處理系統(tǒng)的接口位置。傳感器是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開拓的先鋒在信息時代，人類的相識和活動范圍在空間和時間上將向無限、極端和嶄新領(lǐng)域拓展。各種關(guān)鍵工程的開發(fā)，首先就要有能傳感各種強、高、弱、微和邊緣效應(yīng)的傳感器，這些特殊領(lǐng)域的突破將給人類科學(xué)技術(shù)帶來不行估量的進展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。傳感器技術(shù)利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)。傳感器技術(shù)是檢測原理、材料科學(xué)和工藝加工三個要素的最佳結(jié)合，在發(fā)達國家被列為核心技術(shù)之一。傳感技術(shù)的提高，在很大程度上有賴于揭示物理現(xiàn)象的探討和材料技術(shù)的發(fā)展。光纖傳感器

(FOS-FiberOpticSensor)以光纖作為功能材料的傳感器。以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將被敏感的狀態(tài)以光信號的形式取出。10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF

自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻段劃分傳輸介質(zhì)光纖光通信的特點

波長短，載頻高寬帶寬大容量能量集中器件尺寸小功耗低光纖的特點損耗低，0.2dB/km良好的傳光性能頻帶寬，傳輸容量大，400nm，50THz可塑性好；本身就可以作為敏感元件重量輕，體積小，27g/kmfiber資源豐富，石英抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高防爆性能好…...光纖傳感器的優(yōu)點靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，防爆。無源器件，不干擾被測場。結(jié)構(gòu)簡潔，體積小，重量輕。便于和計算機連接，可以實現(xiàn)分布式傳感和遙測技術(shù):在整個光纖長度上能連續(xù)的獲得被測量的響應(yīng)，傳統(tǒng)的幾百個點傳感器陣列可以用一條光纖取代。頻帶寬，動態(tài)范圍大。幾何形態(tài)具有多方面的適用性，便于組合系統(tǒng)，可以組成隨意形態(tài)的FOS或FOS陣列，并且可與計算機連接，實現(xiàn)多功能及智能化。光纖傳感器的工作原理及其分類1.基本工作原理將光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參量與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，由于光纖中的模態(tài)損耗和相位能夠隨著彎曲、微彎、壓力、拉力、溫度以及其它環(huán)境因素的變更而變更，從而使光的光學(xué)性質(zhì)，如強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變更，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，并經(jīng)過解調(diào)而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的基本構(gòu)成

光源：LD,LED,白熾燈，激光器等信號調(diào)制：待測參量引起光信號強度、波長、頻率、相位或偏振態(tài)的變更。光探測器：PIN,APD,CCD,光電池等。信號處理：電路、計算機、單片機，計算機系統(tǒng)等。光源信號調(diào)制光纖光纖光探測器信號處理外界參量2.光纖傳感器的分類依據(jù)傳感原理進行劃分傳光型光纖傳感器：光纖不連續(xù)，其間 有中斷，中斷部分要接上其它 介質(zhì)的敏感元件，可以充分利 用已有傳感技術(shù)的優(yōu)點。 傳感型光纖傳感器：“傳”和“感”合為一 體，光纖連續(xù)，削減了耦合， 但是往往須要特殊光纖。依據(jù)調(diào)制原理進行劃分

強度調(diào)制光纖傳感器：光纖中光強度變更波長調(diào)制光纖傳感器：光纖中光波長變更偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光偏振態(tài)變更相位調(diào)制光纖傳感器：光纖中光相位變更頻率調(diào)制光纖傳感器：光纖中光頻率變更時分調(diào)制：利用外界因素調(diào)制返回信號的基帶頻譜，通過檢測基帶的延遲時間、幅度大小 的變更來測量外界物理量的大小和空間分布。依據(jù)檢測對象進行劃分

溫度傳感器壓力傳感器位移傳感器流速傳感器輻射傳感器氣體傳感器光譜傳感器……….傳感器的設(shè)計原則1.優(yōu)良的變換功能動態(tài)范圍廣單純的變換關(guān)系信噪比高重復(fù)性好時間穩(wěn)定性好靈敏度高2.探測信號的質(zhì)量好便于信號處理簡潔傳輸信號特性參數(shù)隨時間的變更小，測量的重復(fù)性好，沒有滯后和老化現(xiàn)象。

3.與待測信號間的匹配性能好不干擾目標(biāo)狀態(tài)可以充分承受目標(biāo)的環(huán)境抗干擾性能好4.總體要求體積小敏捷故障率低能夠大批量生產(chǎn)，價格便宜堅實耐用，機械性能好耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好，無危害性，無公害…….

光纖傳感器的發(fā)展概況及其展望1.發(fā)展概況70年頭中期，人們起先意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的干脆交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。

1977年，美國海軍探討所(NRL-NationalNovelResearchLaboratory)起先執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)支配光纖傳感器問世1983年起，國際光纖傳感器會議定期召開，光纖傳感器的探討成為世界探討熱點各個發(fā)達國家都做了大量的探討工作，具體如下：

美國FOSS(FiberOpticSensorSystem)—光纖傳感器系統(tǒng)：水聲器、磁強計和 其它有關(guān)的水下檢測設(shè)備FOG(FiberOpticGyroscope)—光纖陀螺：發(fā)展最快，取得成果最好 的領(lǐng)域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)—核輻射監(jiān)測CRP(CivilResearchProject)—民用探討支配英國1982年成立英國光纖傳感器合作協(xié)會高電壓光纖電流傳感器--中心電氣探討所光纖陀螺、水聲器—倫敦高校光纖傳感器的多路測試設(shè)備—曼徹斯特高校光全息技術(shù)—牛津高校特種光纖和光學(xué)測試儀器—南安普頓高校德國光纖陀螺的探討和開發(fā)水平僅次于美國，居世界其次。西門子公司等均在光纖傳感器方面有探討。1980年，西門子公司開發(fā)出了高壓光纖電流傳感器。日本1979~1986年，從事光纖傳感器技術(shù)探討工作的公司和高校共24家。1980~1983年，申請光纖傳感器的相關(guān)專利共464項。我國1983年，光纖傳感器第一次全國性會議在杭州召開。在“七五”規(guī)劃中提出了15項光纖傳感器的探討項目。目前的探討工作主要由各高校和探討所擔(dān)當(dāng)。清華、北航、北京交大……光纖光柵概述

~500nm(Bragggrating)~200μm(Long-periodgrating)125μm8μm1mmto1500mmSinglemodefibreCoreCladdingRegionswithhigherrefractiveindexthanthatofcore’sItworkslikethisresonantwavelengthsarereflectedbacktowardthesourcenon-resonantwavelengthsaretransmittedthroughthedevicewithoutloss.Thecentrewavelengthisgivenby:

TypicalReflectionSpectra光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)

光源

耦合器（環(huán)行器）光譜儀FBG1FBG2、、FBGn

123123FBG壓力傳感頭結(jié)構(gòu)

原理：光纖光柵Bragg波長與壓強、應(yīng)變成線性變更關(guān)系光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感頭1#傳感頭2#傳感頭n#

計算機

光譜儀

光源傳感頭3#耦合器初始狀態(tài)探頭1#受力探頭4#受力各探頭受力前后光譜利用上述傳感功能，可以建成新型的預(yù)警光纜傳感系統(tǒng)這種預(yù)警光纜系統(tǒng)可以用于石油勘探系統(tǒng)、國防邊疆、眾多重要的軍事區(qū)域、簡潔產(chǎn)生滑坡和泥石流地區(qū)的預(yù)警系統(tǒng)、還可用于地震預(yù)料。目前，因特利公司和飛鴻佳信公司正與本試驗室商談預(yù)警光纜系統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓技術(shù)和如何實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的問題。

目前光纖傳感器的存在問題強度型光纖傳感器的問題原理：利用光強的變更測量被測參數(shù)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔、工藝成熟、性能牢靠、成本低。缺點：光路調(diào)整或光纖與探頭材料的連接、耦合困難相干型光纖傳感器的問題原理：依據(jù)被測參量影響后光纖中光相位的變更檢測外界參量。優(yōu)點：靈敏度高缺點：檢測與信號處理手段困難，光路困難，對光器件與光纖的要求嚴(yán)格，成本較高，簡潔受其他因素的影響。其它問題電源電壓波動。工作環(huán)境溫度變更對傳感器性能的影響。特性參數(shù)與被測參數(shù)的關(guān)系為非線性。測量的長時間漂移效應(yīng)?！?/p>

目前光纖傳感器的探討動向1.好用化接著深化探討光纖傳感器的理論和技術(shù)，解決好用化問題，發(fā)展新原理的光纖傳感器。尤其要解決測量過程的長時間漂移效應(yīng)。2.傳感器系統(tǒng)從單一傳感器的探討進入到傳感器系統(tǒng)的探討，并與微處理機相結(jié)合形成光纖遙測系統(tǒng)。3.提高牢靠性和穩(wěn)定性降低