光纖傳感器原理及應用課件

光纖傳感器

原理及應用主要內容概論光纖傳感器原理光源光探測器光信號檢測技術特殊光纖典型應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。可以實現(xiàn)信息檢測、轉換和傳輸。從字面上講可比做人感知自然界物理現(xiàn)象的器官。從工程技術上講，指檢測被測物體某種信息的儀器。它是感知、獵取、檢測和轉換信息的窗口，處于爭論對象與傳輸處理系統(tǒng)的接口位置。傳感器是現(xiàn)代科學技術開拓的先鋒在信息時代，人類的生疏和活動范圍在空間和時間上將向無限、極端和嶄新領域拓展。各種關鍵工程的開發(fā)，首先就要有能傳感各種強、高、弱、微和邊緣效應的傳感器，這些特殊領域的突破將給人類科學技術帶來不行估量的進展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。傳感器技術利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應用技術。傳感器技術是檢測原理、材料科學和工藝加工三個要素的最正確結合，在興旺國家被列為核心技術之一。傳感技術的提高，在很大程度上有賴于提醒物理現(xiàn)象的爭論和材料技術的進展。光纖傳感器

(FOS-FiberOpticSensor)以光纖作為功能材料的傳感器。以光學技術為根底，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、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傳輸媒介頻段劃分傳輸介質光纖光通信的特點

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。構造簡潔，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:在整個光纖長度上能連續(xù)的獲得被測量的響應，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。幾何外形具有多方面的適用性，便于組合系統(tǒng)，可以組成任意外形的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.根本工作原理

將光源的光經(jīng)過光纖送入調制區(qū)，在調制區(qū)內，外界被測參量與進入調制區(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)境因素的變化而變化，從而使光的光學性質，如強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，并經(jīng)過解調而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的根本構成

光源：LD,LED,白熾燈，激光器等信號調制：待測參量引起光信號強度、波長、頻率、相位或偏振態(tài)的變化。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)傳感原理進展劃分傳光型光纖傳感器：光纖不連續(xù)，其間 有中斷，中斷局部要接上其它 介質的敏感元件，可以充分利 用已有傳感技術的優(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， 但是往往需要特殊光纖。依據(jù)調制原理進展劃分

強度調制光纖傳感器：光纖中光強度變化波長調制光纖傳感器：光纖中光波長變化偏振態(tài)調制光纖傳感器：光纖中光偏振態(tài)變化相位調制光纖傳感器：光纖中光相位變化頻率調制光纖傳感器：光纖中光頻率變化時分調制：利用外界因素調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 的變化來測量外界物理量的大小和空間分布。依據(jù)檢測對象進展劃分

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……….傳感器的設計原則1.優(yōu)良的變換功能動態(tài)范圍廣單純的變換關系信噪比高重復性好時間穩(wěn)定性好靈敏度高2.探測信號的質量好便于信號處理簡潔傳輸信號特性參數(shù)隨時間的變化小，測量的重復性好，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狀態(tài)可以充分承受目標的環(huán)境抗干擾性能好4.總體要求體積小輕松故障率低能夠大批量生產(chǎn)，價格廉價牢固耐用，機械性能好耐化學腐蝕、耐熱性能好，無危害性，無公害…….光纖傳感器的進展概況及其展望1.進展概況70年月中期，人們開頭意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構成一種新的直接交換信息的根底，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內的導光聯(lián)系起來。

1977年，美國海軍爭論所(NRL-NationalNovelResearchLaboratory)開頭執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)打算光纖傳感器問世1983年起，國際光纖傳感器會議定期召開，光纖傳感器的爭論成為世界爭論熱點各個興旺國家都做了大量的爭論工作，具體如下：

美國FOSS(FiberOpticSensorSystem)—光纖傳感器系統(tǒng)：水聲器、磁強計和 其它有關的水下檢測設備FOG(FiberOpticGyroscope)—光纖陀螺：進展最快，取得成果最好 的領域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)—核輻射監(jiān)測CRP(CivilResearchProject)—民用爭論打算英國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--中心電氣爭論所光纖陀螺、水聲器—倫敦大學光纖傳感器的多路測試設備—曼徹斯特大學光全息技術—牛津大學特種光纖和光學測試儀器—南安普頓大學德國光纖陀螺的爭論和開發(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爭論。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爭論工作的公司和大學共24家。1980~1983年，申請光纖傳感器的相關專利共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項光纖傳感器的爭論工程。目前的爭論工作主要由各高校和爭論所擔當。清華、北航、北京交大……光纖光柵概述

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

TypicalReflectionSpectra光纖光柵復用系統(tǒng)

光源

耦合器（環(huán)行器）光譜儀FBG1FBG2、、FBGn

123123FBG壓力傳感頭構造原理：光纖光柵Bragg波長與壓強、應變成線性變化關系光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)構造

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，可以建成型的預警光纜傳感系統(tǒng)這種預警光纜系統(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)的預警系統(tǒng)、還可用于地震猜測。目前，因特利公司和飛鴻佳信公司正與本試驗室商談預警光纜系統(tǒng)技術轉讓技術和如何實現(xiàn)產(chǎn)學研相結合的問題。

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：利用光強的變化測量被測參數(shù)優(yōu)點：構造簡潔、工藝成熟、性能牢靠、本錢低。缺點：光路調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化檢測外界參量。優(yōu)點：靈敏度高缺點：檢測與信號處理手段簡單，光路簡單，對光器件與光纖的要求嚴格，本錢較高，簡潔受其他因素的影響。其它問題電源電壓波動。工作環(huán)境溫度變化對傳感器性能的影響。特性參數(shù)與被測參數(shù)的關系為非線性。測量的長時間漂移效應?！?/p>

目前光纖傳感器的爭論動向1.有用化連續(xù)深入爭論光纖傳感器的理論和技術，解決有用化問題，進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。2.傳感器系統(tǒng)從單一傳感器的爭論進入到傳感器系統(tǒng)的爭論，并與微處理機相結合形成光纖遙測系統(tǒng)。3.提高牢靠性和穩(wěn)定性降低