第五部分-光電子的應用-光傳感技術.ppt

1、傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成可供處理的信號的器件或裝置。 利用光纖來獲取信息和處理信息 光纖傳感器。 一個完整的光信息系統(tǒng) 光載波源（光源）、光信號加載（調(diào)制）、 光信號傳輸與光信號檢測與處理等幾個基本部分。,光纖傳感器的基本原理： 當光在光纖中傳輸時，外界各種物理量（如溫度、壓力等）對光纖 作用，使在光纖中傳輸光的振幅、相位、偏振態(tài)等參量發(fā)生變化，這些 參數(shù)的變化帶有被測量的信息，若能測定出這些參量隨被測量變化的關 系，就能測出所測物理量的大小，這就是利用光纖獲取信息的基本原理。,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,光纖傳感器,光電子技術的主要應用,技術方面： 光纖制造技術的提高 光電子技

2、術的發(fā)展 半導體光源性能的提高 需求方面： 1、軍事應用； 2、渴望把只能在實驗室才能實現(xiàn)的高精度光學測量應用到 環(huán)境惡劣的生產(chǎn)、科研現(xiàn)場； 3、許多關系國計民生的大型結(jié)構(gòu)缺乏可靠的技術進行監(jiān)測。,光纖傳感器產(chǎn)生的背景,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,1. 抗電磁干擾，電絕緣 2. 靈敏度高 3. 體積小，重量輕，外形可變 4. 可檢測的量多 5. 可以實現(xiàn)分布式測量,光纖傳感器的特點：,光線傳感技術,光源,探測器,入射光波的特征參量： 振幅、相位、偏振態(tài)、波長等,外界物理因素：溫度、壓力、 電場、磁場、電流,光纖,傳感型光纖傳感器：外界物理量作用于光纖，改變了光纖的 傳輸參數(shù)或改變了 功

3、能型 通過光纖的光波，光纖同時完成了傳感和傳光兩種功能。,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,光纖傳感器的分類按功能分,光源,探測器,敏感元件,光纖,光纖,外界因素使通過敏感元件的光波的 振幅、相位、偏振態(tài)等參量發(fā)生變化,傳光型光纖傳感器：利用敏感元件或材料將被測量變成帶有信息的光信號， 非功能型 通過光纖傳輸。光纖僅起傳輸光的作用。,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,強度調(diào)制型光纖傳感器,光纖傳感器的分類,按調(diào)制原理分類,利用外界因素引起的光纖中光強的變化來探測物理量的光纖傳感器。 改變光纖中光強的辦法：改變光纖的微彎狀態(tài)、改變光纖的耦合條件、 改變光

4、纖對光波的吸收條件、改變光纖中折射率分布。,變型器,光纖微彎傳感器,光線傳感技術,透射型光強調(diào)制,（a）徑（橫）向位移；（b）軸向位移；（c）遮擋光閘位移；（d）響應曲線,受抑全反射光強調(diào)制,（a）結(jié)構(gòu)；（b）光纖空隙（m）,反射機制光強調(diào)制原理,微彎光強調(diào)制機制,光電子技術的主要應用,相位調(diào)制型光纖傳感器,利用外界因素引起的光纖中光波相位變化來探測各種物理量的傳感器。 主要特點： （1）、靈敏度高； （2）、靈活多樣； （3）、對象廣泛； （4）、特殊需要的光纖。,光纖干涉儀,Mach-Zehnder Michelson Sagnac,光線傳感技術,四種干涉儀及其光纖結(jié)構(gòu),光電子技術的主要應

5、用,偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器,外界因素使光纖中光波模式的偏振態(tài)發(fā)生變化，并對其加以檢測的光纖傳感器。 基本原理是根據(jù)光纖材料的 Faraday 效應：光波在處于磁場中的光纖內(nèi)傳播時 偏振光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度于磁場強度、磁場中光纖的長度成正比。, VHL,V：Verdet 常數(shù),光線傳感技術,光電子技術的主要應用,頻率調(diào)制型光纖傳感器光纖光柵傳感器,通過外界參量對布拉格中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,溫度傳感器 位置傳感器 流量傳感器 應變傳感器 磁場傳感器 電流傳感器 電壓傳感器 壓力傳感器 核輻射傳感器，等等,按測量對象來分類,光線傳感技術,光電子技

6、術的主要應用,一、光源特性 1、幾何特性：光源的光斑與光纖的匹配程度 2、頻譜特性：中心波長0和光譜寬度 3、電光特性：電源對光輸出的影響 4、環(huán)境特性：光源的穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命,光 纖 傳 感 器 的 光 源,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,寬帶連續(xù)光譜光源：鎢燈、高壓水銀燈和氙燈。 光譜分布具有黑體輻射的特征 它們的輻射光譜約為0.43.0um，為玻泡的光譜 光譜最大值的位置取決于熾熱體溫度 壽命短(千小時) 與光纖的耦合效率極低 主要應用在白光干涉型光纖傳感器中 超輻射LED(SLED)有望取代它們,二、幾種常用光源,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,單色性、相干性、方向性和

7、高強度 散斑噪聲 氣體激光器(He-Ne)與半導體激光器(LD) 1. He-Ne： 相干長度長，輸出波長相對穩(wěn)定性高 輸出功率穩(wěn)定性差、噪聲大 適用于計量干涉條紋、數(shù)字式光纖傳感器 采用穩(wěn)頻措施后，性能會有所改善,三、激光器：,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,2. LD FP與DBF之分 體積小、重量輕、效率高、壽命長 光源噪聲較小 相位調(diào)制、數(shù)字式光纖傳感器 強度調(diào)整、偏振調(diào)制性光纖傳感器 注意散斑噪聲,光線傳感技術,光電子技術的主要應用,三、半導體發(fā)光二極管(LED) 非相干光源 輸出功率穩(wěn)定性好，噪聲極低 出纖功率較低 高精度的強度調(diào)制、偏振調(diào)制型光纖傳感器 白光干涉型光纖傳感器,

8、光線傳感技術,光電子技術的主要應用,鎢燈在溫度T2850K時的歸一化光譜分布 LED的光譜分布,FP激光器的輸出光譜,光線傳感技術,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,1. 分布式： 同時測量空間多個點環(huán)境參數(shù)， 甚至能測量空間連續(xù)分布的環(huán)境參數(shù)； 2. 復用式： 利用一根共用的光纖信道，從多個不同位置測量 同一個或不同物理量。 分布式光纖傳感器的發(fā)展 1981英國提出 1983 英國原理性實驗(Rayleigh散射) 1985 英國實驗室 90年代 英國和日本推出分布式溫度傳感器的產(chǎn)品,分布式光纖傳感器,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,1.各種大、中型變壓器、發(fā)電機組的溫

9、度分布測量、熱保護和故障診斷 2. 地下和架空高壓電力電纜的熱點檢測和監(jiān)控 火力發(fā)電所的配管溫度、供熱系統(tǒng)（暖水、暖氣）的管道、輸油管道的 熱點檢測和故障診斷 4. 醫(yī)院監(jiān)護病房的溫度監(jiān)測和火災監(jiān)測 煤礦、隧道的災害防治及其報警系統(tǒng) 油庫、油罐、危險品倉庫、大型倉庫和大型輪船的貨倉火災及報警系統(tǒng) 7. 化工原料，照相材料及油料生產(chǎn)過程的在線、動態(tài)檢測 8.高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等在線、動態(tài)檢測、防護及報警 機敏材料和結(jié)構(gòu)（smart materials and structure）：用于航空、航天飛 行器的在線、動態(tài)檢測和機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng),光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,光纖傳感器復用技術的核心之一就是如何區(qū)分出不同的傳感器。 按照其原理可以分為：時分復用、波分復用、空分復用。 時分復用:在時域上區(qū)分出不同的傳感器。,準分布式光纖傳感器的復用技術,光電子在信息領域中的主要應用,光線傳感技術,波分復用：波長為標志來區(qū)分不同的傳感器 波分復用的前提是傳感器具有波長選擇性，即：只對某一波