光纖位移傳感器及其應(yīng)用

1、自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)及表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目：光纖位移傳感器及其應(yīng)用學(xué)院： 專業(yè)： 班級(jí)：姓名： 學(xué)號(hào)：一 摘要本文介紹了光纖傳感器的工作原理，組成結(jié)構(gòu)，測(cè)量電路圖，特性及相關(guān)參數(shù)選取等，因?yàn)楣饫w傳感器種類繁多, 能以高分辨率測(cè)量許多物理參數(shù), 與傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器相比具有很多優(yōu)勢(shì),可用在民用，航空航天，電力工業(yè)等。著重講在電力工業(yè)中得應(yīng)用。光纖傳感器是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器。二 光纖傳感器的工作原理反射式光纖位移傳感器工作原理如圖1所示，由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，射光纖照亮被測(cè)表面的面積越來(lái)越大，于是相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B越來(lái)越大，因而接收光纖端面

2、上被亮的曰，區(qū)也越來(lái)越大，有一個(gè)線性增長(zhǎng)的輸出信號(hào)；當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r，輸出信號(hào)就達(dá)到了位移一輸出信號(hào)曲線上的“光峰點(diǎn)”，光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前坡區(qū)，在這區(qū)里輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非?？?，可以用來(lái)進(jìn)行微米的位移測(cè)量。圖l反射式光纖位移傳感器工作原理三 光纖傳感器的組成結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換器光電變換器數(shù)顯電壓表四 測(cè)量電路原理及其特性反射式光纖位移傳感器的電路其實(shí)很簡(jiǎn)單。當(dāng)光纖探頭一端發(fā)射出紅外線另一端接受紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線經(jīng)光纖照射在物體表面并反射回至接受端口，這時(shí)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與反射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)光強(qiáng)的測(cè)定而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移的測(cè)量。五 光纖位移傳感器的應(yīng)用電力工業(yè)中的設(shè)備大

3、都處在強(qiáng)電磁場(chǎng)中, 一般電類傳感器無(wú)法使用。很多情況下需要測(cè)量的地方處在高壓中, 如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測(cè), 高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量, 這些地方的測(cè)量需要傳感器具有很好的絕緣性能、體積要小、而且是無(wú)源器件, 光纖光柵傳感器是進(jìn)行這些測(cè)量的最佳選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到達(dá)的地方, 如荒山野嶺、沙漠荒原中的傳輸電纜和中繼變電站, 使用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測(cè)能力可以極大地減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。因此光纖光柵傳感器在電力工業(yè)中的應(yīng)用前景很好。利用法拉第效應(yīng)的光纖傳感器已被用于配電工業(yè)中高電壓下的大電流測(cè)量, 但是由于線性雙折射、溫度和振動(dòng)所引起的問(wèn)題, 限制了

4、這一技術(shù)的應(yīng)用。一種替代的方法是用常電流轉(zhuǎn)換器、壓電元件和光纖光柵組成的綜合系統(tǒng)對(duì)大電流進(jìn)行間接測(cè)量 41 ,電流轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)變成電壓, 電壓變化使壓電元件形變, 形變大小由光纖光柵傳感器測(cè)量。另有一種改進(jìn)的方法進(jìn)一步改善了分辨率 42 , 此方法中光纖光柵傳感器由基于光纖光柵的法2泊腔代替。知道高電壓、大功率設(shè)備(如發(fā)電機(jī)和變壓器) 中的局部溫度分布, 對(duì)于了解它們的工作狀態(tài)以及鑒定新的或修理過(guò)的產(chǎn)品質(zhì)量是至關(guān)重要的。設(shè)備的缺陷或退化可以通過(guò)連續(xù)監(jiān)視線圈繞組的溫度變化檢查出來(lái)。Hammon 等人 43 演示了用光纖光柵傳感器測(cè)量高壓變壓器的繞組溫度, 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的精度已達(dá)到3 。如果將波分復(fù)

5、用技術(shù)用于此系統(tǒng), 則可進(jìn)行實(shí)時(shí)多點(diǎn)測(cè)量。德國(guó)西門子公司正在將光纖光柵傳感器用于氣冷渦輪發(fā)電機(jī)定子溫度的測(cè)量 44 , 他們用環(huán)氧樹脂將光纖光柵埋入定子中, 光纖光柵經(jīng)過(guò)特殊的封裝, 以保證在真空和4105 Pa 壓強(qiáng)下沒有形變,并且對(duì)160 溫度下環(huán)氧樹脂中的化學(xué)和物理變化不敏感, 他們的目標(biāo)是連續(xù)測(cè)量范圍從20 到160, 測(cè)量精度小于1 。同時(shí), 他們還在同一發(fā)電機(jī)中對(duì)大電流進(jìn)行了測(cè)量。高壓傳輸電纜的積雪超過(guò)其承載能力會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故, 特別是高壓傳輸電纜處于難于檢查的地方更是一個(gè)突出的問(wèn)題, 因此需要在線監(jiān)視電纜的荷載變化。O gaw a 等人 45 在30 km 長(zhǎng)的電纜上布置了10

6、個(gè)光纖光柵, 光纖光柵貼在金屬板上, 金屬板固定在電纜上, 荷載變化引起的電纜應(yīng)變經(jīng)金屬板傳入光纖光柵, 用波分復(fù)用技術(shù)對(duì)光柵反射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。對(duì)于更長(zhǎng)距離高壓傳輸電纜的監(jiān)測(cè)需要更多的光纖光柵, 這種情況下解調(diào)可以采用時(shí)分復(fù)用技術(shù), 因?yàn)楣饫w光柵之間的距離很大, 不需要高速的調(diào)制和解調(diào)。日本北海道就在光纖光柵傳感器測(cè)量高壓傳輸電纜的積雪荷載 46 。目前風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)越來(lái)越大, 從MW 數(shù)MW。一個(gè)輸出l. 5MW 的風(fēng)力電站需要70 m 長(zhǎng)的葉片, 100 m 的塔高。下一代的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)將達(dá)到5MW 甚至更大, 所需要的葉片超過(guò)100 m , 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些葉片是非常必要的。Sm art F ib re L td 準(zhǔn)備制造復(fù)合材料葉片, 在制造過(guò)程中將光纖光柵傳感器埋入復(fù)合材料中, 對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期地實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)測(cè)。在此應(yīng)用中, 光纖光柵傳感器可克服電類傳感器受電磁干擾, 怕雷擊