光纖傳感器培訓剖析課件

1、光纖傳感技術及其應用光纖傳感技術及其應用光纖傳感技術簡介光纖技術的發(fā)展與動態(tài)光纖傳感器的發(fā)展與動態(tài)光纖傳感器的原理光纖傳感器與電傳感器的對比光纖傳感器的特點與分類光纖傳感技術在各行業(yè)中的應用光纖壓力傳感器光纖溫度傳感器光纖液位傳感器光纖閥位回訊器光纖成分在線檢測技術光纖報警傳感器其他光纖傳感技術光纖的發(fā)展與動態(tài) 1966年高昆博士提出光纖傳輸?shù)睦碚?1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纖 1970年美康寧公司制出世界第一根20dB/KM低損耗光纖 1972年日本電子技術綜合研究所制出7dB/KM SiO2芯光纖 1973年美貝爾實驗室用化學沉積法（CVD）制光纖 1978年對1

2、.5m光傳輸接通理論值約0.2dB/KM 1980年光通訊產(chǎn)業(yè)形成光纖傳感器的發(fā)展與動態(tài) 70年代末，美最先發(fā)表FOS文章 1981年美召開光纖陀螺會議 1981年英第一屆國際FOS會議 1984年西德第一屆FOS會議 1986年美第三屆FOS會議 1988年日本第四屆FOS會議 1989年美第五屆FOS會議 2000年意大利第十四屆FOS會議 光纖傳感器的原理光纖的結構n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護套光纖傳感器的原理光纖傳光原理 全反射 n1 n2 入射角法線n1n2光纖傳感器的原理光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1光纖模式及其對光信號傳輸?shù)挠绊憂2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n

3、2n1單模梯度光纖光纖傳感器的原理將被測參量轉換為光信號參數(shù)的變化光纖傳感器與電類傳感器對比電 量電量檢測電類傳感器被測參量電纜電類傳感器光 源光量檢測光纖傳感器被測參量光纖光纖傳感器光纖傳感器與電類傳感器對比分類 內容 光纖傳感器電類傳感器調制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏 溫-電敏、力-電敏、磁-電敏 傳輸信號光電傳輸介質光纖、光纜電線、電纜 從對比可見光纖傳感器與電類傳感器是并行互補的一類新型傳感器光纖傳感器的特點* 本質防爆 適合于易燃、易爆等危險物品檢測 * 對電絕緣 適合于高電壓場合檢測 * 無感應性 適合于強電磁場干擾環(huán)境下

4、檢測 * 化學穩(wěn)定性 適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測 * 時域變換性 適合于多點分布測量 * 低損耗 * 大容量 * 高精度 * 尺寸小 * 重量輕 * 非接觸式光纖傳感器在易燃易爆場合的應用控 制 室光 纖各類油罐參數(shù)檢測壓力容器參數(shù)檢測核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測煤礦中CH4等參數(shù)檢測光纖傳感器在高電壓、強電磁場干擾場合的應用控 制 室光 纖高壓變壓器高壓電動機強電磁干擾電氣設備微波設備光纖傳感器在實時在線檢測中的應用取樣送檢樣品光譜儀被測物傳統(tǒng)光譜儀物質成分檢測光纖光纖光譜儀被測物光纖光譜儀物質成分檢測光纖光譜儀在線檢測 CH4傳統(tǒng)分布測量光纖傳感技術在分布測量中的應用（時域變換技術）檢測儀表S1

5、S2S3Sn電纜OTDR技術用于分布檢測光纖傳感技術在分布測量中的應用（時域變換技術）光纖S1T1S2T2S3T3SnTn光纖傳感器的分類傳輸型 光纖僅傳輸信號，不起敏感作用傳感型 光纖既傳輸信號，又是敏感元件傳感信號光纖傳輸網(wǎng)絡010mA0 5V光電變換計算機電 阻電 容光纖傳輸網(wǎng)絡光纖 傳輸量大 傳輸距離遠 不怕電磁干擾 接口方式齊全電 感電脈沖光參量光纖轉速傳感器非接觸測量方式LEDPIN光纖光纖流量發(fā)訊器光纖負壓報警器光纖液位變送器點式光纖液位傳感器適用于 高、低液位報警 密封加油控制LEDPIN液體LEDPIN液體光 纖 液 位 傳 感 器光纖閥位回訊器發(fā)光管光敏管反射鏡軟鐵彈簧滑桿

6、光纖殼體彈片磁鐵GFH系列光纖閥位回訊器高精度 高可靠性壽命長 本質防爆光纖溫度傳感器阻光型LEDPIN光纖砷化鎵片光纖T1T2T3T2IT3 T1LED 光纖溫度傳感器折光型LEDPINn1n2n2隨溫度變化n2光纖高溫溫度傳感器光譜型PIN1PIN2濾波器1智能儀表濾波器2光纖高溫爐黑體輻射腔藍寶石光纖GW系列光纖高溫溫度傳感器湖北雙環(huán)化工集團公司應用現(xiàn)場GW光纖高溫計與鉑銠熱電偶在線記錄曲線GW光纖高溫計鉑銠熱電偶通過相位掩膜制作光纖光柵的原理puUV零級光束1級光束1級光束熔融石英相位掩膜光纖干涉條紋光纖光柵用于分布式光纖傳感系統(tǒng)F寬帶光源光纖法-柏分析器壓電單元掃描波形用于 Bedd

7、ington Trail 大橋的四路光纖布喇格光柵傳感解碼系統(tǒng)光纖溫度傳感器示意框圖光纖光柵用于溫度報警系統(tǒng)分路器寬帶光源報警器可調寬帶濾波器SSS光纖溫度報警器示意框圖 光纖氣體成分傳感器R,光纖傳感頭參考頻率LEDPIN鎖相放大器混氣室N2O2流量計光纖化學成分傳感器R,光纖傳感頭參考頻率LEDPIN鎖相放大器tI光纖光譜傳感器光 源出口待測氣體white室探測器信號處理 光纖傳感器應用實例例1 光纖溫度開關1234水銀柱式光纖溫度開關1 浸液；2 自聚焦透鏡；3 光纖；4 水銀 熱雙金屬式光纖溫度開關1 遮光板； 2 雙金屬片接收光源12例2 遮光式光纖溫度計當溫度升高時，雙金屬片的變形

8、量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。 例3 透射型半導體光纖溫度傳感器半導體的吸收光譜與材料的Eg有關，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關系可表示為：半導體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長g隨溫度的上升而增大。 這個性質反映在半導體的透光性上則表現(xiàn)為：當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的g（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。相對發(fā)光強度透射率LED發(fā)光光譜半導體透射率T1T2T3T3T1T2波長 半導體透射測量原理光纖環(huán)氧膠半導體

9、反射膜利用半導體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結構如圖。光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導體薄片對光進行吸收，則出射光強將隨溫度的變化而變化。例4 膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調制。 光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又? 例5 微彎光纖壓力

10、傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d原來光束以大于臨界角C的角度1在纖芯內傳輸為全反射；但在微彎處21，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。1n0n2n123例6 光彈式光纖壓力傳感器 光彈性式光纖壓力傳感器1、7 起偏器；2、8 1/4波長板；3、9 光彈性元件；4、10 檢偏器；5 光纖；6 自聚焦透鏡線偏振光光源1234P圓偏振光橢圓偏振光從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當有與入射光偏振方向呈4

11、5的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。 P5678910(b) 傳感器結構例9 球面光纖液位傳感器 球面光纖液位傳感器(a)探頭結構 LEDPD12將光纖用高溫火焰燒軟后對折，并將端部燒結成球形。光由光纖的一端導入,在球狀對折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導向探測器。反射光強的大小取決于被測介質的折射率。被測介質的折射率與光纖折射率越接近,反射光強度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。 (b) )

12、檢測原理空氣液體例8 斜端面光纖液位傳感器 斜面反射式光纖液位傳感器光纖(a) (b)光纖棱鏡當傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。 例9 單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器結構1 光纖；2 耦合器12當光纖處于空氣中時，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構成具有兩個探頭的液位報警傳感器。若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。 為了防止當探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，傳感器不能立即響應，可作一些改變。將光纖端部的尖

13、頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。另外可在頂部鍍的反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導引向突出物的下端。可保證探頭在離開液位時也能快速地響應。 例10 光纖渦街流量計 光纖渦街流量計光源探測器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄 當流體受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在某些條件下會在流體的下游兩側產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開。當每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生一側向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。 因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體的流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關系。光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原理制成的， 在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當液體或氣體流經(jīng)與其