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(cè)器光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)特殊光纖典型應(yīng)用第一講概論傳感器將待測(cè)量對(duì)象的狀態(tài)變換為可處理信號(hào)的器件或裝置?？梢詫?shí)現(xiàn)信息檢測(cè)、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(cè)被測(cè)物體某種信息的儀器。它是感知、獲得、檢測(cè)和轉(zhuǎn)換信息的窗口，處于探討對(duì)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(kāi)拓的先鋒在信息時(shí)代，人類的相識(shí)和活動(dòng)范圍在空間和時(shí)間上將向無(wú)限、極端和嶄新領(lǐng)域拓展。各種關(guān)鍵工程的開(kāi)發(fā)，首先就要有能傳感各種強(qiáng)、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(lái)不行估量的進(jìn)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。傳感器技術(shù)利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)。傳感器技術(shù)是檢測(cè)原理、材料科學(xué)和工藝加工三個(gè)要素的最佳結(jié)合，在發(fā)達(dá)國(guó)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(hào)的形式取出。10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF

自由空間波長(zhǎng)，m頻率，Hz電力、電話無(wú)線電、電視微波紅外可見(jiàn)光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無(wú)線電FM無(wú)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(diǎn)

波長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，防爆。無(wú)源器件，不干擾被測(cè)場(chǎng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，體積小，重量輕。便于和計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)分布式傳感和遙測(cè)技術(shù):在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上能連續(xù)的獲得被測(cè)量的響應(yīng)，傳統(tǒng)的幾百個(gè)點(diǎn)傳感器陣列可以用一條光纖取代。頻帶寬，動(dòng)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(jì)算機(jī)連接，實(shí)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(guò)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參量與進(jìn)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(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變更，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，并經(jīng)過(guò)解調(diào)而獲得被測(cè)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(hào)調(diào)制：待測(cè)參量引起光信號(hào)強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位或偏振態(tài)的變更。光探測(cè)器：PIN,APD,CCD,光電池等。信號(hào)處理：電路、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。光源信號(hào)調(diào)制光纖光纖光探測(cè)器信號(hào)處理外界參量2.光纖傳感器的分類依據(jù)傳感原理進(jìn)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(diǎn)。 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(jìn)行劃分

強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器：光纖中光強(qiáng)度變更波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光波長(zhǎng)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(shí)分調(diào)制：利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜，通過(guò)檢測(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小 的變更來(lái)測(cè)量外界物理量的大小和空間分布。依據(jù)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)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(jì)原則1.優(yōu)良的變換功能動(dòng)態(tài)范圍廣單純的變換關(guān)系信噪比高重復(fù)性好時(shí)間穩(wěn)定性好靈敏度高2.探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量好便于信號(hào)處理簡(jiǎn)潔傳輸信號(hào)特性參數(shù)隨時(shí)間的變更小，測(cè)量的重復(fù)性好，沒(méi)有滯后和老化現(xiàn)象。

3.與待測(cè)信號(hào)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(jià)格便宜堅(jiān)實(shí)耐用，機(jī)械性能好耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好，無(wú)危害性，無(wú)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(shí)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(wú)需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)。

1977年，美國(guó)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(wèn)世1983年起，國(guó)際光纖傳感器會(huì)議定期召開(kāi)，光纖傳感器的探討成為世界探討熱點(diǎn)各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都做了大量的探討工作，具體如下：

美國(guó)FOSS(FiberOpticSensorSystem)—光纖傳感器系統(tǒng)：水聲器、磁強(qiáng)計(jì)和 其它有關(guān)的水下檢測(cè)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(cè)CRP(CivilResearchProject)—民用探討支配英國(guó)1982年成立英國(guó)光纖傳感器合作協(xié)會(huì)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(cè)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(cè)試儀器—南安普頓高校德國(guó)光纖陀螺的探討和開(kāi)發(fā)水平僅次于美國(guó)，居世界其次。西門(mén)子公司等均在光纖傳感器方面有探討。1980年，西門(mén)子公司開(kāi)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(qǐng)光纖傳感器的相關(guān)專利共464項(xiàng)。我國(guó)1983年，光纖傳感器第一次全國(guó)性會(huì)議在杭州召開(kāi)。在“七五”規(guī)劃中提出了15項(xiàng)光纖傳感器的探討項(xiàng)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(zhǎng)與壓強(qiáng)、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(jì)算機(jī)

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(guó)防邊疆、眾多重要的軍事區(qū)域、簡(jiǎn)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(yàn)室商談?lì)A(yù)警光纜系統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓技術(shù)和如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的問(wèn)題。

目前光纖傳感器的存在問(wèn)題強(qiáng)度型光纖傳感器的問(wèn)題原理：利用光強(qiáng)的變更測(cè)量被測(cè)參數(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、工藝成熟、性能牢靠、成本低。缺點(diǎn)：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(wèn)題原理：依據(jù)被測(cè)參量影響后光纖中光相位的變更檢測(cè)外界參量。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高缺點(diǎn)：檢測(cè)與信號(hào)處理手段困難，光路困難，對(duì)光器件與光纖的要求嚴(yán)格，成本較高，簡(jiǎn)潔受其他因素的影響。其它問(wèn)題電源電壓波動(dòng)。工作環(huán)境溫度變更對(duì)傳感器性能的影響。特性參數(shù)與被測(cè)參數(shù)的關(guān)系為非線性。測(cè)量的長(zhǎng)時(shí)間漂移效應(yīng)?！?/p>

目前光纖傳感器的探討動(dòng)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(wèn)題，發(fā)展新原理的光纖傳感器。尤其要解決測(cè)量過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間漂移效應(yīng)。2.傳感器系統(tǒng)從單一傳感器的探討進(jìn)入到傳感器系統(tǒng)的探討，并與微處理機(jī)相結(jié)合形成光纖遙測(cè)系統(tǒng)。3.提高牢靠性和穩(wěn)定性降低