光纖傳感器原理及其應(yīng)用課件

1、光纖傳感器原理及其應(yīng)用主要內(nèi)容概論光纖傳感器原理光源光探測器光信號檢測技術(shù)特殊光纖典型應(yīng)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?？梢詫崿F(xiàn)信息檢測、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，指檢測被測物體某種信息的儀器。它是感知、獲取、檢測和轉(zhuǎn)換信息的窗口，處于研究對象與傳輸處理系統(tǒng)的接口位置。傳感器技術(shù)利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門應(yīng)用技術(shù)。傳感器技術(shù)是檢測原理、材料科學(xué)和工藝加工三個要素的最佳結(jié)合，在發(fā)達(dá)國家被列為核心技術(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)象的研究和材料技術(shù)的發(fā)展。光纖傳感器(FOS-Fiber

2、Optic Sensor)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)以光信號的形式取出。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/km fiber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)點靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，防爆。無源器件，不干擾被測場。結(jié)構(gòu)簡單，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(shù):在整個光纖長度上能連續(xù)的獲得被測量的響應(yīng)，傳統(tǒng)的幾百

3、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。幾何形狀具有多方面的適用性，便于組合系統(tǒng)，可以組成任意形狀的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.基本工作原理 將光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制區(qū)，在 調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參量與進入調(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)境因素的變化而變化，從而使光的光學(xué)性質(zhì)，如強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，并經(jīng)過解調(diào)而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的基本構(gòu)成 光源：LD,LED,白熾燈，激光器等信號調(diào)制：待測

4、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(diào)制光纖光纖光探測器信號處理外界參量 按照調(diào)制原理進行劃分 強度調(diào)制光纖傳感器：光纖中光強度變化 波長調(diào)制光纖傳感器：光纖中光波長變化 偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光偏振態(tài)變化相位調(diào)制光纖傳感器：光纖中光相位變化 頻率調(diào)制光纖傳感器：光纖中光頻率變化 時分調(diào)制：利用外界因素調(diào)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。 按照檢測對象進行劃分 溫度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 流速傳感器 輻射

5、傳感器 氣體傳感器 光譜傳感器 .1.優(yōu)良的變換功能動態(tài)范圍廣單純的變換關(guān)系信噪比高重復(fù)性好時間穩(wěn)定性好靈敏度高2.探測信號的質(zhì)量好便于信號處理容易傳輸信號特性參數(shù)隨時間的變化小，測量的重復(fù)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(biāo)狀態(tài)可以充分承受目標(biāo)的環(huán)境抗干擾性能好4.總體要求體積小輕便故障率低能夠大批量生產(chǎn)，價格便宜堅固耐用，機械性能好耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好，無危害性，無公害. 光纖傳感器的發(fā)展概況及其展望1.發(fā)展概況70年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級就能把待測的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。

6、 1983年起，國際光纖傳感器會議定期召開，光纖傳感器的研究成為世界研究熱點各個發(fā)達(dá)國家都做了大量的研究工作，具體如下： 美 國 FOSS(Fiber Optic Sensor System) 光纖傳感器系統(tǒng)：水聲器、磁強計和 其它有關(guān)的水下檢測設(shè)備 FOG(Fiber Optic Gyroscope) 光纖陀螺：發(fā)展最快，取得成果最好的領(lǐng)域之一 NRM(Nuclear Radiation Monitor) 核輻射監(jiān)測 CRP(Civil Research Project) 民用研究計劃德 國光纖陀螺的研究和開發(fā)水平僅次于美國，居世界第二。西門子公司等均在光纖傳感器方面有研究。1980年，西門

7、子公司開發(fā)出了高壓光纖電流傳感器。日 本19791986年，從事光纖傳感器技術(shù)研究工作的公司和大學(xué)共24家。19801983年，申請光纖傳感器的相關(guān)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項光纖傳感器的研究項目。目前的研究工作主要由各高校和研究所承擔(dān)。清華、北航、北京交大光纖光柵概述 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refract

8、ive index than that of coresIt works like this resonant wavelengths are reflected back toward the source non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss.The centre wavelength is given by:Typical Reflection Spectra光纖光柵復(fù)用系統(tǒng) 光 源 耦合器（環(huán)行器）光譜儀FBG1 FBG2 、FBGn 123123FBG壓力傳感頭結(jié)構(gòu) 原理：光纖

9、光柵Bragg波長與壓強、應(yīng)變成線性變化關(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 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)、國防邊境、眾多重要的軍事區(qū)域、容易產(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)測。 目前，因特利公司和飛鴻佳信公司正與本實驗室商談預(yù)警光纜系統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓技術(shù)和如何實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)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：結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、性能可靠、成本低。缺點：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題原理：根據(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復(fù)雜，光路復(fù)雜，對光器件與光纖的要求嚴(yán)格，成本較高，容易受其他因素的影響。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(guān)系為非線性。測量的長時間漂移效應(yīng)。 目前光纖傳感器的研究動向1.實用化繼續(xù)深入研究光纖傳感器的理論和技術(shù)，解決實用化問