光纤传感器介绍.pptx
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光纤传感器介绍.pptx
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2022/11/11第二讲第二讲光纤传感器介绍光纤传感器介绍光纤干涉测量技术光纤干涉测量技术12022/11/11光纤传感器的发展光纤传感器的发展l20世纪世纪60年代,年代,激光激光使得利用使得利用光的各种属性(干涉、衍射、偏光的各种属性(干涉、衍射、偏振、反射、吸收和发光等)的光振、反射、吸收和发光等)的光检测技术,作为检测技术,作为非接触非接触、高速度高速度、高精确度高精确度的检测手段获得了飞速的检测手段获得了飞速的发展。
的发展。
l20世纪世纪70年代,由于年代,由于光纤不但具光纤不但具有良好的传光特性有良好的传光特性,而且其本身而且其本身就可用来进行信息传递,无需任就可用来进行信息传递,无需任何中间媒体就能把测量值与光纤何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来,内的光特性变化联系起来,因此,因此,在在20世纪世纪80年代光纤传感器就已年代光纤传感器就已显示出广阔的应用前景。
显示出广阔的应用前景。
氙闪光灯聚光器触发电极激光束红宝石棒Al2O322022/11/11l但是在当时,光纤传感器真正投入实际应用的却不多,这但是在当时,光纤传感器真正投入实际应用的却不多,这主要是因为与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是主要是因为与传统的传感技术相比,光纤传感器的优势是本身的本身的物性特性物性特性而不是而不是功能特性功能特性。
l因此,光纤传感技术的重要应用之一是利用因此,光纤传感技术的重要应用之一是利用光纤质轻、径光纤质轻、径细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小,集信细、强抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小,集信息传感与传输于一体等特点息传感与传输于一体等特点,解决常规检测技术难以完全,解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题。
胜任的测量问题。
光纤传感器的发展光纤传感器的发展32022/11/11l20世纪世纪90年代后期,光通信带动下的光子产业取年代后期,光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功,得了巨大的成功,光纤传感器光纤传感器呈产业化发展,在呈产业化发展,在国际上形成了许多国际上形成了许多应用领域应用领域,即,即医学和生物、电医学和生物、电力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行力工业、化学和环境、军事和职能结构、石油行业、汽车行业、船舶、航空航天等领域业、汽车行业、船舶、航空航天等领域。
光纤传感器的发展光纤传感器的发展42022/11/11l传感器传感器(Sensor,Transducer)是完成信息获)是完成信息获取(检测)、传输和转换的器件。
取(检测)、传输和转换的器件。
光纤传感器光纤传感器(OpticalFiberSensor)则是)则是以光纤作为功能以光纤作为功能材料材料的传感器。
的传感器。
光纤传感器的发展光纤传感器的发展微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器52022/11/11图图a经典测量系统结构经典测量系统结构图图b光纤测量系统结构光纤测量系统结构l经典的传感器完成的经典的传感器完成的是是从非电量到电量从非电量到电量的的转换。
转换。
l光纤传感器完成的是光纤传感器完成的是从从非光量到光量非光量到光量的转的转换。
换。
l它们的区别是,光纤它们的区别是,光纤传感器以传感器以光作感知信光作感知信息的载体息的载体,而不是电;,而不是电;用光纤传送信息用光纤传送信息,而,而不是导线。
不是导线。
光纤传感器与经典传感器的区别光纤传感器与经典传感器的区别6光纤光纤传感器传感器(FOSFiberOpticalSensor)(FOSFiberOpticalSensor)是是2020世纪世纪7070年代中期年代中期发展起来的一种基于发展起来的一种基于光导纤维光导纤维的新型传感器。
它是光纤和光通的新型传感器。
它是光纤和光通信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。
信技术迅速发展的产物,它与以电为基础的传感器有本质区别。
光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体,用光纤作为,用光纤作为传递敏感信传递敏感信息的媒质息的媒质。
因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。
因此,它同时具有光纤及光学测量的特点。
电绝缘性能好电绝缘性能好。
抗电磁干扰能力强。
抗电磁干扰能力强。
非侵入性。
非侵入性。
高灵敏度高灵敏度。
容易实现对被测信号的远距离监控。
容易实现对被测信号的远距离监控。
光光纤纤传传感感器器可可测测量量位位移移、速速度度、加加速速度度、液液位位、应应变变、压压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量2022/11/11什么是光纤传感器?
什么是光纤传感器?
72022/11/11光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理l光纤传感器的基本原理:
光导纤维不仅可以作为光波的光纤传感器的基本原理:
光导纤维不仅可以作为光波的传播介质,而且光波在光纤中传播时传播介质,而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参表征光波的特征参量量(振幅、相位、偏振态、波长等)(振幅、相位、偏振态、波长等)因因外界因素外界因素(如温如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接的作用而间接或直接地发生变化或直接地发生变化,从而可,从而可将光纤用作传感元件来探测将光纤用作传感元件来探测各种物理量各种物理量。
82022/11/11光纤的基本知识光纤的基本知识9l1966年,年,英籍华裔学者高锟英籍华裔学者高锟(CharlesK.Kao)发表)发表了关于传输介质新概念的论文了关于传输介质新概念的论文光频率介质纤维表面波光频率介质纤维表面波导导,指出了利用光纤(,指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输)进行信息传输的可能性和技术途径,并指明通过的可能性和技术途径,并指明通过“原材料提纯制造出原材料提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,这一发展方向,他奠定了现代光通信他奠定了现代光通信光纤通信的基础。
光纤通信的基础。
2022/11/11光纤的基本知识光纤的基本知识l光纤是一种传输光信息的导光纤维,主要由高强度光纤是一种传输光信息的导光纤维,主要由高强度石英玻璃石英玻璃、常规玻璃常规玻璃和和塑料塑料制成。
制成。
l光纤由光纤由纤芯纤芯、包层包层、护套护套组成。
组成。
10l光主要在纤芯中传输,光纤的导光能力光主要在纤芯中传输,光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率,纤芯的主要取决于纤芯和包层的折射率,纤芯的折射率折射率n1稍大于包层的折射率稍大于包层的折射率n2,典型,典型数值是数值是n1=1.461.51,n2=1.441.50.n2n1纤芯纤芯包层包层纤纤芯芯包包层层涂敷层涂敷层护护套套2022/11/11光纤的基本知识光纤的基本知识l850nm窗口,典型的衰减值为窗口,典型的衰减值为2dB/km;l1300nm窗口,典型的衰减值为窗口,典型的衰减值为0.4dB/km;l1550nm窗口,具有最低的衰减,典型值为窗口,具有最低的衰减,典型值为0.2dB/km。
112022/11/11光纤传感器的分类光纤传感器的分类按功能分按功能分根据根据光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用,光纤传感器分为,光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类三大类11)功能型(全光纤型)光纤传感器)功能型(全光纤型)光纤传感器利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感元件,将感元件,将“传传”和和“感感”合为一体合为一体的传感器。
的传感器。
光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用,而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下,其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的功能。
的功能。
因因此此,传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。
由由于于光光纤纤连连续续,增增加加其其长长度度,可可提提高灵敏度。
高灵敏度。
信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器122022/11/11光纤传感器的分类光纤传感器的分类22)非功能型(或称传光型)光纤传感器)非功能型(或称传光型)光纤传感器光光纤纤仅仅起起导导光光作作用用,只只“传传”不不“感感”,对对外外界界信信息息的的“感感觉觉”功功能能依靠其他物理性质的功能元件完成。
依靠其他物理性质的功能元件完成。
光光纤纤不不连连续续。
此此类类光光纤纤传传感感器器无无需需特特殊殊光光纤纤及及其其他他特特殊殊技技术术,比比较较容容易实现,成本低。
但灵敏度也较低,用于对灵敏度要求不太高的场合。
易实现,成本低。
但灵敏度也较低,用于对灵敏度要求不太高的场合。
信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤l以多模光导纤维来传输以多模光导纤维来传输光信号,根据光接受强光信号,根据光接受强度不同进行测量,而对度不同进行测量,而对被测参数起检测作用的被测参数起检测作用的是其他敏感元件。
是其他敏感元件。
l这种传感器多用于工业检测这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。
流速、电流、磁场等。
l它的优点是性能稳定可靠,它的优点是性能稳定可靠,结构简单,造价低廉结构简单,造价低廉.l缺点是灵敏度低。
缺点是灵敏度低。
33)拾光型光纤传感器)拾光型光纤传感器用用光光纤纤作作为为探探头头,接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。
其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐射式光纤温度传感器等。
辐射式光纤温度传感器等。
信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象传感型与传光性光纤传感器传感型与传光性光纤传感器都可都可再分成再分成光强调制光强调制、相位调制相位调制、偏振态偏振态调制调制以及以及波长调制波长调制等几种形式。
等几种形式。
132022/11/11光纤光纤传感传感技术的分类技术的分类按调制方式分按调制方式分强度调制型强度调制型偏振调制型偏振调制型相位调制型相位调制型波长调制型波长调制型142022/11/11光纤传感器的分类光纤传感器的分类强度调制型强度调制型强度调制型光纤传感器:
强度调制型光纤传感器:
是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。
有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗;各各物物质质的的吸吸收收特特性性;振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化;物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象;以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。
优点优点:
结构简单、容易实现,成本低。
:
结构简单、容易实现,成本低。
缺点缺点:
受光源强度波动和连接器:
受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大损耗变化等影响较大152022/11/11类型类型方方式式主要应用主要应用强度强度调制调制安装斩波器、光开关、调制安装斩波器、光开关、调制辐射式温度传感器辐射式温度传感器安装光楔、光栅、动闸安装光楔、光栅、动闸位移、压力、流量传感器位移、压力、流量传感器发光或受光纤自调制发光或受光纤自调制振动、频率、重量传感器振动、频率、重量传感器反射式强度调制反射式强度调制微位移、液位传感器微位移、液位传感器光纤微弯扰式模式调制光纤微弯扰式模式调制压力传感器压力传感器液体折射率变化进行调制液体
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