7.光纤传感器的基础一.ppt

光纤液位传感器 基于全反射原理 智能型降落伞 桥梁、大坝的监测 工业工程传感器 工业工程类传感器－结构和机械类传感 石油行业的地震采集 光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。 光纤光栅的测量原理 光纤光栅传感技术特点 ? 全光型 ? 高精度 ? 组网灵活 ? 实时性好 ? 兼容性强 智能材料－航空、航天领域的应用 采用了FBG传感器阵列的自适应 机翼 DaimlerChrysler AG 装有FBG气体温度传感器阵列的太空船模型CL-75 四、光纤传感器的应用 太空飞船X-38的再入式实验飞行器 （NASA图片） 传感器布测区域 a.分布式温度传感方案 b.分布式应力传感方案 输出信号 沿光纤传输光的背向散射分量 光纤温度传感元平面 温度场分布 输入信号 埋入光纤应力传感元 输入信号 光纤监测网 损伤探测 输出信号 智能材料－智能型士兵 在服装材料纺织的同时，实现了光纤和导线织入的全自动化。 三、相位调制与解调 基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。 相位调制技术实质上是产生光波相位变化的物理机制和光的干涉技术的综合应用。 ☆压力、张力和温度等外因能直接改变光纤波导的长度、折射率及其分布以及波导的横向几何尺寸等，若这些波导参数发生变化，则必然发生光波的相位变化，从而实现了光纤的相位调制。 （1）迈克尔逊干涉仪 1. 实现干涉测量的仪器 特点：没有或很少有光返回到激光器。 返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。 （2）马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪 两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器。 （3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪 当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，若平台以角速度Ω顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光有相位延迟： （4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪 根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化： ☆ 多光束干涉 2. 四种类型光纤干涉仪结构 目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。 四、 频率调制与解调 频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。 f1 f2 解调原理同相位调制的解调。（外差检测） 7.3 光纤传感器实例 一、光纤位移传感器 1. 反射式光纤位移传感器 利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方向的信息 两探头置于目标同侧 两探头置于目标两侧 2. 集成光学微位移传感器 半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t 的关系可表示为： t↑Eg ↓即本征吸收波长λg∝ t 二、光纤温度传感器 1. 半导体光吸收型光纤温度传感器 相对发光强度 透射率 LED发光光谱 半导体透射率 T1T2T3 T3 T1 T2 波长 透射光强度将随着温度的升高而减小，通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。 2. 热色效应光纤温度传感器 热色效应：自然界有很多无机溶液的颜色随温度升降而变化，因此溶液的光吸收谱线也随温度升降而变化。 (CH3)3CHOH+CoCl3 3. 开关型光纤温度传感器 1 2 3 4 水银柱式光纤温度开关 1 浸液；2 自聚焦透镜； 3 光纤；4 水银 采用各种与温度有关的遮断机构和材料（可以是石蜡、铁氧体及水银柱） 响应时间长，适用于火灾报警及温度设备监视系统 热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片 接收 光源 1 2 当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 4.遮光式光纤温度传感器 5.其它类型的温度传感器 ① 光纤辐射温度传感器 ② 荧光辐射温度传感器 ③ 光纤液体温度传感器 ④ 光纤偏振温度传感器 利用硅的旋光性随温度调制的偏振传感器 ⑤ 相位调制型光纤温度传感器 如马赫－泽德尔光纤温度传感器 三、光纤角速度传感器（光纤陀螺） 物理基础：赛格纳克效应 传输时间： N匝光纤，且A=πR2： 则相移： 四、光纤压力（振动）传感器 1. 光纤压力（振动）传感器 优点：体积小，抗电磁和射频干扰好，精度高，非接触 性测量 ① 透射式（或反射式）光纤压力（振动）传感器 膜片反射式光纤压力传感器 光源 接收 Y形光纤束 壳体 P 弹性膜片 Y形