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第七章 光纤传感器 第七章 光纤传感器 强度调制 相位调制 偏振调制 频率调制 波长调制 概述 优点 分类 原理结构 调制原理 传感应用 法珀传感 白光干涉 光纤光栅 光纤陀螺 传感器技术: 感知获取信息的窗口 智能信息系统的“五官” 光纤传感器: 以光波为信息载体,以光纤为传输媒质 安全可靠; 传输容量大 概述 光纤传感器始于1977年，经过30 多年，目前已进入研究与应用并重阶段 光纤传感测量范围十分广泛，可用于热工参数、电工参数、机械参数、化学参数的测量，还可以医用内窥镜、工业内窥镜等领域，进行图像扫描和图像传输。 优点 1.频带宽、动态范围大、灵敏度高； 2.电绝缘性好、抗电磁干扰，可用于电气噪声、强电磁干扰环境； 3.可桡性好：几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器； 4.不带电全光型探头； 5.可用于高温、高压、腐蚀等恶劣环境结构； 6.简单、体积小、重量轻、耗能少； 7.相近技术基础课构成传感不同物理量传感器 8.便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统遥测遥控； 9.应用范围广泛，可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 光纤传感器的主要应用领域 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等七十多个物理量的测量物理量的测量。 光纤制导武器 陀螺 水听器 加速度计 压力传感器 灵巧蒙皮 战地化学传感 军事传感器： 光纤传感器的主要应用领域 光纤机器人 智能制造 柔性加工 电力继电保护 火灾报警 发动机内部故障诊断 智能大厦 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等七十多个物理量的测量物理量的测量。 智能系统 4S+R技术： Sensitivity；Selectivity；Stability；Standardization；Reliability 光源功率稳定技术 电流控制；功率控制；温度控制；噪声控制 信号检测技术 强度检测；波长检测；相位检测；偏振态检测；弱信号放大 系统智能化技术 光纤传感器的主要关键技术 4S+R 关键技术 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。 光纤传感器结构原理 信号处理 电 源 信号接收 导线 敏感 元件 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。 光纤 信号 处理 光接收器 光发射器 敏感 元件 结构 A——电场E的振幅矢量;ω——光波振动频率 φ——光初相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(振幅矢量的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 光纤传感器结构原理 原理 光的强度 偏振态 波长 频率 相位 光纤传感器光学测量的基本原理 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制,已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 被测量调制 光纤传感器的分类 分类方式： 1. 光纤在传感器中的作用; 2. 光受被测量调制的形式; 3. 光纤传感器中对光信号的检测方法 1. 光纤作用 功能型 非功能型 拾光型 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺 光纤水听器等 空芯光纤气体传感器 (a) 功能型（全光纤型）光纤传感器 功能型 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 (b) 非功能型（或称传光型） 非功能型 用光纤作探头，接收由被测对象辐射、反射、散射的光。 (c) 拾光型光纤传感器 辐射式光纤温度传感器 拾光型 2. 根据光受被测对象的调制形式 (a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移