光纖傳感器原理及應(yīng)用資料

1、光纖傳感器原理(yunl)及應(yīng)用共四十八頁主要(zhyo)內(nèi)容概論光纖傳感器原理(yunl)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)用共四十八頁第一(dy)講 概 論共四十八頁傳感器將待測(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(xnx)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、獲取、檢測(cè)和轉(zhuǎn)換信息的窗口，處于研究對(duì)象與傳輸處理系統(tǒng)的接口位置。共四十八頁傳感器是現(xiàn)代(xindi)科學(xué)技術(shù)開拓的先鋒 在信息時(shí)代，人類的認(rèn)識(shí)和活動(dòng)范圍在空間和時(shí)間上將向無限、極端和嶄新領(lǐng)域拓展。各種關(guān)鍵工程(gngchng)的

2、開發(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)帶來不可估量的進(jìn)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。共四十八頁傳感器技術(shù)(jsh)利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(y mn)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)象的研究和材料技術(shù)的發(fā)展。共四十八頁光纖傳感器(FOS-Fiber 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(hào)(xnho)的形式取出。共四十八頁1011071021061031051041041

3、0510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空間波長(zhǎng)(bchng)，m頻率(pnl)，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無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)光纖共四十八頁光通信的特點(diǎn)(tdin) 波長(zhǎng)(bchng)短，載頻高寬帶寬大容量能量集中器件尺寸小功耗低共四十八頁光纖的特點(diǎn)(tdin)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

4、好；本身就可以(ky)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.共四十八頁光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)(yudin)靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，防爆。無源器件，不干擾被測(cè)場(chǎng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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(hud)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(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多功能及智能化。共四十八頁光纖傳感器的工作(gngzu)原理及其分

5、類共四十八頁1.基本工作(gngzu)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(cè)參量與進(jìn)入(jnr)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(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，并經(jīng)過解調(diào)而獲得被測(cè)參數(shù)。共四十八頁光纖傳感器的基本(jbn)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(cnling)引起光信號(hào)強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位或偏振態(tài)的變化。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)

6、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)處理外界參量共四十八頁2.光纖傳感器的分類(fn li)按照傳感原理進(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)(jizh)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)，減少了耦合，但是往往需要特殊光纖。共四十八頁 按照調(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)度變化 波長(zhǎng)(bchng)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光波長(zhǎng)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(shí)分調(diào)制：利用外界因素調(diào)制返

7、回信號(hào)的基帶 頻譜，通過檢測(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化來測(cè)量外界物理量的大小和空間分布。共四十八頁 按照檢測(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(qt)傳感器 光譜傳感器 .共四十八頁傳感器的設(shè)計(jì)(shj)原則共四十八頁1.優(yōu)良(yuling)的變換功能動(dòng)態(tài)范圍廣單純(dnchn)的變換關(guān)系信噪比高重復(fù)性好時(shí)間穩(wěn)定性好靈敏度高共四十八頁2.探測(cè)信號(hào)(xnho)的質(zhì)量好便于信號(hào)處理(xn ho ch l)容易傳輸信號(hào)特性參數(shù)隨時(shí)間的變化小，測(cè)量的重復(fù)性好，沒有滯后和老化現(xiàn)象。共四十八頁 3.與待測(cè)信號(hào)間的匹配(ppi)性能好不干擾目標(biāo)狀態(tài)(zhung

8、ti)可以充分承受目標(biāo)的環(huán)境抗干擾性能好共四十八頁4.總體(zngt)要求體積小輕便(qngbin)故障率低能夠大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用，機(jī)械性能好耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好，無危害性，無公害.共四十八頁 光纖傳感器的發(fā)展(fzhn)概況及其展望共四十八頁1.發(fā)展(fzhn)概況70年代中期，人們開始(kish)意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。 共四十八頁1977年，美國(guó)海軍研究所(NRL-National Novel Research Laboratory)開始執(zhí)行(zhxng)光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃

9、光纖傳感器問世共四十八頁1983年起，國(guó)際光纖傳感器會(huì)議定期(dngq)召開，光纖傳感器的研究成為世界研究熱點(diǎn)各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都做了大量的研究工作，具體如下： 共四十八頁美 國(guó) FOSS(Fiber Optic Sensor System) 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(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(cè)(jin c) CRP(Civil Research Project) 民用研究計(jì)劃共四十八頁英 國(guó)1982年成立英國(guó)光纖傳感器合作協(xié)

10、會(huì)高電壓光纖電流傳感器-中央電氣研究所光纖陀螺、水聲器倫敦大學(xué)光纖傳感器的多路測(cè)試設(shè)備曼徹斯特大學(xué)光全息技術(shù)牛津大學(xué)特種光纖和光學(xué)(gungxu)測(cè)試儀器南安普頓大學(xué)共四十八頁德 國(guó)光纖陀螺的研究和開發(fā)水平僅次于美國(guó)，居世界(shji)第二。西門子公司等均在光纖傳感器方面有研究。1980年，西門子公司開發(fā)出了高壓光纖電流傳感器。共四十八頁日 本19791986年，從事光纖傳感器技術(shù)(jsh)研究工作的公司和大學(xué)共24家。19801983年，申請(qǐng)光纖傳感器的相關(guān)專利共464項(xiàng)。共四十八頁我 國(guó)1983年，光纖傳感器第一次全國(guó)性會(huì)議(huy)在杭州召開。在“七五”規(guī)劃中提出了15項(xiàng)光纖傳感器的研究

11、項(xiàng)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、北京交大共四十八頁光纖光柵(gungshn)概述 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of cores共四十八頁It works like this resonant wavelengths are reflected back toward the source non-reso

12、nant wavelengths are transmitted through the device without loss.The centre wavelength is given by:共四十八頁Typical Reflection Spectra共四十八頁光纖光柵復(fù)用(f yn)系統(tǒng) 光 源 耦合器（環(huán)行器）光譜儀FBG1 FBG2 、FBGn 123123共四十八頁FBG壓力(yl)傳感頭結(jié)構(gòu) 原理：光纖光柵Bragg波長(zhǎng)與壓強(qiáng)(yqing)、應(yīng)變成線性變化關(guān)系共四十八頁光纖光柵(gungshn)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#

13、耦合器共四十八頁初始狀態(tài)探頭(tn tu)1#受力探頭(tn tu)4#受力各探頭受力前后光譜共四十八頁 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(cè)。 目前，因特利公司和飛鴻佳信公司正與本實(shí)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)(shxin)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的問題。共四十八頁 目前(mqin)光纖傳感器的存在問題共四十八頁強(qiáng)度(qingd)型光纖傳感器的問題原理：利用光強(qiáng)的變化測(cè)量被測(cè)參數(shù)優(yōu)點(diǎn)(yudin)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、性能可靠、成本低。缺點(diǎn)：光路調(diào)整或光纖

14、與探頭材料的連接、耦合困難共四十八頁相干(xinggn)型光纖傳感器的問題原理：根據(jù)被測(cè)參量(cnling)影響后光纖中光相位的變化檢測(cè)外界參量(cnling)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高缺點(diǎn)：檢測(cè)與信號(hào)處理手段復(fù)雜，光路復(fù)雜，對(duì)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。共四十八頁其它(qt)問題電源電壓波動(dòng)。工作環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器性能的影響(yngxing)。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)。共四十八頁 目前光纖傳感器的研究(ynji)動(dòng)向共四十八頁1.實(shí)用化繼續(xù)深入研究光纖傳感器的理論和技術(shù)，解決實(shí)用化問題，發(fā)展(fzhn)新原理的光纖傳感器。尤其要解決測(cè)量過程的長(zhǎng)時(shí)間漂移效應(yīng)。共四十八頁2.傳感器系統(tǒng)(xtng)從單一傳感器的研究進(jìn)入(jnr)到傳感器系統(tǒng)的研究，并與微處理機(jī)相結(jié)合形成光纖遙測(cè)系統(tǒng)。共四十八頁3.提高(t go)可靠性和穩(wěn)定性降低成本。特殊光纖：根據(jù)實(shí)際需要選用新的材料，設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)(jigu)的專用光纖。對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)和元器件的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行大量的研究開發(fā)工作。共四十八頁內(nèi)容摘要光纖傳感器原理及應(yīng)用。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。在信息時(shí)代，人類的認(rèn)識(shí)和活動(dòng)范圍在空間和時(shí)間上將向無限、極端和嶄新領(lǐng)域拓展。光纖