光纖應變傳感器

光纖應變傳感器第一頁，共30頁。被測量：溫度[1]、壓力[2]、流量[3]、位移[4]、振動[5]、轉(zhuǎn)動[6]、彎曲[7]、液位[8]、速度[9]、加速度[10]、聲場[11]、電流[12]、電壓[13]、磁場[14]輻射[15等各種物理量

傳感技術(shù)的應用領域工業(yè)農(nóng)業(yè)國防運輸能源環(huán)境建筑業(yè)6.1傳感技術(shù)應用領域第二頁，共30頁。傳感技術(shù)的現(xiàn)狀6.2傳統(tǒng)的傳感技術(shù)6.3光纖傳感技術(shù)第三頁，共30頁。6.2傳統(tǒng)的傳感技術(shù)傳統(tǒng)的傳感器是以應變-電量為基礎，以電信號為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體，用導線傳輸電信號。因此，使用時受到電磁場和環(huán)境的影響，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是高溫和易燃、易爆環(huán)境中易引起火災等等。另外，由于自身因素的限制，不能實現(xiàn)長期實時監(jiān)測。第四頁，共30頁。四川宜賓南門大橋斷裂成三截2001年11月07日凌晨４時３０分至５時許，四川宜賓市金沙江南門大橋兩端先后發(fā)生斷裂，兩輛汽車墜入江中，一艘小船被毀，已知２人失蹤，２人受傷。市區(qū)南北公路交通和部分通訊中斷。

第五頁，共30頁。6.3

光纖傳感器分類與研究現(xiàn)狀分類：一、按傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類二、按被測量分類第六頁，共30頁。6.3.1

光纖傳感器按結(jié)構(gòu)分類光強調(diào)制型光纖應變傳感器

偏振型光纖應變傳感器相位調(diào)制型光纖應變傳感器

第七頁，共30頁。6.3.2

光纖傳感器按被測量分類光纖應變傳感器

光纖溫度傳感器光纖電壓、電流傳感器光纖流量傳感器

第八頁，共30頁。6.3.2

光纖傳感器按應用領域分類工業(yè)用光纖傳感器

農(nóng)業(yè)用光纖傳感器軍事業(yè)用光纖傳感器水利用光纖傳感器食品工業(yè)用光纖傳感器建筑工業(yè)用光纖傳感器消防用光纖傳感器醫(yī)療用光纖傳感器第九頁，共30頁。6.3.3光纖傳感器按結(jié)構(gòu)分類光強調(diào)制型光纖應變傳感器

偏振型光纖應變傳感器相位調(diào)制型光纖應變傳感器

第十頁，共30頁。光強調(diào)制型光纖應變傳感器

最大測量范圍為3000με[20]，最高分辨率為25με[24]

。圖1-2微彎型光纖應變傳感器

圖1-3蝕刻型光纖應變傳感器Fig.1-2Microbendfiber-opticstrainsensorFig.1-3Etchedfiber-opticstrainsensor第十一頁，共30頁。偏振型光纖應變傳感器

圖6-5偏振光纖應變計

Fig.6-5Polarimetricopticalfiberstraingauge

最大測量范圍[34]為1200με，分辨率為5με

第十二頁，共30頁。相位調(diào)制型光纖應變傳感器麥克爾遜(Michelson)干涉型光纖應變傳感器馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)光纖應變傳感器法布里-珀羅(Fabry-Perot簡寫為F-P)光纖應變傳感器

光纖光柵傳感器第十三頁，共30頁。常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)a)

麥克爾遜干涉儀c)

法布里-珀羅干涉儀a)

Michelsoninterferometer

c)

Fabry-Perotinterferometer

b)馬赫-曾德爾干涉儀

d)

塞格奈克干涉儀

b)

Mach-Zehnderinterferometer

d)

Sagnacinterferometer

圖6-6各種光纖干涉儀

第十四頁，共30頁。麥克爾遜(Michelson)干涉型光纖應變傳感器

圖6-7麥克爾遜光纖應變傳感器結(jié)構(gòu)Fig.6-7Fiber-opticsensorstructureofMichelson最大測量范圍[36]達1500με，最高分辨率達2με

第十五頁，共30頁。馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder)光纖應變傳感器

6-8馬赫-曾德光纖應變傳感原理結(jié)構(gòu)

Fig.6-8TheprinciplestructureofMach-Zehnder’sstrainsensor

最大測量范圍為1200με，最高分辨率為2με

第十六頁，共30頁。法布里-珀羅光纖應變傳感器

圖6-9F-P型光纖傳感器的原理

Fig.6-9PrincipleofF-Pfibersensor

圖6-10光纖本征F-P腔應變傳感器

圖6-11光纖非本征F-P腔應變傳感器

Fig.6-10IntrinsicF-PcavitystrainsensorFig.6-11ExtrinsicF-Pcavitystrainsensor第十七頁，共30頁。常用相位調(diào)制型光纖傳感結(jié)構(gòu)a)

麥克爾遜干涉儀c)

法布里-珀羅干涉儀a)

Michelsoninterferometer

c)

Fabry-Perotinterferometer

b)馬赫-曾德爾干涉儀

d)

塞格奈克干涉儀

b)

Mach-Zehnderinterferometer

d)

Sagnacinterferometer

圖6-12各種光纖干涉儀

第十八頁，共30頁。1990

1996單F-P腔雙F-P腔

F－P＋光纖光柵簡化制作工藝減小體積消除干擾20026.4

F－P傳感器的發(fā)展第十九頁，共30頁。

a)光纖與被測表面

(b)單模與多模光纖

d)多(單)模光纖與金屬絲雙腔結(jié)構(gòu)

圖6-12常用的F－P結(jié)構(gòu)第二十頁，共30頁。6.5光纖F-P應變傳感器目前存在的問題系統(tǒng)線性范圍小、線性度差、分辨率低

光纖傳感器抗震動能力差

制造工藝不完善、沒有實現(xiàn)產(chǎn)品化、標準化第二十一頁，共30頁。系統(tǒng)線性范圍小、分辨率低圖6-13F-P干涉動態(tài)工作特性

Fig.6-13dynamicpropertiesofF-Pinterference第二十二頁，共30頁。光纖傳感器抗震動能力差

由于光纖本身對振動極為靈敏，以至于任何小的環(huán)境震動都會引起系統(tǒng)信號的變化,這也是光纖傳感器實用化的主要障礙。由于光纖傳感器的光源波長是微米級，而環(huán)境振動和溫度和熱膨脹也在這個數(shù)量級以至今造成無法分清所測的信號是由被測信號的變化還是由環(huán)境變化所造成的。第二十三頁，共30頁。制造工藝不完善、沒有實現(xiàn)產(chǎn)品化、標準化

a)光纖與被測表面

b)單模與多模光纖

a)Opticalfiberandmeasuredobjectb)Singlemodeandmultimodeopticalfiberc)多模與多模光纖

d)多(單)模光纖與金屬絲

c)Multimodeandmultimode