傳感器及檢測(cè)技術(shù)（第四版）課件 18.光纖傳感器

……………光纖傳感器傳感器技術(shù)與應(yīng)用武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院

熊曉倩課程內(nèi)容CONTENTS光纖傳感器的組成和工作原理02光纖傳感器的具體應(yīng)用03什么是光纖01一、什么是光纖光纖

是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。

由兩層折射率不同的玻璃組成。內(nèi)層：

光內(nèi)芯，直徑在幾微米至幾十微米。外層：

直徑為0.1—0.2mm。

一般內(nèi)芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。光纖的基本結(jié)構(gòu)一、什么是光纖光纖

根據(jù)光的折射和全反射原理，當(dāng)光線射到內(nèi)芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過(guò)界面，全部反射。二、光纖傳感器的組成和工作原理基本原理：

是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)量參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(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(guò)光纖送入光電探測(cè)器，獲得被測(cè)參數(shù)。二、光纖傳感器的組成和工作原理根據(jù)光纖在傳感器中的作用可以分為：1.功能型傳感器，又稱(chēng)為傳感型傳感器。2.非功能型傳感器，又稱(chēng)為傳光型傳感器。光纖傳感器光源傳輸光纖光電探測(cè)器信號(hào)處理部分功能型光纖傳感器

是利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作為傳感元件，對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過(guò)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。二、光纖傳感器的組成和工作原理功能型光纖傳感器

光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。由于光纖本身是敏感元件，因此加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可以得到很高的靈敏度。優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高。缺點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)難度高，一般需用特殊光纖，成本高。二、光纖傳感器的組成和工作原理非功能型光纖傳感器

利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，不是敏感元件。一般是在光纖端面或中間放置透光材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件感受被測(cè)物理量的變化，使透射光或發(fā)射光隨之變化。二、光纖傳感器的組成和工作原理優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：

靈敏度一般比功能型光纖傳感器低，測(cè)量精度也差一些。二、光纖傳感器的組成和工作原理非功能型光纖傳感器三、光纖傳感器的具體應(yīng)用1.石油石化

光纖傳感器可以克服惡劣的井下環(huán)境取代傳統(tǒng)的電子傳感器，使用光纖傳感技術(shù)，可以對(duì)能源開(kāi)采設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)施和儲(chǔ)存設(shè)施情況進(jìn)行監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)了解其各個(gè)部位的溫度、振動(dòng)、所受應(yīng)力。相比于過(guò)去的人工使用設(shè)備進(jìn)行沿線檢測(cè)，這種方式極大地提高了安全檢測(cè)的可靠程度和效率。在油管中清管器跟蹤定位系統(tǒng)原理圖三、光纖傳感器的具體應(yīng)用2.城市建筑

在建筑工程中，可以利用光纖傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁、大壩、重要建筑物等的溫度、應(yīng)力、壓力、振動(dòng)、傾角等物理量，以評(píng)估其短期及長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)安全性能。例如光柵壓力傳感器可預(yù)埋在混凝土等材料中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力。

在大型工程中，因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且范圍較廣，所以主要使用的是連續(xù)性分布式光纖傳感器。三、光纖傳感器的具體應(yīng)用3.電力系統(tǒng)

在電力系統(tǒng)中，需要測(cè)定溫度、電流等參數(shù)，由于電類(lèi)傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無(wú)法在這些場(chǎng)合中使用。光纖電流互感器無(wú)油無(wú)氣、安全環(huán)保、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，已成為電流測(cè)量的主要發(fā)展方向，在電力系統(tǒng)尤其是直流輸電工程中具有不可替代的作用。在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測(cè)中基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理圖自找三、光纖傳感器的具體應(yīng)用4.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)極小的尺寸，不受電磁干擾，能通過(guò)最小限度的侵害方式測(cè)量人體局部組織內(nèi)的溫度、壓力、聲波場(chǎng)的精確信息。具有小尺寸且不受電磁干擾的光纖傳感器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中非常重要。光纖內(nèi)窺鏡原理圖三、光纖傳感器的具體應(yīng)用5.軍事領(lǐng)域

光纖傳感在軍用領(lǐng)域同樣存在龐大的市場(chǎng)需求。軍事應(yīng)用的光纖傳感器可用于水聲探潛（光纖水聽(tīng)器）、光纖制導(dǎo)、姿態(tài)控制（光纖陀螺）、航天航空器的結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)等方面。

在航天航空領(lǐng)域中，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈用光纖陀螺精確制導(dǎo)。光纖陀螺還可以應(yīng)用于雷達(dá)無(wú)人控制直升機(jī)的姿態(tài)控制。光纖陀螺儀原理圖三、光纖傳感器的特點(diǎn)1.傳感器端無(wú)需供電，是無(wú)源器件；2.電絕緣性能好，抗高電磁干擾能力強(qiáng)；3.高靈敏度