光纤传感器特性测量研究与应用

光纤传感器特性测量研究与应用摘要 光纤传感器具有高灵敏度、体积小、质量轻等优点，在当今社会有着广泛的应用前景。本文主要围绕了解光纤传感器的工作原理，理解常见的光纤传感器件特性的原理，测试光纤传感器特性从而展开研究。根据光纤传感器的功能和特性，设计研究光纤传感器的性能。通过光纤位移传感器工作特性研究的实验，了解光纤位移传感器的特性。根据位移传感器的特性研究这种器件的应用。关键词:光纤传感器 光纤传感器件特性 光纤位移传感器 The Study of Testing the Characteristics and application of Fiber Optic SensorABSTRACTFiber Optic Sensor has high sensitivity and is small and has small mass and any other advantages.In todays society it has a wide range of applications.Principle paper focuses on understanding the working principle of fiber optic sensor and understanding the characteristics of common fiber optic sensor,and testing these characteristics of fiber optic sensor,so we can start the following study.According to the function and characteristics of fiber optic sensor，well design of experiments to study the performance of these devices.Through experiments on characteristics of fiber optic displacement sensor,we can understand the characteristics of the device.Ponder its application according to the characteristics of the fiber optic displacement sensor.Key Words:Fiber optic sensor The characteristics of fiber optic sensor Fiber optic displacement sensor 目 录第一章 绪论11.1光纤传感器的发展11.2光纤的应用31.2.1光层析成像技术41.2.2智能材料41.2.3光纤陀螺与惯导系统41.2.4工业工程类传感器5第二章 光纤传感器的理论基础72.1强度调制型光纤传感器与相位调制型光纤传感器72.1.1光强调制型光纤传感器82.1.2相位调制型光纤传感器92.2常见光纤传感器应用122.2.1光纤温度传感器122.2.2光纤压力传感器14第三章 光纤传感器特性测量实验173.1实验目的173.2基本原理173.3实验内容17第四章 总结与展望20参考文献21致谢22天津理工大学2015届本科毕业论文说明书第一章 绪论传感器在日常生活中人们通常认为是自动化产品，并且在市场上出售也是按照单个的器件或者是仪器来购买，加上人们对传感器的认知也不足，所以人们对它的范围界定就不是那么明确。但人们不可否认它的用途并且在应用方面不可或缺，这些都使得它在生活中越来越受到重视。光纤传感器在现实社会中有着广泛的应用，比如在电子通信、土木工程、石油管道和探测技术等方面都有很好的优越性。并且现在中国的物联网行业也是相当的火热，传感器在其中起着不可或缺的作用。随着现代社会人们对通信的要求越来越高，光纤在通讯行业的运用是相当之广泛，在这方面的带动之下，光纤传感器成为传感器中的新晋贵族，因为它简单的结构，测量范围相当广，传输速度相当的快速，精度也远优于传统的传感器等长处，所以它在于传统传感器竞争方面有着无可比拟的优势。整个社会对光纤传感器的需求也日益增大，其中美国对传感器仪表的需求远大于其他国家，在2014 年度达到了16 亿美元，有着广泛的市场前景。光纤传感器从被测量的物理量来看，它的种类是相当的丰富，包括震动、PH值、流量、电压、电流、弯曲等各种被测量参数，当然，传统的传感器能够测量的物理量它一般都能胜任。本文着重介绍光纤传感器特性方面的测量研究，这也是我们了解光纤传感器的一种重要途径，也是开发新的光纤传感器应用的先决条件，这就是掌握光纤 传感器特性测量的意义所在。在本文中将主要介绍光纤传感器的发展与应用、光纤传感器的四大应用领域。1.1光纤传感器的发展光学技术是光纤传感器的基础，我们需要测量的参数都是通过光纤以信号的方式进行传输。光信号不但可以被直接地感知，还可以进行光电和电光上的相互转换，又因为光纤维本身就是低损耗的传输线，可以在很远的距离就可以对被测物体或者区域进行检测，这些都为光纤传感器在现实生活中的各种应用奠定了基础。在二十世纪七十年代，人们开始注意到光纤可以构成一种直接交换信息的基础，还不需要其他元件就能可以把待测的量和光纤内的导光系统相联系起来，这就是光纤传感器。70年代中期，由美国海军研究所所主持的光纤控制系统，这个系统用光纤译码方式的光纤传感器系统代替直升机驾驶员的控制，这就是光纤传感器的诞生之始。从那以后，光纤传感器出现在全球的实验室中。到80年代这近十年的时间里，光纤传感器已经多达近百种，并且它在制造工业、国防系统、科研系统、能源系统、医学和化学等方面都得到了实际上的应用。目前的情况是，已经有一些传感器已经做成了产品投入市场，但是大多数还停留在实验室研究阶段，目前已有70多种光纤传感器。目前，世界各国研究和应用光纤传感器都很广泛和深入了，其中几个研究工作开展得比较早的国家情况是:首当其冲的是美国，美国对光纤传感应用方面发展是相当成功的，它研究的项目是:光纤陀螺，现代数字光纤控制系统，光纤传感系统，民用研究计划，飞机发动机监控，核辐射监控。以上的计划仅在1983年就投资近十四亿美元。和大多数国家一样，也是全球光纤传感器领域普遍存在的问题，即使美国开始得最早，它的研究也就存在于大型的研究机构、各大院校和国家部门而已。光纤传感器首先起源于美国对国防军事领域的运用，投资远大于其他国家，在各方面都已经取得了显著的成果，将其他国家抛在了后面。英国政府为了光纤传感器的发展，也在全球率先建立了传感器协会，该协会主要是促进协会内成员之间相互协作，将光纤传感器行业的资源相对的集中在一起，也取得了很大的成功。德国在光纤传感领域也有很高的成就，尤其是在光纤陀螺的制作方面，超过了除美国之外的其他国家。在很早的年代西门子公司就研制出了高压光纤电流传感器的试验样机。日本的光纤传感器研究也属于世界前列，每年在光应用方面投入大量的资金和人力。从二十世纪八十年代到如今，日本的一些大型公司和研究机构对光纤传感器申请了大量的专利，也将这些专利应用于大型工厂和它们的产品，它们在光电子领域的研究是相当值得借鉴的。和以上国家有些不同的是，我国对光纤传感器行业发展的相对比较晚，相对落后于其他发达国家，我们的大多数研究也是停留在实验室阶段，还没有完成研究到应用再到产品的过渡。但是随着国家经济的腾飞，我国对光纤传感的需求越来越大，投入得越来越多，这些都将带动整个行业的发展。1.2光纤的应用光纤传感技术的应用研究领域有以下四大类：光层析成像技术，光陀螺与惯性导航系统，智能材料和常规工业工程传感器。从被测量看，光纤传感器有弯曲、震感、流量、加速度、流体、电流、电压辐射等各种光纤传感器。这些光纤传感器在社会的各个领域都有很大应用前景，比如在国防方面的应用可以提高军队的战斗力，工业工程方面也有很大的促进作用。其中又按照光纤传感器的各种调制不同又有不同的分类。图1-1是生活中能遇到的对它的一种具体应用。图1-1 围墙上的光纤传感器1.2.1光层析成像技术光（纤）层析成像技术发展了仅仅有三十多年的时间。我们可以按照应用原理的不同将它分为：光相干层析成像分析（OCT）和光过程层析成像技术（OPT）。光纤相干层析成像技术（OCT)在医学方面运用的很多，比如身体内部组织内视还有观察血液流动数据等。它的工作原理基于光的相干原理。而OPT在工业和建筑方面运用居多，尤其是在石油管道的铺设和后期管理监测方面有着极大的应用。由于OPT应用对空间方面没有要求，在很多其它传感器无法工作的环境下，都可以安全工作，它在安全测量工业工程有着独特的优越性。1.2.2智能材料智能材料听着有点抽象，它也是发展了几十年，行业内的人才对它有所了解。智能材料指是将一些敏感元件嵌入我们需要的材料之中，当这些材料工作是，可以对它们的运行状态和安全性能进行监控。对于这种技术，我们需要的材料和光纤和导线的有效结合是智能材料发展与应用的关键问题，。美国很多大学都在对这一关键问题进行大量研究。美国军方也定向地需要这种智能材料，为士兵提供更加强大的装备。智能材料很多的大型建筑物上，如水电站、桥梁等的检测在很多的建设中有着很多具体的应用。此外，智能材料在军事上面也有很大的用途，研制更加智能的装备，提高士兵的战斗力。1.2.3光纤陀螺与惯导系统光纤陀螺在很早阶段就已经进入了实用，在飞机上就运用了光纤陀螺，北京航空航天大学就有全国唯一一个专业研究光纤陀螺的应用。对于光纤陀螺的研究，主要是研究它的结构，如何实现它变得更小还有一些原理性的研究。图1-2是光纤陀螺的结构图。图1-2 光纤陀螺结构图十九世纪九十年代，中级的光纤陀螺由于采用了很多实用的新型技术，使光纤陀螺成本大大降低，而且性能也有跨越性的提升，体积也变得更加精巧，并率先用于国防军事领域以及航空航天部门。现代社会对光纤陀螺的应用也非常丰富，在民用的飞机和汽车工业方面也有诸多应用，在未来光纤陀螺将会受到社会的重视，因为它的应用已经渗透到生活的方方面面。1.2.4工业工程类传感器在电厂和很多电力设施中，我们会运用到很多测量电压和电流的一类传感器，这些也都是工业工程类的传感器。如图1-3为光纤电流传感器的具体解决方案。 图1-3 光纤电流传感器解决方案用于监测方面的传感器运用也是非常广泛，不仅在石油等特殊的工业领域有应用，在极其普通的民用方面都可以看到它们的身影。光纤传感器系统的研究越来越完善，很多实验室研究也逐步的转化为产品，逐步地走进了人们的日常生活中，就连小区围墙都装上了光纤传感器。开发新型的光纤材料也对光纤传感器的发展有着基础性的影响，这些都得得利与光纤通讯行业的巨大推动，随着光纤材料的进步，也会降低光纤传感器的成本。 第二章 光纤传感器的理论基础在对光纤传感器特性进行研究之前，我们必须了解什么是光纤传感器，它们的运行机制是什么，它们的工作原理是什么，它们的性质主要是由什么决定的。本章主要介绍光纤传感器的基本原理，并对这些传感器进行必要的介绍，从而对对它们有一个更加直观的理解，也有利于我们接下来对它的特性进行测量 2.1强度调制型光纤传感器与相位调制型光纤传感器 在光纤中传播的单色光可用如下的方程 （1）该式包含五个参数强度、频率、波长、相位和偏振态。光纤传感器的工作方式就是将来自光纤传感器发光源的光通过光纤传入调制器，使被测量的量即我们需要测得量调制光波，使以上五个参数中的某一参数随之发生变化，然后检测已知的光信号，完成我们需要的测量。根据以上的五个光的参数，可以将光纤传感器分为五种，这五种传感器是根据具体的调制型不同进行分类，对哪种参数进行调制，我们就将这种光纤传感器叫做该调制型的光纤传感器。图2-1为光纤的结构，图2-2为光纤的传光原理。图2-1 光纤的结构图2-2 光纤的传光原理2.1.1光强调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种传光型光纤传感器，这种调制型的传感器主要是将光源光调制器等诸多元器件通过光纤和我们需要检测的电路相互连接以达到测量的目的。强度调制光纤传感器是一种相对而言简单可靠的一种传感器，在它工作时，我们要测量的相关物理量对光强进行调制，使I发生改变，以达到测量我们需要被测量量的参数。强度型调制在具体应用中简单的集中方法，但是最主要的运用方面有两种，它们分别是透射式强度调制还有反射式强度调制，这两种方式在具体应用在很是广泛。图2-3为反射式强度调制示意图。图2-3 反射式强度调制示意图如图2-3，我们可以看出输入的蔚I0,，通过该光纤传感器的调制输出的光强为I，那么I为从公式可以看出，随着移动反射器的移动，光强I就随着d的减小而改变。还有就是折射率方面的强度调制，它主要分为光纤折射率变化型和渐逝波耦合型。一般情况下，各种类的光纤折射率是不同的，在温度不发生变化的情况下，两种材料的折射率之差产生变化，导致传输的信号发生变动，也就是改变了传输上的亏损。如图2-4为光纤折射率随温度变化的关系。图2-4 光纤折射率随温度变化的关系2.1.2相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器的原理是：被测能量场作用在光调制器上，使得光纤内光波相位发生变化，然后利用干涉测量技术将相位上的变化转换成光强的变化，以达到测量物理量的作用。该种调制光纤传感器传感的对象相当广泛，只要是能影响到干涉仪的光程，都可以感应测量。在具体应用方面，这种光纤传感器能够测量一些具体的物理量如温度等，还可以测量一些物质的成分和浓度，应用是相当的广泛。图2-5是Michelson 光纤干涉仪。图2-5 Michelson 光纤干涉仪1：激光 2：光纤定向耦合器 3：传感臂4：参考臂 5：反射器 6：光检测器如果我们用以上图为原理的光纤传感器去测量电流，那么传感臂上必须要有可以导电的材料，具体来说就是给它镀上一层金属膜。相位调制型需要不同的干涉仪来对相位的转变进行转换，那就需要对应于不同的干涉仪器。光纤和干涉仪都有其相对应的任务，光纤用来完成调制，干涉仪是用来对已经调制完的相位转换到光强的，二者缺一不可。光纤干涉仪有迈克尔逊光纤干涉仪（图2-6 迈克尔逊光纤干涉仪原理图）、赛格纳克光纤干涉仪（图2-7 赛格纳克光纤干涉仪原理图）、马赫-泽德光纤干涉仪（图2-8 马赫-泽德光纤干涉仪）和法布里-珀罗光纤干涉仪。图2-6迈克尔逊光纤干涉仪原理图图2-7 赛格纳克光纤干涉仪原理图图2-8 马赫-泽德光纤干涉仪2.2常见光纤传感器应用目前，光纤传感器的应用非常广泛，常见的有对温度进行测量的、有对压力进行测量的、有对加速度进行测量的、有PH探测技术等。本文着重介绍以下几种常见的应用。2.2.1光纤温度传感器光纤温度传感器应用的比较多，有荧光温度传感器、液体温度传感器、光纤黑体腔温度传感器等。光纤温度计根据调制类型的不同分为各种种类，其中又以光强调制最为简单，也更容易为人们所理解，下面将着重介绍一款这种类型的温度传感器，图2-9使其结构原理图。如图所示。半导体光吸收器随着温度的变化，它对光的吸收有一种线性的变化，当然这种变化只在一小段波长中才适用。若在该范围内选择一种适当的光源，就可以透过光强度随着温度的变化以达到测量温度的目的。图2-9 光强调制光纤温度传感器原理图如果一个物体表面有温度，那么它就会向外界释放热辐射，而光纤黑体温度计就是根据这一原理测量物体释放的热辐射来确定物体温度的一种传感技术。理想“黑体”辐射能量可以用普朗克公式表述。图2-10是光谱辐射通量密度和温度及波长之间的关系。 （3）图2-10 光谱辐射通量密度和温度及波长之间的关系光纤黑体探测技术就是用“黑体”作为探头，它的探头结构如图2-11. 图2-11 探头结构a： 温度测头 b：光检波头c：温度检测系统2.2.2光纤压力传感器光纤压力传感器根据调制的不同分为强度调制光纤传感器、频率调制光纤传感器（图2-12）、相位调制光纤传感器和波长调制光纤传感器（图2-14光纤光栅压力传感器）分布式光纤压力传感器（图2-15 基于OTDR的分布式压力传感器）。 图2-12 频率调制光纤传感器相位调制光纤传感器根据光纤干涉仪的不同分为马赫-泽德干涉式光纤压力传感器、迈克尔逊光纤压力传感器和法布里-珀罗干涉式光纤压力传感器（图-13）。图2-13 法布里-珀罗干涉式光纤压力传感器图2-14 光纤光栅压力传感器图2-15 基于OTDR的分布式压力传感器第三章 光纤传感器特性测量实验3.1实验目的本次实验的主要目的是对对特定的光纤传感器的特性进行测量，自主地设计实验并连接有效电路对光纤传感器进行研究实验，借助CSYGLD01光电特性实验平台，理解对常见光纤传感器件特性的理解。了解这种传感器的原理与结构，并加强对该型传感器的了解。3.2基本原理光纤传感器就是对光波进行调制，测试被测量量对光波的光强、频率等产生影响，根据这些测得相对应的物理量。3.3实验内容1、图3-1为光纤位移传感器，本实验根据该光纤传感器测量器特性。将光纤传感器的两根尾部插入光电变换座中，以使实验平台测量该光纤传感器的特性。图3-1 光纤位移传感器 2、 图3-2 为本次实验的实验平台，其中下面部分为电路连接，其中测微头也要按照下图安装，该实验系统右侧的输出端与电压表相连接。图 3-23、接下来将实验系统的开关合上，启动实验系统，另外就是对系统中测微头调零4、接下来到了实验的关键阶段，操作并且读取数据。坐于实验平台的右侧，观察平台上的测微器，接下来用手慢慢地旋转它，每相隔0.1记录次电压表的数值，实验过程中千万做到操作精确，在该次操作中，尽量顺着一个方向调节测微头，并记录数据在表3-1中。 表3-1 5、表3-1是本次实验的数据，根据数据可以做出一个曲线图，如图3-3。图3-3 本次实验光纤传感器曲线图 第四章 总结与展望本次对光纤传感器特性测量的研究让我了解了更加全面的光纤传感器方面的知识，对我以后在光纤传感器这方面发展迈出了坚实的一步。与老师同学沟通也更进一步拓宽了我获得知识的渠道，也提高了自身的综合素质，学习了很多关于光纤传感方面的知识，还锻炼了自己的学习能力。除此之外，根据在这一阶段学习的光纤传感器方面的知识，我更加了解了光纤传感器和普通传感器的区别，也明确了光纤传感器在各方面的优点。它具有光路可弯曲、反应