光纤传感技术及其应用培训讲义.ppt

光纤传感技术及其应用 主讲 姜德生 教授 博士导师 光纤传感技术国家工程实验室武汉理工大学光纤传感技术研究开发中心 光纤传感技术课程内容 一 概论光纤的发展与动态光纤技术的发展与动态光纤传感的原理与分类光纤传感的特点二 光纤传感技术的有关基本概念光纤传光原理模式及其对光纤传光的影响 三 传感器的调制技术强度调制相位调制偏振态调制频率调制波长调制四 光纤干涉仪马赫 曾德尔光纤干涉仪萨格纳克光纤干涉仪迈克尔逊光纤干涉仪法布里 珀罗光纤干涉仪 五 光纤传感器的解调技术强度解调相位解调偏振态解调频率解调波长解调六 光纤传感器系统的设计光纤传感器系统的组成光纤传感器系统的设计原则光纤传感器系统的分类七 光纤传感器的应用 一 概论 光纤的发展与动态 1966年高锟博士提出光纤传输的理论 2009年获得诺贝尔奖 1969年日本平板玻璃公司制出200dB KM梯度光纤1970年美国康宁公司制出世界第一根20dB KM低损耗光纤1972年日本电子技术综合研究所制出7dB KMSiO2芯光纤1973年美国贝尔实验室用化学沉积法 CVD 制光纤1978年对1 5 m光传输接通理论值约0 2dB KM1980年光通讯产业形成 光纤传感器的发展与动态 70年代末 美国最先发表OFS文章1981年美国召开光纤陀螺会议1981年英国第一届国际OFS会议1984年西德第二届OFS会议1986年美国第三届OFS会议1988年日本第四届OFS会议1989年美国第五届OFS会议2000年意大利第十四届OFS会议 2009年英国第20届OFS会议2011年加拿大第21届OFS会议 光纤的结构 光纤的结构 光纤传感器的传光原理 全反射 n1 n2入射角 光纤传光与数值孔径 光缆的结构 光纤的分类 按基质材料分类硅酸盐光纤 石英光纤 多组分玻璃光纤等 塑料光纤氟化物光纤磷酸盐光纤液晶光纤等按折射率分布分类阶跃光纤折射率渐变光纤 自聚焦光纤 包层微结构光纤 光纤的分类 光纤传感器的基本原理 将被测参量转换为光信号参数的变化 光纤传感器的调制和解调技术 强度 相位 频率 波长等的调制和解调 光纤模式及其对光信号传输的影响 光纤传感技术 光纤传感器与电类传感器对比 从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器 光纤传感器的分类 传输型光纤仅传输信号 不起敏感作用传感型光纤既传输信号 又是敏感元件 光纤传感器的特点 本质防爆适合于易燃 易爆等危险物品检测 对电绝缘适合于高电压场合检测 无感应性适合于强电磁场干扰环境下检测 化学稳定性适合于环保 医药 食品工业检测 时域变换性适合于多点分布测量 低损耗 大容量 高精度 尺寸小 重量轻 非接触式 三 光纤传感器的调制技术 I 强度调制 强度调制示意图 1 利用小的线位移或角位移进行强度调制 2 反射式强度调制 3 利用微弯产生损耗进行强度调制 4 利用折射率变化进行强度调制 通过被测参量调制光纤中光的相位的原理 称为相位调制 讨论 光敏器件不能直接测量相位变化 需通过干涉变化后方可测量 光波的相位由光纤波导物理长度 折射率及分 布波导模的几何尺寸的参量所决定 压力 温度 张力等被测参量可直接改变上述波导参量 II 相位调制 讨论 光敏器件不能直接测量光的偏振态 必须通过起偏器和检偏器才能检测其偏振状态 偏振态调制主要是利用物质的旋光性 法拉第效应 克尔效应 光弹效应等 III 偏振态调制 1 旋光性 2 利用磁致伸缩效应的传感器 3 克尔效应 电感应器件 光纤电压传感器 式中 I 出射光强I0 入射光强L 光在克尔盒中的光程长度U 外加电场d 电场极间距离K 克尔常数 沿MN方向存在压力或张力时 o e光折射率差与外压强关系为式中 P为外压强 K为光弹系数 若光波通过物质厚度为L 则产生相位差其中 为光波长 则出射光强为 4 光弹效应 IV 频率调制 频率为f的光入射到相对探测器速度为V的物体上则 其中fs为运动物体反射光频率 光纤多普勒技术 V 波长 颜色 调制 讨论 波长调制就是利用被测参量改变光纤中的波长 波长调制不受光强变化影响 但解调技术较复杂 波长调制主要有热 色调制和位移 波长调制 1 利用热色物质的颜色变化进行波长调制 2 利用黑体辐射进行波长调制 S D 3 利用位移进行波长调制 b 光栅旋转 a 位移 红光 蓝光 入射光 c 衍射板位移 四 光纤干涉仪 根据双光束相干原理 两个光电探测器接受光强分别为式中 I0为光强 a为耦合系数 s为被测参数引起的相移 1 马赫 曾德尔光纤干涉仪 即 式中 为角速度 为光源波长 为相位移 c为光速 A为光纤陀螺面积 N为光纤圈的个数目前 的测量水平可达10 11 10 12水平 可取10 10 为1 5 10 6米 c为3 108米 秒 A 2 10 3米2 N 103 代入 式 可得 2 萨格纳克光纤干涉仪 a b 式中 为两光纤臂相位差 包括被测参量引起的相位差 3 迈克尔逊光纤干涉仪 其输出光强为式中 I0为入射光强 T为镜面透射率 R为镜面反射率 为相邻光束相位差 F为精细度 其中 n为腔内介质折射率 为腔内光线与法线的夹角 d为两镜面之间距离 4 法布里 珀罗 F P 光纤干涉仪 五 光信号的解调技术 锁相放大器中PSD 相敏控波 实现调制信号和参考信号相乘 经低通滤波后即可得比例于被测信号的解调信号S0 t 结构框图 1 强度解调 单光路微弱光信号解调 目的 消除光源光强波动的影响 双光路弱光信号 被动零差法相位跟踪零差法外差法 2 光波相位解调 被动零差法 讨论 1 被动零差法是给PIT输入一固定调制信号 2 相位跟踪零差法是根据相位检测系统的输出给PI下一变化的调制信号 使干涉信号总是在 2 附近 这样 灵敏度提高 外差法 参考光路由布拉格盒引入外频率f1 使参考光频率为 f0为原有激光频率信号光为 fS为多普勒频移信号光与参考光混频 输出电信号频率为式中 可由频谱仪测得 讨论 外频率引入是为了识别被测物体方向 3 频率检测 解调 零差解调 M反射参考光信号光探测器D得到其光强为式中为多普勒频移探测器的输出频率为的电信号进频谱分析仪 即可求的大小 进而求fS 代入多普勒公式即可求得速度V 讨论 零差法只能求V的大小 不能测方向 4 波长 颜色 解调 二波长单光路解调 二波长检测系统中 一种颜色是不变的作参考 另一种颜色受外界 PH变化 调制 二波长双光路解调 单光路一个光敏器件对不同波长的灵敏度不同 5 光谱仪解调 在波长检测中 二波长强度之比不足以反应全部信息解调 光纤光栅用于分布式光纤传感系统 1 光纤传感系统的组成 组成 传感器 传输系统 探测系统 六 光纤传感器系统与设计 一 传感器的设计 根据被测量 灵敏度 动态范围 噪声与干扰要求 根据被测量地点分布决定传感器位置分布与结构 根据被测量的要求决定是数字量还是模拟量 二 传输系统的设计 根据传感器的阵列决定传输方式 根据传感器的通道数决定供电和频响等 考虑传输系统噪声 环境温度 现场条件决定光缆要求 2 光纤传感器的设计原则 三 探测系统的设计 根据调制光所携带信息要求选择光电探测器的类型与参数 根据传输系统要求 需要对多路信号分离解调 对数字化数据需进行译码 以便将脉冲代码换为模拟代码 根据整个光路的衰减 计量 复核光源与探测系统的选择 时分多路系统不同的接收时间对应不同的空间位置 3 光纤传感器系统的分类 1 压 光多路传输多路开关与压频变换器件状态对应不同的传感器 多路传输系统 2 波分多路传输不同的传感波长对应不同的空间位置 几种活连接1 3dB 个熔接连接0 1 1dB 个插入损耗光纤长度损耗其它损耗 温度影响等 光源衰减的损耗 衰减计算 七 光纤传感器的应用 光纤传感器在易燃易爆场合的应用 光纤传感器在高电压 强电磁场干扰场合的应用 光纤传感器在实时 在线检测中的应用 传统分布测量 光纤传感技术在分布测量中的应用 时域变换技术 检测仪表 S1 S2 S3 Sn 电缆 1m 2m 3m 光纤雷达 分布式光纤时域传感技术 原理 OTDR 光时域反射技术 光纤传感技术在分布测量中的应用 时域变换技术 Raman和Brillouin分布式光纤时域传感技术 DTS DTSS 背向散射光 Rayleigh Rayleigh散射光无频移Brillouin频移 最大散射频移11GHz左右Raman频移 13THz附近高增益 Raman和Brillouin分布式光纤传感器 光纤本身就是传感器 标准光纤 T1T2T3T4 OTDR技术用于分布检测 光纤传感技术在分布测量中的应用 时域变换技术 光纤 光纤转速传感器 非接触测量方式 光纤温度传感器 阻光型 光纤温度传感器 折光型 点式光纤液位传感器 适用于高 低液位报警密封加油控制 光纤高温温度传感器 光谱型 蓝宝石光纤干涉仪 光纤气体成分传感器 光纤化学成分传感器 光纤光谱传感器 光纤涡流流量计 振动频率其中 V为流速d为非流线性物体横向尺寸S为常数 通过相位掩膜制作光纤光栅的原理 光纤本身传感温度和应变解调速度达到1kHz通过软件识别传感位置一根光纤上容纳几千个传感器 普通光纤光栅连续光纤光栅 LUNA公司 用于BeddingtonTrail大桥的四路光纤布喇格光栅传感解调系统 光纤陀螺 FOG 的原理 Sagnac效应 传感信号光纤传输网络 0 10mA 0 5V 光 电变换 计算机 电阻 电容 光纤传输网络 光纤 传输量大 传输距离远 不怕电磁干扰 接口方式齐全 电感 电脉冲 光参量 工程应用 桥梁隧道火灾石化新一代煤矿瓦斯 CO安全监测系统旋转机械光纤传感安全监测光纤光栅智能定址周界入侵报警电力 边坡 大坝铁道及其它光纤传感物联网 大型桥梁长期安全监测 应用于世界跨度最大 承受荷载最重公路铁路两用斜拉桥 武汉天兴洲长江大桥等10余座特大型桥梁的长期安全监测 武汉市晴川桥安全监测系统 光纤光栅测力环监测体外预应力变化 武汉长江二桥安全监测系统 光纤光栅应变传感器 光纤光栅应变传感器用于桥梁安全监测 桥梁安全实时监测系统 汉口上游C24号索振动频谱图 汉口上游C24号索实测索力值 斜拉索振动与索力的测量 重载车辆识别子系统 隧道火灾安全监测 多区波分复用技术 解决了多点火灾探测与远距离传输难题 女娘山隧道火灾监测 沪蓉西隧道试验验收 隧道内温度分布及其随时间变化曲线 秦岭终南山隧道火灾报警 在世界规模最大 陕西秦岭终南山隧道火灾报警工程国际招标中中标 建成并评为优秀项目实现了20公里长无中继的火灾监测 其他监控设施均无法工作 而光纤光栅火灾探测器在第一时间探测到火灾 并及时准确报警 比事故当事人采用紧急电话报警提前了几分钟 应用成效 11点13分 发出火灾报警信号 隧道火灾监测 已在总长超过1000公里的隧道火灾报警中应用 解决了多项技术问题 首创了光纤光栅火灾报警技术解决了大型油罐火灾监测的工艺设计 安装 检测等成套技术难题参与制订 线型光纤火灾探测器 GB T21197 2007国家标准 突破技术难题 国家四大战略储备油库火灾报警工程战胜西门子等国际著名公司 全部中标并已建成2007年国家某石油战略储备基地10万立方米特大油罐两次雷击失火 均及时报警 避免了重大损失中石化90 大型油罐采用本技术产品 国家四大战略储备油库和石油化工 15点16分 总控室接到47 罐火灾自动报警信号 油罐火灾自动报警设施可靠 镇海国家石油储备基地 应用于上海石化 洛阳石化 武石化 大港油田等 石化油库油罐火灾监测 中石化90 的大型油罐采用本技术 新一代煤矿瓦斯 CO安全监测系统 已在河南郑煤集团应用 密闭巷道分布式监控技术 瓦斯监测对比试验曲线 相同位置处安装的光纤甲烷传感器检测曲线 煤矿井下安装的催化燃烧式甲烷传感器检测曲线 将光纤装入旋转轴心输出 实现传感光信号的非接触传输 为旋转机械装备的实时在线非接触安全监测提供了新的可靠技术与方法 技术难点 旋转轴振动 倾斜 偏移 造成光信号无法传输需要现场做精密调试 旋转机械光纤传感非接触光传输 旋转机械光纤传感安全监测 光纤传感技术与传感网络的重大装备安全监测 国内首次成功应用于世界最大煤码头秦皇岛港口翻车机安全监测国内最大港口大型装备安全监测 上海港岸桥起重机安全监测国内最大浮吊 奋进号浮吊运行安全监测 秦皇岛港口翻车机安全监测 世界最大能源港的咽喉设备 长期无法实现在线 实时 动态监测 成为港口发展的瓶颈 一 二 三 四期翻车机都安装应用 桥吊基于光纤光栅的长期实时安全监测系统 联网监测21台岸桥 国际第二大港的设备 造价高 结构复杂 无法获取在线 实时 动态数据 其安全运行一直困扰企业 国际第二大港上海港岸边集装箱起重机 大型浮吊安全监测 国内最大浮吊 奋进号 悬臂长240多米 起吊重量2000多吨 中远船务200T 600T龙门起重机和200T门座起重机安全监测 光纤光栅智能定址周界入侵报警 别墅 高尔夫球场 机场 军事设施 重要企业 高速铁路 输油管线等 首次使用光纤光栅传感技术监测了大坝渗漏与结构安全 并应用于世界最高面板坝 湖北清江水布垭水利工程大坝安全监测 白鹤梁水下博物馆保护工程光纤光栅长期安全监测系统 三峡白鹤梁水下博