光纤压力传感器

1、光纤压力传感器光纤压力传感器 主要内容主要内容 l一、光纤传感技术概念一、光纤传感技术概念 l二、光纤压力传感器分类二、光纤压力传感器分类 l三、光纤压力传感器的应用三、光纤压力传感器的应用 光纤传感技术概念光纤传感技术概念 l光纤传感技术光纤传感技术 伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体, 光纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为 压力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器,与传 统的压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易 燃易爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器,对

2、桥梁、大坝 等进行健康状况的实时监测。 一、强度调制光纤压力传感器一、强度调制光纤压力传感器 l微弯型微弯型 原理：原理：当齿形板受当齿形板受 外部扰动时外部扰动时, ,光纤的光纤的 微弯程度随之变化微弯程度随之变化, , 从而导致输出光功从而导致输出光功 率的改变率的改变, ,通过光检通过光检 测器检测到的光功测器检测到的光功 率变化来间接地测率变化来间接地测 量外部压力的大小量外部压力的大小 。 优点：优点：结构简单结构简单, ,容易装配容易装配, ,造价低。造价低。 缺点：缺点：传感器的微弯结构周期要求严格传感器的微弯结构周期要求严格, ,因此机械设计相当复杂因此机械设计相当复杂, ,另

3、外加速度另外加速度 效应也会使其性能恶化。效应也会使其性能恶化。 一、强度调制光纤压力传感器一、强度调制光纤压力传感器 l透射型透射型 原理：原理：在发射光纤与在发射光纤与 接收光纤之间放置一接收光纤之间放置一 个遮光片个遮光片, ,对进入接收对进入接收 光纤的光束产生一定光纤的光束产生一定 程度的遮挡程度的遮挡, ,外界信号外界信号 通过控制遮光片的位通过控制遮光片的位 移来制约遮光程度移来制约遮光程度, ,实实 现对进入接收光纤的现对进入接收光纤的 光强进行调制。光强进行调制。 优点：优点：灵敏度高，线性度好。灵敏度高，线性度好。 一、强度调制光纤压力传感器一、强度调制光纤压力传感器 l反

4、射型反射型 原理：原理：利用弹利用弹 性模片在压力作性模片在压力作 用下变形从而调用下变形从而调 制反射光功率信制反射光功率信 号号, ,压力的大小压力的大小 与发射光的强度与发射光的强度 成一定关系。成一定关系。 优点：优点：结构简单、成本低、精度高、易调试等。结构简单、成本低、精度高、易调试等。 一、强度调制光纤压力传感器一、强度调制光纤压力传感器 l消逝波耦合性消逝波耦合性 原理：原理：根据受抑全根据受抑全 反射原理，当两根反射原理，当两根 光纤的纤芯相互靠光纤的纤芯相互靠 近到一定距离时近到一定距离时, ,消消 逝光波可以从一根逝光波可以从一根 光纤耦合进入到另光纤耦合进入到另 一根光

5、纤中去。一根光纤中去。 优点：优点：灵敏度很高灵敏度很高, ,当两根光纤靠的很近时当两根光纤靠的很近时, ,即使间隙变化很小即使间隙变化很小( (即被测压力即被测压力 改变量很小改变量很小),),相对输出光强仍有很大的变化。相对输出光强仍有很大的变化。 缺点：缺点：这种传感器对光纤端面平整度要求较高这种传感器对光纤端面平整度要求较高, ,当光纤端面距离增加时当光纤端面距离增加时, ,耦耦 合效率将成指数减小合效率将成指数减小, ,因此动态范围比较小因此动态范围比较小, ,不适合压力变化较大的场合。不适合压力变化较大的场合。 二、频率调制光纤压力传感器二、频率调制光纤压力传感器 l频率调制光纤压

6、力传感器频率调制光纤压力传感器 原理：原理：硅谐振器在硅谐振器在 调制光的激励下以固调制光的激励下以固 有频率振动有频率振动, ,当压力当压力 影响了硅谐振器的频影响了硅谐振器的频 率后率后, ,通过检测频率通过检测频率 的变化就可以得到压的变化就可以得到压 力的大小。力的大小。 优点：优点：测量精度高测量精度高, ,抗干扰能力强抗干扰能力强, ,采用频率输出采用频率输出, ,属于数字式传感器属于数字式传感器, ,省掉省掉 了模数转换环节了模数转换环节, ,具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。 三、相位调制光纤压力传感器三、相位调制光纤压力传感器 lMach-ZehnderMach-Zeh

7、nder干涉式光纤压力传感器干涉式光纤压力传感器 原理：原理：光纤内传播光纤内传播 的光波相位在压力的的光波相位在压力的 作用下发生变化作用下发生变化, ,通通 过干涉测量技术把相过干涉测量技术把相 位变化转换为光强变位变化转换为光强变 化化, ,从而检测出待测从而检测出待测 的压力值。的压力值。 优点：优点：体积小体积小, ,并且制造成本较低，灵敏度高。并且制造成本较低，灵敏度高。 四、波长调制光纤压力传感器四、波长调制光纤压力传感器 l光纤光栅压力传感器光纤光栅压力传感器 原理：原理：光纤布拉格光栅贴在光纤布拉格光栅贴在 形变体上形变体上, ,当压力加在被测物当压力加在被测物 体上时体上时

8、, ,形变体受到外界压力形变体受到外界压力 产生形变产生形变, ,光纤光栅的有效折光纤光栅的有效折 射率和光纤周期都将发生变射率和光纤周期都将发生变 化化, ,光源发出的宽带光经发生光源发出的宽带光经发生 形变的光纤光栅反射形变的光纤光栅反射, ,布拉格布拉格 波长产生移位波长产生移位, ,通过光谱仪测通过光谱仪测 量反射光的光谱量反射光的光谱, ,根据公式可根据公式可 得到压力的大小。得到压力的大小。 优点：优点：精度高、大量程测量分辨率高、抗干扰能力强、测量结果具有很好精度高、大量程测量分辨率高、抗干扰能力强、测量结果具有很好 重复性重复性, ,因此常用于温度、压力和液体高度等的测量。因此

9、常用于温度、压力和液体高度等的测量。 五、分布式光纤压力传感器五、分布式光纤压力传感器 l基于基于OTDROTDR的分布式压力传感器的分布式压力传感器 原理：原理：当钢丝绳受轴向应力当钢丝绳受轴向应力 作用而被拉伸时作用而被拉伸时, ,光纤也一起光纤也一起 跟着被拉紧跟着被拉紧, ,并贴敷在绳索上并贴敷在绳索上 , ,从而光纤产生侧向变形。另从而光纤产生侧向变形。另 外随着钢绳的纵向拉长外随着钢绳的纵向拉长, ,其直其直 径将不断减小径将不断减小, ,同时它对光纤同时它对光纤 产生的微弯曲率脉冲峰值、产生的微弯曲率脉冲峰值、 宽度将分别增大和减小宽度将分别增大和减小, ,这样这样 就造成光纤的

10、光功率损耗就造成光纤的光功率损耗, ,建建 立损耗与应变的关系立损耗与应变的关系, ,从而测从而测 量出应变量的大小。量出应变量的大小。 光纤压力传感器的应用光纤压力传感器的应用 l1.1.光纤压力传感器在称重领域应用研究光纤压力传感器在称重领域应用研究 l2.2.光纤压力传感器在煤矿中的应用研究光纤压力传感器在煤矿中的应用研究 l3.3.光纤压力传感器在原油开采中的应用研究光纤压力传感器在原油开采中的应用研究 1. 1. 光纤压力传感器在称重领域的研究光纤压力传感器在称重领域的研究 l研究背景：研究背景：称重领域是光纤压力传感器应用的一个方向称重领域是光纤压力传感器应用的一个方向, ,目前主

11、要集目前主要集 中于动态称重方面的研究。动态称重指在汽车运动状态下称出其质量，中于动态称重方面的研究。动态称重指在汽车运动状态下称出其质量， 利用光纤压力传感器进行称重已成为目前动态称重研究的重点。利用光纤压力传感器进行称重已成为目前动态称重研究的重点。 l应用：应用：光纤压力传感器包括强度调制型、相位调制型及波长调制型。光纤压力传感器包括强度调制型、相位调制型及波长调制型。 基本原理：基本原理：当光当光 纤弯曲时，在光纤纤弯曲时，在光纤 中传输的导行模会中传输的导行模会 在弯曲点变为辐射在弯曲点变为辐射 模，损耗掉部分光模，损耗掉部分光 功率，光功率的损功率，光功率的损 耗值与待测压力具耗值

12、与待测压力具 有一定关系，通过有一定关系，通过 测量光功率可得到测量光功率可得到 待测压力。待测压力。 光纤加强材料和光纤光栅组成的传感器 封装好的动态称重传感器 l1.1 1.1 强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究 工作原理：工作原理：采用传感光纤与采用传感光纤与 一根横截面为圆形的均匀细一根横截面为圆形的均匀细 线绞合的办法使光纤产生一线绞合的办法使光纤产生一 个预弯曲，在光纤受力时，个预弯曲，在光纤受力时， 曲率会发生变化，从而使光曲率会发生变化，从而使光 纤的损耗值也发生变化，其纤的损耗值也发生变化，其 结构如图所示，该力一案可结构如图所示

13、，该力一案可 通过通过OTDROTDR技术或正向光功率技术或正向光功率 测量技术测量光纤弯曲损耗。测量技术测量光纤弯曲损耗。 绞合式光纤压力传感器 l1.2 1.2 强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究 l工作原理：工作原理：通过干涉测量技术，相通过干涉测量技术，相 位调制型光纤压力传感器测量光纤位调制型光纤压力传感器测量光纤 内传播的光波相位在压力作用下发内传播的光波相位在压力作用下发 生的变化。该技术用在称重领域通生的变化。该技术用在称重领域通 过测量压力后转换为质量。过测量压力后转换为质量。 l实例：实例：20052005年，袁申芳等人设计了年

14、，袁申芳等人设计了 一套基于迈尔讯干涉仪动态称重系一套基于迈尔讯干涉仪动态称重系 统。如有图所示将干涉仪的测量光统。如有图所示将干涉仪的测量光 纤铺设在一块钢板上。当有压力作纤铺设在一块钢板上。当有压力作 用在钢板上时，干涉仪输出信号会用在钢板上时，干涉仪输出信号会 发生变化，通过测量输出信号的变发生变化，通过测量输出信号的变 化进行称量。该称重系统结构简单，化进行称量。该称重系统结构简单， 价格低，可为许多实际应用提供更价格低，可为许多实际应用提供更 高精度需求。高精度需求。 l1.3 1.3 相位调制型光纤压力传感器在称重领域的研究相位调制型光纤压力传感器在称重领域的研究 基于迈尔讯干涉仪

15、动态称重系统 工作原理：工作原理：根据光纤光栅的中心根据光纤光栅的中心 波长漂移特性，利用光纤光栅进行波长漂移特性，利用光纤光栅进行 压力测量的实验基本方案如图。透压力测量的实验基本方案如图。透 射型和反射型光纤光栅压力传感器射型和反射型光纤光栅压力传感器 都需进行波长解调而得到压力值。都需进行波长解调而得到压力值。 在进行称重实验时，多用将光纤光在进行称重实验时，多用将光纤光 栅贴在形变体上的方法。研究人员栅贴在形变体上的方法。研究人员 一般采用承重梁模型或悬臂梁模型，一般采用承重梁模型或悬臂梁模型， 光纤光栅被平行或垂直的贴在承重光纤光栅被平行或垂直的贴在承重 梁上，当车辆通过时，光纤光栅

16、受梁上，当车辆通过时，光纤光栅受 到拉伸或压缩到拉伸或压缩! !通过解调波长得到通过解调波长得到 车辆的质量。车辆的质量。 l1.4 1.4 波长调制型光纤压力传感器在称重领域的研究波长调制型光纤压力传感器在称重领域的研究 光纤光栅压力传感器 研究背景：研究背景：鉴于国内煤炭安全问题频出鉴于国内煤炭安全问题频出, , 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所煤矿安全监控行业也逐渐被人们所 重视重视, , 先进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安全生产能效先进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安全生产能效, , 并且并且 可以预测或预警事故的发生。光纤传感具有本质安全、耐腐蚀、漂移小、灵敏可以

17、预测或预警事故的发生。光纤传感具有本质安全、耐腐蚀、漂移小、灵敏 度高、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合等一系列独特优势度高、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合等一系列独特优势, , 已广已广 泛应用于油井、电力、建筑等高危行业。同时光纤传感器也非常适用于煤矿井泛应用于油井、电力、建筑等高危行业。同时光纤传感器也非常适用于煤矿井 下单点或多点多参数检测下单点或多点多参数检测, , 是煤矿安全监控的理想选择。是煤矿安全监控的理想选择。 基本原理：基本原理：压力压力( (应力应力) )是光纤光栅传感器的主要检测量之一是光纤光栅传感器的主要检测量之一, , 压力压力( (应力应力) )

18、的的 变化可被光纤光栅传感器直接感知。而压力变化可被光纤光栅传感器直接感知。而压力( (应力应力) )在不同场合表示不同的物理在不同场合表示不同的物理 量量, , 煤矿中很多和压力煤矿中很多和压力( (应力应力) )有关的参数都可由光纤光栅传感器感知测量。有关的参数都可由光纤光栅传感器感知测量。 应用：应用：矿用光纤称重传感器、矿用光纤液压传感器等。矿用光纤称重传感器、矿用光纤液压传感器等。 l2.2.光纤压力传感器在煤矿领域的研究光纤压力传感器在煤矿领域的研究 l工作原理：工作原理：没有施加载荷作用没有施加载荷作用 时时, , 光谱仪接收到的光纤光栅布光谱仪接收到的光纤光栅布 拉格反射光谱具

19、有单一的反射峰拉格反射光谱具有单一的反射峰; ; 当载荷增加到一定程度时当载荷增加到一定程度时, , 在光在光 谱仪中看到反射光谱逐渐变宽、谱仪中看到反射光谱逐渐变宽、 幅值逐渐减小幅值逐渐减小, , 直至出现两个峰直至出现两个峰 值值, , 随外界载荷的增加随外界载荷的增加, , 反射峰反射峰 向波长方向移动向波长方向移动, , 并伴随着两个并伴随着两个 反射峰彼此越发分离。再通过保反射峰彼此越发分离。再通过保 偏分束器将两个反射波峰分偏分束器将两个反射波峰分离开离开, , 进入功率探测器就可以实现简单进入功率探测器就可以实现简单 的光纤光栅反射光谱的解调。的光纤光栅反射光谱的解调。 称重原

20、理图 l2.1 2.1 矿用光纤称重传感器矿用光纤称重传感器 l工作原理：工作原理：当上部通道传当上部通道传 入压强时入压强时, , 此装置中部活塞此装置中部活塞 向下运动向下运动, , 通过触点使得双通过触点使得双 拱型悬臂梁发生形变。此时拱型悬臂梁发生形变。此时 粘贴在悬臂梁一侧的粘贴在悬臂梁一侧的 会受到径向应力的作用。通会受到径向应力的作用。通 过有限元分析悬臂梁的受力过有限元分析悬臂梁的受力 不均匀不均匀, , 从而变为了从而变为了 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅, , 这就会导致这就会导致 反射波谱宽的增加。反射波谱宽的增加。 双拱型结构压力传感装置结构和外型图 l2.2 2.2 矿用光

21、纤液压传感器矿用光纤液压传感器 研究背景：研究背景：伴随新的技术的采用，也伴随新的技术的采用，也 给用于提供井下地球物理信息的传感器给用于提供井下地球物理信息的传感器 提出了更加苛刻的要求。因此，对油藏提出了更加苛刻的要求。因此，对油藏 和石油井下的一些关键的物理参数以及和石油井下的一些关键的物理参数以及 他们随着时间和空间的变化实时、在线他们随着时间和空间的变化实时、在线 的测量和监测就变得非常重要。比如对的测量和监测就变得非常重要。比如对 于海上油田，许多超深油井下的压强高于海上油田，许多超深油井下的压强高 达近百达近百MPaMPa，对传感器的工作压力范围，对传感器的工作压力范围 也提出了极高的要求。也提出了极高的要求。 发展趋势：发展