光纤传感器培训剖析课件

1、光纤传感技术及其应用光纤传感技术及其应用光纤传感技术简介光纤技术的发展与动态光纤传感器的发展与动态光纤传感器的原理光纤传感器与电传感器的对比光纤传感器的特点与分类光纤传感技术在各行业中的应用光纤压力传感器光纤温度传感器光纤液位传感器光纤阀位回讯器光纤成分在线检测技术光纤报警传感器其他光纤传感技术光纤的发展与动态 1966年高昆博士提出光纤传输的理论 1969年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤 1970年美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/KM SiO2芯光纤 1973年美贝尔实验室用化学沉积法（CVD）制光纤 1978年对1

2、.5m光传输接通理论值约0.2dB/KM 1980年光通讯产业形成光纤传感器的发展与动态 70年代末，美最先发表FOS文章 1981年美召开光纤陀螺会议 1981年英第一届国际FOS会议 1984年西德第一届FOS会议 1986年美第三届FOS会议 1988年日本第四届FOS会议 1989年美第五届FOS会议 2000年意大利第十四届FOS会议 光纤传感器的原理光纤的结构n1n2n2n1n2纤芯包层涂覆层护套光纤传感器的原理光纤传光原理 全反射 n1 n2 入射角法线n1n2光纤传感器的原理光纤传光与数值孔径n0200n2n1光纤模式及其对光信号传输的影响n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n

3、2n1单模梯度光纤光纤传感器的原理将被测参量转换为光信号参数的变化光纤传感器与电类传感器对比电 量电量检测电类传感器被测参量电缆电类传感器光 源光量检测光纤传感器被测参量光纤光纤传感器光纤传感器与电类传感器对比分类 内容 光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏 温-电敏、力-电敏、磁-电敏 传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆 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

4、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 * 非接触式光纤传感器在易燃易爆场合的应用控 制 室光 纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用控 制 室光 纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备光纤传感器在实时在线检测中的应用取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱仪被测物光纤光谱仪物质成分检测光纤光谱仪在线检测 CH4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

5、S2S3Sn电缆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S1T1S2T2S3T3SnTn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，又是敏感元件传感信号光纤传输网络010mA0 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 感电脉冲光参量光纤转速传感器非接触测量方式LEDPIN光纤光纤流量发讯器光纤负压报警器光纤液位变送器点式光纤液位传感器适用于 高、低液位报警 密封加油控制LEDPIN液体LEDPIN液体光 纤 液 位 传 感 器光纤阀位回讯器发光管光敏管反射镜软铁弹簧滑杆

6、光纤壳体弹片磁铁GFH系列光纤阀位回讯器高精度 高可靠性寿命长 本质防爆光纤温度传感器阻光型LEDPIN光纤砷化镓片光纤T1T2T3T2IT3 T1LED 光纤温度传感器折光型LEDPINn1n2n2随温度变化n2光纤高温温度传感器光谱型PIN1PIN2滤波器1智能仪表滤波器2光纤高温炉黑体辐射腔蓝宝石光纤GW系列光纤高温温度传感器湖北双环化工集团公司应用现场GW光纤高温计与铂铑热电偶在线记录曲线GW光纤高温计铂铑热电偶通过相位掩膜制作光纤光栅的原理puUV零级光束1级光束1级光束熔融石英相位掩膜光纤干涉条纹光纤光栅用于分布式光纤传感系统F宽带光源光纤法-柏分析器压电单元扫描波形用于 Bedd

7、ington Trail 大桥的四路光纤布喇格光栅传感解码系统光纤温度传感器示意框图光纤光栅用于温度报警系统分路器宽带光源报警器可调宽带滤波器SSS光纤温度报警器示意框图 光纤气体成分传感器R,光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器混气室N2O2流量计光纤化学成分传感器R,光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器tI光纤光谱传感器光 源出口待测气体white室探测器信号处理 光纤传感器应用实例例1 光纤温度开关1234水银柱式光纤温度开关1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银 热双金属式光纤温度开关1 遮光板； 2 双金属片接收光源12例2 遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形

8、量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。 例3 透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度的上升而增大。 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。相对发光强度透射率LED发光光谱半导体透射率T1T2T3T3T1T2波长 半导体透射测量原理光纤环氧胶半导体

9、反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。例4 膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。 光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中. 例5 微弯光纤压力

10、传感器微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d原来光束以大于临界角C的角度1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。1n0n2n123例6 光弹式光纤压力传感器 光弹性式光纤压力传感器1、7 起偏器；2、8 1/4波长板；3、9 光弹性元件；4、10 检偏器；5 光纤；6 自聚焦透镜线偏振光光源1234P圆偏振光椭圆偏振光从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈4

11、5的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。 P5678910(b) 传感器结构例9 球面光纤液位传感器 球面光纤液位传感器(a)探头结构 LEDPD12将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。 (b) )

12、检测原理空气液体例8 斜端面光纤液位传感器 斜面反射式光纤液位传感器光纤(a) (b)光纤棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。 例9 单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构1 光纤；2 耦合器12当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。 为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖

13、顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。另外可在顶部镀的反射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引向突出物的下端。可保证探头在离开液位时也能快速地响应。 例10 光纤涡街流量计 光纤涡街流量计光源探测器光纤夹密封胶液体流管光纤张紧重物频谱分析记录 当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。 因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的， 在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或气体流经与其