光纤传感器原理及应用课件

1、光纤传感器原理及应用主要内容概论光纤传感器原理光源光探测器光信号检测技术特殊光纤典型应用第一讲 概 论传感器是现代科学技术开拓的先锋 在信息时代，人类的认识和活动范围在空间和时间上将向无限、极端和崭新领域拓展。各种关键工程的开发，首先就要有能传感各种强、高、弱、微和边缘效应的传感器，这些特殊领域的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展，产生巨大的经济效益。传感器技术利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术。传感器技术是检测原理、材料科学和工艺加工三个要素的最佳结合，在发达国家被列为核心技术之一。传感技术的提高，在很大程度上有赖于揭示物理现象的研究和材料技术的发展。光纤传感器(FOS-Fibe

2、r Optic Sensor)以光纤作为功能材料的传感器。以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信号的形式取出。10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电通信波段划分及相应传输媒介频段划分传输介质光纤光纤的特点损耗低，0.2dB/km良好的传光性能频带宽，传输容量大，400nm，5

3、0THz可塑性好；本身就可以作为敏感元件重量轻，体积小，27g/km fiber资源丰富，石英抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高防爆性能好.光纤传感器的工作原理及其分类光纤传感器的基本构成 光源：LD,LED,白炽灯，激光器等信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、相位或偏振态的变化。光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。光 源信号调制光纤光纤光探测器信号处理外界参量2.光纤传感器的分类按照传感原理进行划分 传光型光纤传感器：光纤不连续，其间 有中断，中断部分要接上其它介质的敏感元件，可以充分利用已有传感技术的优点。传感型光纤传感

4、器：“传”和“感”合为一体，光纤连续，减少了耦合，但是往往需要特殊光纤。 按照调制原理进行划分 强度调制光纤传感器：光纤中光强度变化 波长调制光纤传感器：光纤中光波长变化 偏振态调制光纤传感器：光纤中光偏振态变化相位调制光纤传感器：光纤中光相位变化 频率调制光纤传感器：光纤中光频率变化 时分调制：利用外界因素调制返回信号的基带 频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化来测量外界物理量的大小和空间分布。 按照检测对象进行划分 温度传感器 压力传感器 位移传感器 流速传感器 辐射传感器 气体传感器 光谱传感器 .传感器的设计原则2.探测信号的质量好便于信号处理容易传输信号特性参数随时间的变化小

5、，测量的重复性好，没有滞后和老化现象。 3.与待测信号间的匹配性能好不干扰目标状态可以充分承受目标的环境抗干扰性能好 光纤传感器的发展概况及其展望1.发展概况70年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导光联系起来。 1983年起，国际光纤传感器会议定期召开，光纤传感器的研究成为世界研究热点各个发达国家都做了大量的研究工作，具体如下： 美 国 FOSS(Fiber Optic Sensor System) 光纤传感器系统：水声器、磁强计和 其它有关的水下检测设备 FOG(Fiber Optic Gyros

6、cope) 光纤陀螺：发展最快，取得成果最好的领域之一 NRM(Nuclear Radiation Monitor) 核辐射监测 CRP(Civil Research Project) 民用研究计划英 国1982年成立英国光纤传感器合作协会高电压光纤电流传感器-中央电气研究所光纤陀螺、水声器伦敦大学光纤传感器的多路测试设备曼彻斯特大学光全息技术牛津大学特种光纤和光学测试仪器南安普顿大学日 本19791986年，从事光纤传感器技术研究工作的公司和大学共24家。19801983年，申请光纤传感器的相关专利共464项。我 国1983年，光纤传感器第一次全国性会议在杭州召开。在“七五”规划中提出了15

7、项光纤传感器的研究项目。目前的研究工作主要由各高校和研究所承担。清华、北航、北京交大光纤光栅概述 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSinglemode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of coresIt works like this resonant wavelengths are reflected back toward the source non-resonant wavel

8、engths are transmitted through the device without loss.The centre wavelength is given by:Typical Reflection Spectra光纤光栅复用系统 光 源 耦合器（环行器）光谱仪FBG1 FBG2 、FBGn 123123FBG压力传感头结构 原理：光纤光栅Bragg波长与压强、应变成线性变化关系光纤光栅压力传感系统结构 传感头1#传感头2#传感头n# 计算机 光谱仪 光 源传感头3#耦合器初始状态探头1#受力探头4#受力各探头受力前后光谱 利用上述传感功能，可以建成 新型的预警光缆传感系统 这

9、种预警光缆系统可以用于石油勘探系统、国防边境、众多重要的军事区域、容易产生滑坡和泥石流地区的预警系统、还可用于地震预测。 目前，因特利公司和飞鸿佳信公司正与本实验室商谈预警光缆系统技术转让技术和如何实现产学研相结合的问题。 目前光纤传感器的存在问题强度型光纤传感器的问题原理：利用光强的变化测量被测参数优点：结构简单、工艺成熟、性能可靠、成本低。缺点：光路调整或光纤与探头材料的连接、耦合困难相干型光纤传感器的问题原理：根据被测参量影响后光纤中光相位的变化检测外界参量。优点：灵敏度高缺点：检测与信号处理手段复杂，光路复杂，对光器件与光纤的要求严格，成本较高，容易受其他因素的影响。其它问题电源电压波动。工作环境温度变化对传感器性能的影响。特性参数与被测参数的关系为非线性。测量的长时间漂移效应。 目前光纤传感器的研究动向1.实用化继续深入研究光纤传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原