光纤传感原理10课件

第十讲光纤传感先进技术及展望《光纤传感原理》光纤多参数传感光纤网络传感光纤智能结构光纤传感技术的发展与前景1北京交大光信息所光纤传感器的优势光纤传感是现代传感技术的核心力量感、传合一，真正意义上的传感器灵敏度高、抗干扰能力强、信号传递速度快结构简单、体积小、重量轻、能耗小耐腐蚀、耐高温、耐辐射可实现多参数、分布式测量数据传输方便，易于实现远程传感（Internet）应用领域

光纤传感器可用于测量位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、流量、浓度、pH值等70多个物理量在航天（光纤陀螺）、航海（光纤水听器）、石油化工、电力、核工业、医疗、科学研究（智能蒙皮）等众多领域引言02北京交大光信息所光纤多参数传感1利用光纤传感器可同时对温度、压力、气体浓度等参数产生反应的特点，通过波分复用技术(WDM)以及光纤光栅或时分复用（OTDM）等，可实现一根光纤同时测量多种参数。光纤多参数传感能大量节省成本，具有广阔的应用前景。3北京交大光信息所油田常用传感器介绍

GY系列光纤液位计光纤液位计利用力平衡原理实现液位的检测，系统由测量单元、光纤传感器、光电变送器、二次仪表、电源、计算机及光缆组成。由被测介质液面变化引起测量浮球上下移动，测量钢丝绳带动光纤传感器内光码盘转动，经二次仪表处理后，显示出储罐内液位值，同时输出信号给计算机，实现罐区内液位自动检测。5北京交大光信息所

光纤液位变送单元当浮球随着液位的变化而上升或下降时，带动传感器的主轴旋转，传感器内有二组齿轮，将浮球的运动经过齿轮变速后，传送到光学编码器。通过光学编码器，将旋转的角运动转变为光脉冲信号，经光缆传输到远端操作室内的光电转换器，转变成为电信号输入二次仪表。6北京交大光信息所

光学编码器光学编码器由光码盘、轴及光纤探头组成。传感器光学系统由1根光缆(内含4根光纤)、2组固化的聚焦式光纤探头、4个光纤连接器及光码盘组成。输入光纤和输出光纤的端面分别固定在两个聚焦透镜的焦点上，聚焦透镜之间就形成了平行光。光码盘是一个齿轮状的薄圆盘，当光码盘因被测液位的变化而转动时，对两个光纤探头内的红外光分别进行调制。调制后的两组光脉冲信号返回各自的光纤，沿光缆传输回控制室的智能二次仪表。液位变化方向的判断，通过两路光纤中光脉冲信号的状态确定，从而判断液位的上升或下降。

系统静态测量液位分辨率1mm，测量精度±2mm，误差小于0．1％。数据处理系统可保留一周内的测量数据。7北京交大光信息所

GLF光纤流量发讯器光纤流量发讯器由转速传感器和光电转换器组成。转速传感器通过专用联轴器与被测流量计转轴联接，由光学编码器将被测轴的转动转变成光脉冲信号，经光缆传送到操作室内的光电转换器。再进入其他二次仪表。流量发讯器输出脉冲数(脉冲／转)为100；输出波形为方波；输出高电平≥4V，低电平≤0.7V；转速范围为2～500r／min。8北京交大光信息所多参数光纤传感一体化监控系统系统由外输控制站、内输控制站(三相分离和稳定控制站)、总控站、原油罐区安全监控系统、事故预案管理等几部分组成。10北京交大光信息所内容小结实现了油田联合站多点多参数全天候自动检测与监控，使站内管理控制达到一体化、智能化；光纤传感器性能良好、运行可靠，大大削减易燃易爆场所安全风险，提高了联合站本质安全管理水平；

自动化程度高，全过程参数自动采集，自动生成生产报表，降低了工人劳动强度，经济效益显著。12北京交大光信息所差分红外型甲烷浓度光纤网络传感系统甲烷是易燃易爆气体，是煤矿安全生产的主要威胁之一，因此及时检测甲烷气体的含量对于煤矿安全运行、人身安全有着非常重要的作用。光纤传感器相对于常规传感器具有无可比拟的优点：适合远距离在线测量；适合测量或在含有可燃易爆气体的环境中工作；传感器的结构简单、工作稳定可靠、易于组成光纤网络传感系统。14北京交大光信息所甲烷的红外吸收特性束强度为I的平行光通过甲烷和空气的混合气体时，一部分光被散射，一部分光被吸收，剩余的光将透射过去，介质对光的吸收遵守朗伯一比尔定律：式中，I0和I分别为入射和透射光强；K为光学系统的总效率；α为某波长下单位浓度、单位长度介质的吸收系数；β为瑞利散射系数；γ为米氏散射系数；δ为气体密度波动造成的吸收系数；L为待测气体与光相互作用的长度；c为待测气体的浓度．一般矿井中甲烷气体的浓度不大，朗伯一比尔定律可简化为：15北京交大光信息所吸收池结构对于光纤通信所用的石英光纤，其低损耗区所对应的波长范围为(1.1～1.7)μm。参考HITRAN96数据库，选用波长为1.6μm附近的甲烷谱线的吸收对其浓度进行检测。同时还要考虑到矿井中的水蒸气，CO2等在所选波长处没有吸收。因水蒸气和CO2分子在1.66m区域没有明显的吸收，因此作为甲烷气体浓度光纤传感器的光源选择峰值波长为1.66μm的二极管激光器．长光程吸收池结构示意图16北京交大光信息所系统组成系统主要由甲烷吸收激光器、光隔离器(波长为1650nm)、分光比均为1:1的Y形分光器I和Y形分光器II、1×2光开关、气体吸收池I和气体吸收池II、光电转换I和I、A／D转换器和计算机数据处理和控制系统等部分组成17北京交大光信息所入射光经输入端自聚焦透镜(GRIN)准直后变为平行光束，平行光束进入气体吸收池I和气体吸收池I，经过多次反射被甲烷吸收后，被输出端的GRIN透镜耦合到Y形分光器I的两个输入端，从Y形分光器I的单输出端进入光电转换器I变为电信号，该信号送计算机处理。为了尽量减少矿井中的尘埃等对测量结果的影响，气室必须具有隔光、除尘和防水蒸气功能。18北京交大光信息所煤矿安全生产监控网络20北京交大光信息所光纤智能结构3美国军方在80年代中期首先提出光纤智能结构这一概念，研究对象侧重于航空、航天飞行器，随后即渗透到土木工程、船舶、汽车、医学等众多领域，并很快成为研究热点。军用航空工业已成为智能结构技术的一个主要潜在市场。各国空军已投入相当多的资金用于开发军用航空器上的光纤智能结构。NASA(美国国家航空航天局)也积极地研究光纤智能结构在空间结构和空中交通工具上的应用。21北京交大光信息所

光纤智能结构研究领域已取得了一些重要成果：分布式光纤光栅智能结构；光纤智能夹层；空心光纤智能结构等23北京交大光信息所军用航空器的光纤智能结构实例

FOCSI计划美国国家航空航天局（NASA)等几家单位联合提出纤维光学控制系统计划(FOCSI)，该计划的核心是开发F-18飞机的飞行和发动机控制系统的飞行试验和光纤传感器系统。原麦道飞机公司和通用电气公司分别承包该计划的飞行和发动机控制系统，1992年1O月在NASA飞行研究中心进行了飞行试验，下图为FOCSI所需的光纤传感器和飞机上的布局。24北京交大光信息所

超高性能预警机的智能蒙皮超高性能预警机是具有先进的信息获取、信息处理和通信的能力。目前，由分离组件组成的顶警机航空电子系统正受到日益复杂电子战环境下大容量实时数据处理的压力，有效的预警机系统必须完成实时目标探测、识别、跟踪、秘密通信、威胁报警以及飞机自身的监测等功能，有希望的解决方案是智能蒙皮共形阵列天线。这种天线由覆盖在机身、机翼、机尾表面的共形天线构成。阵列设计以多层结构为基础，包括5个功能层：信号控制层、波束形成层、雷达信号处理层、互联层和信号获取层。此外，还可将各种波段的红外传感器埋置在预警机的蒙皮内，这对提高预警机的对抗性和自下而上性具有重大的意义。26北京交大光信息所智能蒙皮共形阵列天线27北京交大光信息所光纤传感技术的发展与前景41966年华人科学家高锟提出光纤传递信息的设想；1970年美国康宁公司研制成功世界第一根低损耗光纤；1978年开始有光纤传感器的报道；德国西门子公司在1980年制成高压光纤电流互感器的实验机样品。日本在20世纪80年代制定“光应用计划控制系统”的规划，该计划投资70亿美元旨在将光纤传感器应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息传输和生产过程的过程控制问题。20世纪90年代，由东芝、日本电器等15家公司和研究机构研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器。28北京交大光信息所目前，