《光纤应变传感器》PPT课件

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1、 第六章 光纤应变传感器主要内容n一、光纤传感的应用领域n二、光纤传感的分类n三、光纤传感的研究现状被测量被测量：温度温度1、压力压力2、流量流量3、位移位移4、振动振动5、转动转动6、弯曲弯曲7、液位液位8、速度速度9、加速度加速度10、声场声场11、电流电流12、电压电压13、磁场磁场14辐射辐射15等各种物理量等各种物理量 传感传感技术的应用技术的应用领域领域工业工业农业农业国防国防运输运输能源能源环境环境建筑业建筑业传感技术应用领域传感技术应用领域传感技术的现状n 传统的传感技术n 光纤传感技术6.2 传统的传感技术n传统的传感器是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线

2、传输电信号。因此，使用时受到电磁场和环境的影响，如环境湿度太大可能引起短路，特别是高温和易燃、易爆环境中易引起火灾等等。另外，由于自身因素的限制，不能实现长期实时监测。四川宜宾南门大桥断裂成三截2001年11月07日凌晨时分至时许，四川宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂，两辆汽车坠入江中，一艘小船被毁，已知人失踪，人受伤。市区南北公路交通和部分通讯中断。光纤传感器分类与研究现状n分类：n一、按传感系统结构分类n二、按被测量分类 光纤传感器按结构分类n光强调制型光纤应变传感器 n偏振型光纤应变传感器n相位调制型光纤应变传感器 光纤传感器按被测量分类n光纤应变传感器 n光纤温度传感器n光纤电压、

3、电流传感器n光纤流量传感器 光纤传感器按应用领域分类n工业用光纤传感器 n农业用光纤传感器n军事业用光纤传感器n水利用光纤传感器n食品工业用光纤传感器n建筑工业用光纤传感器n消防用光纤传感器n医疗用光纤传感器 光纤传感器按结构分类n光强调制型光纤应变传感器 n偏振型光纤应变传感器n相位调制型光纤应变传感器 光强调制型光纤应变传感器最大测量范围为300020，最高分辨率为25 24。图1-2 微弯型光纤应变传感器 图1-3 蚀刻型光纤应变传感器Fig.1-2 Microbend fiber-optic strain sensor Fig.1-3 Etched fiber-optic strain

4、 sensorLELU纤芯包层来至光源至光探测器光纤微弯区粘胶粘胶被测面多模光纤被测物 偏振型光纤应变传感器 图6-5 偏振光纤应变计 Polarimetric optical fiber strain gaugen 最大测量范围34为1200，分辨率为 5 激光器光电检测器起偏器光学准直器透镜透镜 检偏器光 纤被测体 相位调制型光纤应变传感器n麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器n马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器n法布里法布里-珀罗珀罗(Fabry-Perot简写为简写为F-P)光纤光纤应变传感器应变传感器 n光纤光栅传感器常用相位调制型光纤传感结构a)麦

5、克尔逊干涉仪 c)法布里-珀罗干涉仪a)Michelson interferometer c)Fabry-Perot interferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnder interferometer d)Sagnac interferometer 图6-6 各种光纤干涉仪 激光器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器传感臂光探测器匹配液激光器耦合器光纤环光探测器麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器 图6-7 麦克尔逊光纤应变传感器结构 Fiber-optic sensor structure of

6、 Michelsonn最大测量范围36达1500，最高分辨率达2 SL1L2PBSM1M2M3马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器 6-8 马赫-曾德光纤应变传感原理结构 The principle structure of Mach-Zehnders strain sensor 最大测量范围为1200，最高分辨率为2 光电转换传感元件光源参考光纤信号光纤光纤耦合器1光纤耦合器2法布里法布里-珀罗光纤应变传感器珀罗光纤应变传感器 图6-9 F-P型光纤传感器的原理 Principle of F-P fiber sensor 图6-10 光纤本征F-P腔应变传感器 图6-11

7、光纤非本征F-P腔应变传感器 Intrinsic F-P cavity strain sensor Extrinsic F-P cavity strain sensor 激光源光纤耦合器光探测器传感头LM1M2纤芯包层包层 反射 镜多模光纤空芯光纤L单模光纤反射光常用相位调制型光纤传感结构a)麦克尔逊干涉仪 c)法布里-珀罗干涉仪a)Michelson interferometer c)Fabry-Perot interferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnder interferometer d)Sagnac interferometer 图6-12

8、 各种光纤干涉仪 激光器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器传感臂光探测器匹配液参考臂激光器耦合器光纤环光探测器单单F-P腔腔双双F-P 腔腔 FP光纤光栅光纤光栅简化制作工艺简化制作工艺减小体积减小体积消除干扰消除干扰2002FP传感器的发展 a)光纤与被测表面 (b)单模与多模光纤d)多(单)模光纤与金属丝双腔结构 被测表面反射镜L单模光纤反射光多模光纤L单模光纤反射光焊接或(粘接)反射镜毛细玻璃管金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜应变传感光纤空芯光纤反射光纤使输出相位相差90度的间隙图6-12 常用的FP结构光纤F-P应变传感

9、器目前存在的问题n系统线性范围小、线性度差、分辨率低系统线性范围小、线性度差、分辨率低 n光纤传感器抗震动能力差光纤传感器抗震动能力差 n 制造工艺不完善、没有实现产品化、标准制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化化系统线性范围小、分辨率低系统线性范围小、分辨率低图6-13 F-P干涉动态工作特性 dynamic properties of F-P interference 0 5 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 R=0.04 R=0.1 R=0.3 R=0.5 R=0.8 R=0.9 /rad 0II 光纤传感器抗震动能力差光纤传感器抗震动能力差 由于光纤本身对振动极为灵敏，以

10、至于任何小的环境震动都会引起系统信号的变化,这也是光纤传感器实用化的主要障碍。由于光纤传感器的光源波长是微米级，而环境振动和温度和热膨胀也在这个数量级以至今造成无法分清所测的信号是由被测信号的变化还是由环境变化所造成的。激光器耦合器传感臂光探测器匹配液金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜制造工艺不完善、没有实现产品制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化化、标准化 a)光纤与被测表面 b)单模与多模光纤 a)Optical fiber and measured object b)Single mode and multi mode optical fiber c)多模与多模光

11、纤 d)多(单)模光纤与金属丝 c)Multi mode and multi mode d)Multi(single)mode and metal bar 被测表面反射镜L单模光纤反射光多模光纤L单模光纤反射光焊接或(粘接)反射镜毛细玻璃管多模光纤空芯光纤L多模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜非对称本征珐珀干涉仪UIFPILM1M2纤芯包层包层 反射镜)35.0,32.0(12.0,1.0212221rrrr或光源光源表3-1 激光器的参数 Table3-1 Parameter of laser 名称 输出波长(m)输出功率 工作特征 红宝

12、石激光器 0.6943 1050 MW 脉冲 钕激光器 0.81，0.75 1000W 脉冲 钛宝石激光器 0.681.1 脉冲 He-Ne激光器 0.6328，1.15，3.39 mW量级 连续 氩离子激光器 0.488，0.5145 随放电电流变化 连续 CO2激光器 10.6 120kW 脉冲 N2分子激光器 0.3371，0.3577 数十兆瓦 脉冲 1S2L2L2S0w0Z0zwZ 图3-2 谐振腔的高斯光束分析 表3-2 He-Ne激光器的参数指标 Table3-2 Parameter index of He-Ne laser diodes 参数名称 参数标值 参数名称 参数标值

13、工作波长 632.8nm 工作模式 单横模 光束直径 0.48mm 极化方 式 线极化 输出功率?0.8mw 幅度噪 声 优于0.5%发散角 1.7mrad 腔长 200mm 饱和光强 0.3w/mm2 频率稳定性 410-9 光纤光纤 图3-3 光纤的传光机理 c00n2n1k11n021表3-3 不同类型光纤的参数及用途 Table3-3 Parameter and use of different optical fiber 突变型多模光纤 渐变式多模光纤 单模光纤 塑料包层光纤 全塑料 数值孔径 0.30.6 0.20.3 0.1 0.3 0.5 损耗 2 1(=0.85m)400(=

14、0.7m)带宽 20MHz 300M1G 40G 20M 应用范围 短距，低成本 中距离测量 长途检测 短距(几米)n(折射率)纤芯r（截面半径）图 3-4 单模光纤的折射率径向分布 表3-4 单模光纤的技术指标 Table3-4 Performance Parameters of single-mode fiber 主要技术指标名称 技术指标值 主要技术指标名称 技术指标值 光纤损耗 0.34 dB/km 杨氏模量 7.31010N/m2 色散 3.5 ps/kmnm 泊松比 0.17 纤芯直径 50.5m 光弹系数P11 0.126 包层直径 1252m 光弹系数P12 0.270 折射率

15、 1.463 温度范围-6085C 光电探测器光电探测器表3-8 几种光敏器件的特性 Table3-8 Properties of several photosensitive devices 器件名称 光谱范围(m)灵敏度 响应时间表 线性度 光敏电阻 紫外远红外 110A/W 10-61 微光下线性 硅光电二极管 0.41.1 0.40.6A/W 10-910-7 线性 雪崩光电二极管 0.41.1 40500A/W 10-9 线性 硅光电三极管 0.41.1 2050A/W 10-610-5 线性 硅光电池 0.41.1 0.180.3A/W 10-610-3 线性 光电倍增管 紫外远红

16、外 110A/1m 10-9 线性 表3-9 光电检测器的参数指标 Table3-9 Parameter index of photoelectrical detector 参数名称 参数标值 参数名称 参数标值 型号 6328PIN 响应度峰值 700mA/W 响应波段 0.41.1m 暗电流 10nA 量子效率最高波段 0.60.8m 响应时间 1 ns 灵敏度(量子效率)峰值 84%最高工作电压 15v 暗 特 性光增强IIIIVIV-VB/(RL+R1)-VBQ 图3-13 光电器件特性 图6-14 光电二极管 实验装置图光纤应变传感器 a)金属外装结构 b)裸光纤结构 c)埋入式结构 d)针式结构 图5-3 光纤传感头 n性曲线