光纤传感器课程.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,光 纤 传 感 技 术 讲 解 大 纲,一、概论,光纤的发展与动态,光纤技术的发展与动态,光纤传感的原理与分类,光纤传感的特点,二、光纤传感技术的有关基本概念,光纤传光原理,模式及其对光纤传光的影响,三、传感器的调制技术,强度调制,相位调制,偏振态调制,频率调制,波长调制,四、,光纤干涉仪,马赫,曾德尔光纤干涉仪,萨格纳克光纤干涉仪,迈克尔逊光纤干涉仪,法布里,珀罗光纤干涉仪,五、光纤传感器的解调技术,强度解调,相位解调,偏振态解调,频率解调,波长解调,六、光纤传感器系统的设计,光纤传感器系统的组成,光纤传感器系统的设计原则,光纤传感器系统的分类,七、光纤传感器的应用,一、概 论,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,年美国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 SiO,2,芯光纤,1973,年美国贝尔实验室用化学沉积法（,CVD,）制光纤,1978,年对,1.5m,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，美国最先发表,FOS,文章,1981,年美国召开光纤陀螺会议,1981,年英国第一届国际,FOS,会议,1984,年西德第二届,FOS,会议,1986,年美国第三届,FOS,会议,1988,年日本第四届,FOS,会议,1989,年美国第五届,FOS,会议,2000,年意大利第十四届,FOS,会议,光 纤 的 结 构,光纤的结构,n,1,n,2,n,2,n,1,n,2,纤芯,包层,涂覆层,护套,1212,光纤阵列,聚乙烯外壳,聚烯烃双绞线,纸,聚乙烯内壳,光纤带,抗应变的钢索,光 缆 的 结 构,光纤传感器的基本原理,将被测参量转换为,光信号参数的变化,光纤传感器的调制和解调技术,强度、相位、频率、波长等的调制和解调,光纤模式及其对光信号传输的影响,n,2,n,1,多模,阶跃光纤,n,r,多模,梯度光纤,n,2,n,1,单模,梯度光纤,光 纤 传 感 技 术,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,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,光纤传感器的传光原理,全反射,n,1,n,2,入射角,法线,n,1,n,2,光纤传光与数值孔径,n,0,2,0,0,n,2,n,1,三、光纤传感器的调制技术,I.,强 度 调 制,强度调制示意图,I,P,0,t,输出,输入,光源,探测器,横向,光源,探测器,纵向,光源,角度,探测器,光源,差动,探测器,探测器,1.,利用小的线位移或角位移进行强度调制,2.,反射式强度调制,(a),传光束,(b),双光纤,(c),单光纤,x,I,(d),位移与光强曲线,（传光束,/,双光纤）,(e),位移与光强曲线,（单光纤）,x,I,x,x,x,变形器,光纤,(a),压力传感器,F,F,S,D,(b),微弯传感器,力,变形器调制器,光纤,S,D,支点,3.,利用微弯产生损耗进行强度调制,无包层纤芯,n,0,反射光,入射光,液,n,i,n,0,反射面,包层,(a),温度传感器,油滴,液,光,液,散射光,(b),水中含油量检验,4.,利用折射率变化进行强度调制,通过被测参量调制光纤中光的相位的原理，称为相位调制。,讨论：,光敏器件不能直接测量相位变化，需通过干涉变化后方可测量。,光波的相位由光纤波导物理长度、折射率及分、布波导模的几何尺寸的参量所决定。,压力、温度、张力等被测参量可直接改变上述波导参量。,II.,相 位 调 制,讨论：,光敏器件不能直接测量光的偏振态，必须通过起偏器和检偏器才能检测其偏振状态。,偏振态调制主要是利用物质的旋光性、法拉第效应、克尔效应、光弹效应等。,III.,偏 振 态 调 制,旋光物质,1.,旋光性,光 源,D,1,D,2,高 通,低 通,PZT,3dB,磁性材料,3dB,H,+,-,2.,利用磁致伸缩效应的传感器,3.,克尔效应（电感应器件）,光纤电压传感器,克尔盒,光源,起偏器,电场,U,检偏器,光,电器件,式中,:I,出射光强,I,0,入射光强,L,光在克尔盒中的光程长度,U,外加电场,d,电场极间距离,K,克尔常数,沿,MN,方向存在压力或张力时，,o,、,e,光折射率差与外压强关系为,式中，,P,为外压强，,K,为光弹系数。,若光波通过物质厚度为,L,，则产生相位差,其中,为光波长。,则出射光强为,光源,起偏器,补偿器,检偏器,应力材料,M,F,N,F,4.,光弹效应,IV.,频率调制,激光器,布喇格盒,f,0,f,0,f,1,f,0,-f,1,f,0,-f,1,f,0,f,混频器,探测器,信号处理电路,输出,f,1,f,V.,波长（颜色）调制,讨论：,波长调制就是利用被测参量改变光纤中的波长。,波长调制不受光强变化影响，但解调技术较复杂。,波长调制主要有热,-,色调制和位移,-,波长调制。,光 强 度,I,75,50,25,400nm,800nm,波长,（,nm,）,1.,利用热色物质的颜色变化进行波长调制,D,1,/D,2,温度,D,1,D,2,655nm,800nm,白光,氯化钴溶液,2.,利用黑体辐射进行波长调制,D,1,D,2,铱金薄膜,透镜,窄带滤波器,温度,蓝宝石光纤,黑体腔,Al,2,O,3,薄膜,3.,利用位移进行波长调制,S,D,（,b,）光栅旋转,（,a,）位移,红光,蓝光,入射光,（,c,）衍射板位移,衍射板,S,D,四、光纤干涉仪,根据双光束相干原理，两个光电探测器接受光强分别为,式中，,I,0,为光强，,a,为耦合系数，,s,为被测参数引起的相移。,激光器,信 号,处理电路,D,2,S(t),3dB,1,3dB,2,D,1,1,马赫,曾德尔光纤干涉仪,光分路器,光干涉仪,光开关集成示意图,即：,式中：,为角速度，,为光源波长，为相位移，,c,为光速，,A,为光纤陀螺面积，,N,为光纤圈的个数,目前，的测量水平可达,10,-11,10,-12,水平，可取,10,-10,，,为,1.5 10,-6,米，,c,为,3 10,8,米,/,秒，,A 2 10,-3,米,2,，,N=10,3,，代入式，可得,2.,萨格纳克光纤干涉仪,激光器,光探测器,3dB,(a),R,1,2,T,(b),激光器,光探测器,反射镜,可动端,S,0,(t),3dB,式中，为两光纤臂相位差（包括被测参量引起的相位差）。,3.,迈克尔逊光纤干涉仪,聚合物,反射式,镜面,聚合物,玻璃衬底,镜面,固体材料,空气腔,金属管,环氧,镜面,白光,棒状透镜,输出光纤,d,输入光纤,I,其输出光强为,式中，,I,0,为入射光强，,T,为镜面透射率，,R,为镜面反射率，,为相邻光束相位差，,F,为精细度，,其中，,n,为腔内介质折射率，,为腔内光线与法线的夹角，,d,为两镜面之间距离。,4.,法布里,珀罗（,FP,）光纤干涉仪,五、光信号的解调技术,D,1,D,2,锁相放大,信号,S,d,（,t,）,S,0,（,t,）,参考信号,LD,S,0,（,t,）,斩波器,振幅调制器,探测器,D,1,锁相放大,探测器,D,2,锁相放大器中,PSD,（相敏控波）实现调制信号和参考信号相乘，经低通滤波后即可得比例于被测信号的解调信号,S,0,（,t,）,。,结 构 框 图,1.,强度解调,单光路微弱光信号解调,He-Ne,D,1,D,2,D,0,锁相放大,+,-,目的：消除光源光强波动的影响。,双光路弱光信号,被动零差法,相位跟踪零差法,外差法,2.,光波相位解调,被动零差法,激光器,D,1,D,2,+,-,相位检测,A,PIT,讨论：,1.,被动零差法是给,PIT,输入一固定调制信号。,2.,相位跟踪零差法是根据相位检测系统的输出给,PI,下一变化的调制信号，使干涉信号总是在（,/2,）附近，这样，灵敏度提高。,I,t,外差法,D,中放,限频器,鉴频器,基带放大器,输出,本振激光器,低通滤波器,f,D,f,L,f,S,信号,参考光路由布拉格盒引入外频率,f,1,，使参考光频率为,f,0,为原有激光频率,信号光为,f,S,为多普勒频移,信号光与参考光混频，输出电信号频率为,式中：可由频谱仪测得。,讨论,：外频率引入是为了识别被测物体方向。,3.,频率检测（解调）,零差解调,M,He-Ne,D,频谱分析仪,光纤,SM,M,反射参考光,信号光,探测器,D,得到,其光强为,式中 为多普勒频移,探测器的输出频率为,的电信号进频谱分析仪，即可求,的大小，进而求,f,S,，代入多普勒公式,即可求得速度,V,。,讨论,：,零差法只能求,V,的大小，不能测方向。,4.,波长（颜色）解调,二波长单光路解调,2,1,D,1,=0.558m,，,2,=0.600m,二波长检测系统中，一种颜色是不变的作参考，另一种颜色受外界（,PH,变化）调制。,二波长双光路解调,输出,D,1,D,2,+,D,1,/D,2,-,1,2,光纤,黑体,单光路一个光敏器件对不同波长的灵敏度不同,5.,光谱仪解调,测量系统,光栅,CCD,计算机,光纤,在波长检测中，二波长强度之比 不足以反应全部信息解调,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,1.,光纤传感系统的组成,光调制器,光源及,光敏器件,被测参量,光连接器,光纤,解调器,电连接器,信号处理,组成：传感器、传输系统、探测系统,六、光纤传感器系统与设计,一、,传感器的设计：,根据被测量、灵敏度、动态范围、噪声与干扰要求。,根据被测量地点分布决定传感器位置分布与结构。,根据被测量的要求决定是数字量还是模拟量。,二、传输系统的设计：,根据传感器的阵列决定传输方式。,根据传感器的通道数决定供电和频响等。,考虑传输系统噪声、环境温度、现场条件决定光缆要求,2.,光纤传感器的设计原则,三、探测系统的设计：,根据调制光所携带信息要求选择光电探测器的类型与参数。,根据传输系统要求，需要对多路信号分离解调。,对数字化数据需进行译码，以便将脉冲代码换为模拟代码。,根据整个光路的衰减，计量、复核光源与探测系统的选择。,时分多路系统,输入脉冲,光源,S,1,S,2,S,n,D,输出脉冲系列,S,1,S,2,S,n,3.,光纤传感器系统的分类,连续光源,S,1,S,2,S,n,探测器阵列,光源,树状耦和器,探测器阵列,S,1,S,2,S,n,（,1,）压,光多路传输,S,1,S,2,S,n,多路开关与压频变换,LED,光,电,光纤,多路传输系统,（,2,）波分多路传输,S,1,S,2,S,n,波长分路器,D,1,D,2,D,n,1,2,n,波长耦合器,光源,S,D,活连接,熔接连接,几种活连接,13dB/,个熔接连接,0.11dB/,个插入损耗光纤长度损耗其它损耗（温度影响等）光源衰减的损耗,衰减计算：,七、光纤传感器的应用,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,CH,4,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,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,S,1,S,2,S,3,S,n,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,S,1,T,1,S,2,T,2,S,3,T,3,S,n,T,n,波形图,S,0,（,t,）,S,0,（,t,）,t,t,t,t,t,t,激光光强信号,斩波后光信号,被测信号,S,0,（,t,）,参考信号,锁相放大器输出解调信号,S,0,（t）,被测信号被斩波调制后信号,S,0,（t）,传感信号光纤传输网络,0,10mA,0,5V,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,LED,PIN,光纤,光纤温度传感器,阻光型,LED,PIN,光纤,砷化镓片,光纤,T,1,T,2,T,3,T,2,I,T,3,T,1,LED,光纤温度传感器,折光型,LED,PIN,n,1,n,2,n,2,随温度变化,n,2,点式光纤液位传感器,适用于,高、低液位报警,密封加油控制,LED,PIN,液体,LED,PIN,液体,光纤高温温度传感器,光谱型,PIN1,PIN2,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,蓝宝石光纤干涉仪,R1,R2,蓝宝石光纤引入端,高温粘合剂,蓝宝石套管,分路器,信号处理,蓝宝石光纤,凝胶,LED,3dB,耦合器,光纤与蓝宝石连接点,传感头,光纤气体成分传感器,R,光纤,传感头,参考频率,LED,PIN,锁相放大器,混,气,室,N,2,O,2,流量计,光纤化学成分传感器,R,光纤,传感头,参考频率,LED,PIN,锁相放大器,t,I,光纤光谱传感器,光 源,出口,待测气体,white,室,探测器,信号处理,光纤涡流流量计,重物,水管,振动频率,其中：,V,为流速,d,为非流线性物体横向尺寸,S,为常数,通过相位掩膜制作光纤光栅的原理,pu,UV,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,用于,Beddington Trail,大桥的四路光纤布喇格光栅传感解码系统,光纤陀螺,（,FOG,）,的原理,SLD,Detector,Coupler,Phase modulator,Polarizer,CCW,CW,Sagnac,效应,