光纤传感原理PPT讲稿.ppt

《光纤传感原理PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤传感原理PPT讲稿.ppt（22页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光纤传感原理北京交大光信息所北京交大光信息所1 1第1页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所2 2引言引言1 光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术光纤光栅是现代光纤传感中应用最广泛的器件与技术 光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。产生周期性变化，在纤芯内形成空间相

2、位光栅。第2页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所3 3 波长调制型光纤传感器波长调制型光纤传感器 应用：应力、应变、振动、位移、温度、浓度等应用：应力、应变、振动、位移、温度、浓度等 优点优点:小巧、柔软、抗干扰能力强；集传感与传输于一小巧、柔软、抗干扰能力强；集传感与传输于一体、易于制作和应用；波长分离能力强、传感精度和灵敏体、易于制作和应用；波长分离能力强、传感精度和灵敏度极高、能绝对数字测量和精确定位。度极高、能绝对数字测量和精确定位。缺点缺点:检测比较复杂，对光源要求高检测比较复杂，对光源要求高第3页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所

3、北京交大光信息所4 4基本原理与应用基本原理与应用2n n n FBG FBG FBG FBG FBG FBG及其传感原理及其传感原理及其传感原理及其传感原理及其传感原理及其传感原理光纤光纤光纤光纤BraggBraggBraggBragg光栅（光栅（光栅（光栅（Fiber Bragg GratingFiber Bragg GratingFiber Bragg GratingFiber Bragg Grating，FBGFBGFBGFBG）是一种反射）是一种反射）是一种反射）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的型滤波器件，其机理是后向传播的型滤波器件，其机理是后向传播的型滤波器件，其机理是后

4、向传播的LP01LP01LP01LP01模与前向传播的模与前向传播的模与前向传播的模与前向传播的LP01LP01LP01LP01模之间发生耦合，光栅周期一般小于模之间发生耦合，光栅周期一般小于模之间发生耦合，光栅周期一般小于模之间发生耦合，光栅周期一般小于1m1m1m1m。芯层芯层芯层芯层包层包层包层包层包层折射率包层折射率包层折射率包层折射率 n n n n2 2 2 2芯层折射率芯层折射率芯层折射率芯层折射率 n n n n1 1 1 1感光折射率感光折射率感光折射率感光折射率 n n n n1 12 2 2 2 nnnn第4页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光

5、信息所5 5芯层芯层包层包层+1级-1级紫外掩模写入法制作紫外掩模写入法制作紫外掩模写入法制作紫外掩模写入法制作FBGFBG第5页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所6 6折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布a1：纤芯半径；a2：包层半径，n1：纤芯初始折射率；n2：包层折射率；n(r,z）为光致折射率变化；n3一般指空气折射率。F：描述折射率分布在横截面上的精细结构。折射率调制周期折射率调制周期折射率调制周期折射率调制周期UV：紫外光源波长：两相干光束之间的夹角第6页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所7 7由由于于周周期期

6、的的折折射射率率扰扰动动仅仅会会对对很很窄窄的的一一小小段段光光谱谱产产生生影影响响。因因此此，如如果果宽宽带带光光波波在在光光栅栅中中传传播播时时，入入射射光光能能在在相相应应的的波波长长上上被被反反射射回回来来，其其余余的的透透射射光光谱谱则则不不受受影影响响，光光纤纤光光栅栅就就起起到到反反射射镜镜的的作作用用。因因这这类类调调谐谐波波长长反反射射的的现现象象最最早早由由W W BraggBragg爵爵士士提提出出，这这种种光光纤纤光光栅栅被被称称为为光光纤纤布布喇喇格光栅（格光栅（FBGFBG）。）。IFBG反射谱反射谱BI输入谱输入谱IFBG透射谱透射谱B第7页，共22页，编辑于20

7、22年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所8 8FBGFBG的反射谱的中心波长：的反射谱的中心波长：的反射谱的中心波长：的反射谱的中心波长：n neffeff ：光纤芯区有效折射率：光纤芯区有效折射率 ：光纤光栅的周期即栅距：光纤光栅的周期即栅距 因光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界因光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折条件如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：传感传感传感传感原理原理原理原理第8页，共22页，编辑于2022年，星期

8、四北京交大光信息所北京交大光信息所9 9 光纤光栅中心波长的变化与温度、应变的关系：光纤光栅中心波长的变化与温度、应变的关系：热膨胀系数：弹光系数：热光系数 光纤光栅在实际应用中通常是封装在压力或温度增敏材光纤光栅在实际应用中通常是封装在压力或温度增敏材料中，以提高检测的精度。料中，以提高检测的精度。第9页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1010 光纤光栅传感解调原理光纤光栅传感解调原理A.A.匹配光纤光栅解调法匹配光纤光栅解调法u 选用一个与传感光纤光栅 FBG1 参数相近的光纤光栅 FBG2（匹配光栅）作为检测光栅，使两个光栅的反射谱部分重叠，即设置合适

9、的偏置传感光纤光栅的输出信号为检测光纤光栅的输入信号。输出信号、输入信号都隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。第10页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1111当光纤光栅受到外界微扰时，其输出反射谱在一定范围内漂移；而解调光栅的反当光纤光栅受到外界微扰时，其输出反射谱在一定范围内漂移；而解调光栅的反射谱是相对固定的，当传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有在两光栅射谱是相对固定的，当传感光栅的输出反射谱输入给解调光栅时，只有在两光栅反射谱重叠部分范围内的光波才能被反射，重叠面积与反射谱光强度成正比反射谱重叠部分范围内的光波才能被反射，重叠面积与反射谱光强度成

10、正比当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较强，反之当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较强，反之则较弱，检测器检测到的光强是传感光纤光栅则较弱，检测器检测到的光强是传感光纤光栅FBG1FBG1和匹配光纤光栅和匹配光纤光栅FBG2FBG2两个光谱函数的卷积。因此对两个光谱函数的卷积。因此对FBG1FBG1上的微扰，在上的微扰，在 FBG2 FBG2的反射谱的反射谱中可检测到对应的光强变化的信号。中可检测到对应的光强变化的信号。第11页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1212B.F-PB.F-P腔波长滤波解调法腔波长滤波解调法u 解调

11、装置采用调谐腔长的方法，在透射光强达到最大值时求出入射波长。第12页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1313n n n FBG FBG FBG FBG FBG FBG传感基本术语传感基本术语传感基本术语传感基本术语传感基本术语传感基本术语 传感器波长：传感器波长：FBGFBG反射谱的中心波长反射谱的中心波长 传感器带宽：传感器带宽：FBGFBG反射谱的带宽（反射谱的带宽（3dB3dB）0.2-0.3nm0.2-0.3nm 反射率：反射光功率的比例，决定信号强度反射率：反射光功率的比例，决定信号强度 90%90%。边模抑制边模抑制:对光谱旁瓣的抑制能力，对光谱

12、旁瓣的抑制能力，15dB15dB第13页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1414n n n FBG FBG FBG FBG FBG FBG传感应用概述传感应用概述传感应用概述传感应用概述传感应用概述传感应用概述 FBG FBG具有多传感器复用能力，在准分布测量、多参数组合测具有多传感器复用能力，在准分布测量、多参数组合测量等方面显现出诱人的前景，在复合材料固化监控、大型土建量等方面显现出诱人的前景，在复合材料固化监控、大型土建结构内部应变分布及大型设备内部应力、温度分布状态监控等结构内部应变分布及大型设备内部应力、温度分布状态监控等方面具有广阔的应用前景。方

13、面具有广阔的应用前景。第14页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1515 通过在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波通过在一根光纤上根据应用要求刻写多个不同布喇格波长的光栅，可实现分布式传感，而且可以实现单端检测；长的光栅，可实现分布式传感，而且可以实现单端检测；同时还能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对同时还能进一步集合成分布传感网络系统，广泛应用于对工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形工程结构的应力、应变、温度等参数以及内部裂缝、变形等参数的实时、在线、分布式检测。等参数的实时、在线、分布式检测。目前，光纤光栅传感器在桥梁安全监

14、测方面占绝对地位。目前，光纤光栅传感器在桥梁安全监测方面占绝对地位。加拿大加拿大Beddington Trail Beddington Trail 大桥最早使用（大桥最早使用（19931993年），年），1616个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测。第15页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所161619991999年夏，美国新墨西哥年夏，美国新墨西哥Las Cruces10Las Cruces10号高速公路的一座钢号高速

15、公路的一座钢结构桥梁上，安装了结构桥梁上，安装了120120个光纤光栅传感器，创造了当时的记个光纤光栅传感器，创造了当时的记录。这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和录。这套光纤光栅传感系统不仅可以对标准车辆进行探测和计数，而且可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能计数，而且可以测量车辆的速度和重量，有了此系统，就能监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交监视动态荷载引起的结构响应、退化和损坏，了解桥梁对交通响应的长期变化。通响应的长期变化。第16页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所17171.1.深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测

16、系统；深圳市民中心大厦光纤光栅智能健康监测系统；2.2.襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；襄樊汉江四桥锚索光纤光栅应力监测系统；3.3.宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；宝钢一炼钢厂吊车行架光纤光栅应力分布测量系统；4.4.巴巴东东长长江江大大桥桥双双塔塔光光纤纤光光栅栅和和应应力力施施工工监监测测系系统统长长 期智能健康监测系统；期智能健康监测系统；5.5.海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；海口世纪大桥光纤光栅长期健康监测系统；6.6.贵贵阳阳冷冷饭饭盒盒大大桥桥光光纤纤光光栅栅预预应应力力施施工工监监控控系系统统及及长长期期智能健康系统。智能健康系统。第17页，共22页

17、，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1818光连接器调制解调器显示仪表计算机 使使用用现现场场控控制制室室内内传输光缆连接光缆FBG探头光纤光栅监测报警系统结构示意图光纤光栅监测报警系统结构示意图光纤光栅监测报警系统结构示意图光纤光栅监测报警系统结构示意图第18页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所1919煤矿安全生产监控系统煤矿安全生产监控系统第19页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所2020FBGPFBGP系列压力传感器系列压力传感器 FBGPXXX11型光纤光栅压力计通过端头导压孔将压力传递到敏感元件

18、，通过检测敏感元件光纤光栅反射的光信号波长的移动量得出实际压力值。具有全光测量和信号传输、现场不供电、不受雷击、不受电磁干扰、超长使用寿命等特点。FBGPXXX11型光纤光栅压力计可用于管道和压力容器内油、水、气等不同介质的压力测量。应用领域：仪器特点：工业生产过程控制 高精度 压力容器测量 长期可靠 油、水、气压力测量 全光检测，不受电磁干扰 油罐内油气压力监测 可进行差压及绝对压力测量第20页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所2121内容小结内容小结3n n光纤光栅传感的特点；n n光纤光栅传感原理及其应用；n n光纤光栅传感的应用潜力。第21页，共22页，编辑于2022年，星期四北京交大光信息所北京交大光信息所2222谢谢谢谢 !Thank you!Thank you!第22页，共22页，编辑于2022年，星期四