《光纤式传感器》PPT课件.ppt
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1、电气测试技术电气测试技术电电子信息与自子信息与自子信息与自子信息与自动动化学院化学院化学院化学院贺晓贺晓蓉蓉蓉蓉10/26/20221光纤作为远距离传输光波信号的媒质,最初的研究是用于光通信技术光纤作为远距离传输光波信号的媒质,最初的研究是用于光通信技术中。用于传感器技术始于中。用于传感器技术始于1977年,至今光纤传感器已日趋成熟。光纤年,至今光纤传感器已日趋成熟。光纤传感器与传统的传感器相比具有许多优点:灵敏度高、电绝缘性能好、传感器与传统的传感器相比具有许多优点:灵敏度高、电绝缘性能好、结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光路可弯曲、便于实现结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰、光
2、路可弯曲、便于实现遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。可广泛用于位移、速度、加速度、压遥测、耐腐蚀、耐高温等特点。可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测力、温度、液位、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等物理量测量,发展极为迅速,在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学量,发展极为迅速,在制造业、军事、航天、航空、航海和其他科学技术研究中有着广泛的应用。技术研究中有着广泛的应用。4.9 4.9 光纤传感器光纤传感器 概述概述 10/26/20222光光纤纤传传感感器器一一般般由由光光源源、光光纤纤、光光电电元元件件等等组组成成。根根据据光光纤纤传
3、传感感器器的的用用途途和和光光纤纤的的类类型型,对对光光源源一一般般要要提提出出功功率率和和调调制制的的要要求求。常常用用的的光光源源有有激激光光二二极极管管和和发发光光二二极极管管。激激光光二二极极管管具具有有亮亮度度高高,易易调调制制,尺尺寸寸小小等等优优点点。而而发发光光二二极极管管具具有有结结构构简简单单和和温温度度对对发发射射功功率率影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源。影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源。10/26/20223光纤检测型光电传感器光纤检测型光电传感器作业件检测作业件检测颜色检测颜色检测10/26/20224光光纤纤是是用用光光透透射射率率高高的
4、的电电介介质质(如如石石英英、玻玻璃璃、塑塑料料等等)构构成成的的光光通通路路。光光纤纤的的结结构构如如图图所所示示,它它由由折折射射率率n1n1较较大大(光光密密介介质质)的的纤纤芯芯,和折射率和折射率n2n2较小较小(光疏介质光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤的基本结构与波导光纤的基本结构与波导 结构及类型结构及类型1.结构结构10/26/202252.分类分类单模光纤的折射率分布是单模光纤的折射率分布是阶跃型的,但光纤的光学阶跃型的,但光纤的光学尺寸很小,只能传输单模尺寸很小,只能传输单模光波,是一种超宽带光纤;光波,是一种超宽带光纤;多模光纤能传
5、输数百种模多模光纤能传输数百种模式。式。按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律,光纤可分按照光从纤芯到包层的折射率的变化规律,光纤可分为阶跃型、渐变型和单模型三种。为阶跃型、渐变型和单模型三种。图4-128 光纤的类型10/26/20226物物性性型型光光纤纤传传感感器器是是利利用用光光纤纤对对环环境境变变化化的的敏敏感感性性,将将输输入入物物理理量量变变换为调制的光信号。换为调制的光信号。1 1)物性型(功能型)光纤传感器)物性型(功能型)光纤传感器光纤一方面起传输光的作用,另一方面是敏感元件,是靠被测物理量光纤一方面起传输光的作用,另一方面是敏感元件,是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性,
6、把被测物理量的变化转变为调制的光信调制或影响光纤的传输特性,把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此光纤具有号。因此光纤具有“传传”和和“感感”的功能。光纤的输出端采用光电器的功能。光纤的输出端采用光电器件,所接受的光信号便是被测量调制后的信号,并使之转变为电信号。件,所接受的光信号便是被测量调制后的信号,并使之转变为电信号。此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高,但是,它需用特殊光纤和此类传感器的优点是结构紧凑、灵敏度高,但是,它需用特殊光纤和先进的检测技术,因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器先进的检测技术,因此成本高。其典型例子如光纤陀螺、光纤水听器等。等。按照光的作用分类按照光
7、的作用分类信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器10/26/20227图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图(a)(a)所所示为光纤在均衡压力作用下,由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺示为光纤在均衡压力作用下,由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化,从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转寸的变化,从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图图(b)(b)所示为光纤所示为光纤在点压力作用下,引起光纤局部变形,使光纤由于折射率不连续变化导致传在点压力作用下,引起光纤局部变形,使光纤由于折射率不连续变化
8、导致传播光散乱而增加损耗,从而引起光振幅变化。播光散乱而增加损耗,从而引起光振幅变化。在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化,就可以制作温度、在光纤的输出端采用适当的光电检测元件检出光强的变化,就可以制作温度、压力、振动、位移等传感器。压力、振动、位移等传感器。强度调制强度调制10/26/20228 结结构构型型光光纤纤传传感感器器是是由由光光检检测测元元件件与与光光纤纤传传输输回回路路及及测测量量电电路路所所组组成成的的测测量量系系统统。其其中中光光纤纤仅仅作作为为光光的的传传播播媒媒质质,所所以以又又称称为为传传光型或非功能型光纤传感器。光型或非功能型光纤传感器。2 2)结构型
9、(非功能型)光纤传感器)结构型(非功能型)光纤传感器在非功能型传感器中,光纤不是敏感元件,即只在非功能型传感器中,光纤不是敏感元件,即只“传传”不不“感感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间,放置光学材料及机械式它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间,放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变化。或光学式的敏感元件,感受被测物理量的变化。此此类类光光纤纤传传感感器器无无需需特特殊殊光光纤纤及及其其他他特特殊殊技技术术,比比较较容容易易实实现现,成成本本低低,但但灵灵敏敏度度也也较较低低,应应用用于于对对灵灵敏敏度度要要求求不不太太高高的的场场合合。目目前前,已已实实用用化化或
10、或尚尚在在研研制制中中的的光光纤纤传传感感器器,大大都都是是非非功功能能型型的的。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤10/26/202293 3)拾光型光纤传感器)拾光型光纤传感器用用光光纤纤作作为为探探头头,接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象10/26/202210分为:强度调制型、偏振调制、频率调制、分为:强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制。1 1)强度调制型光纤传感器
11、)强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化,而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗;各各物物质质的的吸吸收收特特性性;振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化;物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象;以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调
12、制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点:结构简单、容易实现,成本低。优点:结构简单、容易实现,成本低。缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式10/26/2022112 2)偏振调制光纤传感器)偏振调制光纤传感器 是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器;利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶
13、晶体体内内传传播播的的泡泡尔尔效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器;利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器;以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传传感感器器。这这类类传传感感器器可可以以避避免免光光源源强度变化的影啊,因此灵敏度高。强度变化的影啊,因此灵敏度高。3 3)频率调制光纤传感器)频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应来进行监
14、测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器;利用物质受强光照的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器;利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器等。10/26/202212图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统。该系统主要由激光光源、图所示为激光多普勒效应速度传感器测试系统。该系统主要由激光光源、分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。分光器、光接收器、频率检测器及振动物体等部分组成。当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时,接收到的声
15、波频率与入当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时,接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应光学多普勒效应,是奥地利学者多普勒,是奥地利学者多普勒于于18421842年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时,光波在该点被运年发现的。当单色光束人射到运动体上某点时,光波在该点被运动体散射,散射光频率与入射光频率相比,产生了正比于物体运动速度动体散射,散射光频率与入射光频率相比,产生了正比于物体运动速度的频率偏移,称为的频率偏移,称为多普勒频移多普勒频移。10/26/202213其工作原理为其工作原理为:由激光光源由激光光源(氢氢-氦激光氦激光)发
16、出的光发出的光(频率为频率为f fi i)导入光导纤维,经导入光导纤维,经过分光镜后,光线通过光纤射向振动物体,由于振动物体过分光镜后,光线通过光纤射向振动物体,由于振动物体(被测体被测体)振动,产振动,产生散射生散射(频率为频率为f fs s),被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为,被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为 式中,式中,f fi i为入射光频率,即激光源频率;为入射光频率,即激光源频率;f fs s为散射光频率;为散射光频率;n n为发生散射介质为发生散射介质的折射率;的折射率;为入射光在空气中的波长;为入射光在空气中的波长;为被测物体的运动速度。为被测物体的运动速度
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