第5章新型传感器原理5.4-5.6.pptVIP

5.5.5 频率调制型光纤传感技术 频率调制型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；以及利用光致发光的温度传感器等。 实例1：血液流速测量 实例2：振动测量 图 5.26 血液流速检测工作原理图 图 5.27 激光光纤多普勒测振系统 5.5.6 波长调制型光纤传感器技术 波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。 图5.28 波长调制型光纤传感器的基本原理 1 光纤PH值探测技术 这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值. 图 5.29 光纤PH值探测技术 2.光纤荧光探测技术 图 5.30 光纤荧光测温系统结构 上述系统包括三个部分：光学系统、光纤探头和信号处理系统。此测量系统采用稀土荧光材料作为 光纤探头，其激励光谱和荧光光谱如图5.31所示，通过测量源于不同激发态的两条谱线（540 nm和630nm）的发光强度，就可以从光强比导出被测温度。 图 5.31 荧光物质激励光谱与荧光光谱 3. 光纤黑体辐射探测技术 通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Plank)公式表述. 所谓“黑体”、就是能够完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。 图5.32是蓝宝石光纤传感系统的测温原理，当传感头置于待测温场中时，由于传感头热容小，能迅速与待测温场达到热平衡，腔体辐射的能量经石英光纤传给光电检测系统，通过检测光电信号便能确定温场的温度。 图 5.32 蓝宝石高温光纤传感系统结构 图 5.33 光电探测器相对光谱灵敏度 5.5.7 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感技术就是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量。 分布式光纤传感分为两类： 1）以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式。 2）以光波长检测为基础的波域分布式。 1. 基于背向瑞利散射的分布式光纤传感技术 光纤中的光散射主要包括瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布里渊散射（Brillouin Scattering）三种类型的光散射。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图5.33所示。 图 5.33 基于背向瑞利散射的分布式光纤传感系统 2. 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术 图 5.34 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器 3. 基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术 该传感器的一般形式是，光的入射与探测分别处于光纤的两端。如果传感光纤支持不同传播速度的两种传输模，那么在一定外界条件的作用下，光纤本征传输模的一部分能量就会耦合到另一传输模中去。因此在光纤另一端输出的耦合模的强度就能反映出被测量的大小，两传输模之间的延迟时间则反映出耦合点的位置。 4. 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术 1）基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术： 图 5.35 基于BOTDR的分布式光纤传感系统 传统方法测量 布里渊谱线是利用 法布里－珀罗干涉 仪，但由于干涉仪 工作不稳定且自发 布里渊散射信号相 当微弱（比瑞利散 射约小两个数量级） 检测比较困难，因 此，测得的布里渊 频移往往不够准确。 改进相干检测方法得到了相干自外差BOTDR系统，其原理图示于图5.37。 图 3.37 相干自外差BOTDR系统原理框图 2）基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术 当两束泵浦光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移 时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放大作用。BOTDA技术便应用了这一原理，采用两个光源分别作为泵浦脉冲光和探测连续光，其信号可以是布里渊增益信号，也可以是布里渊损耗信号。其基本框图如图5.38所示。 图 5.38 基于BOTDA的分布式光纤传感系统框图 3）基于布里渊光时域分析技术（BOFDA）分布式光纤传感技术 基于布里渊频域分