第九章 光纤传感器2010.ppt

第九章 光纤传感器(FOS)Fiber Optical Sensor 主要特点 光导纤维的基础知识 光纤传感器实例 9.1 光纤传感器的分类及特点 主要特点 1．抗电磁干扰力强 ，电磁干扰频率低，光波易屏蔽。 2．灵敏度高，一般都优于同类常规传感器、甚至高几个数量级。 3．光纤集传感与信号传输与一体，利用它很容易构成分布式传感测量。 4．光纤细且柔韧好，适于到机器内部或人体内部进行检测。 测量对象、位移、液位、压力、流量、温度、电流、电压、气体、磁场和核辐射 光导纤维的基础知识 1 光纤的结构 n2略小于n1、相对折射率差⊿=1-n2/n1通常为0.005~0.140。 2 工作原理 光导纤维的基础知识 式中的n0Sinθc称为光纤的数值孔径、用NA表示。满足全反射条件时、反射可达0.9995。 光导纤维的基础知识 光纤类种. 玻璃光纤 塑料光纤 单模光纤 多模光纤。 一个往复（入射和反射）中相位变化为2π的整倍数，就能形成驻波，只有驻波并在2θc光锥角内射入光纤的光才能在光纤中传播、一种驻波就是一个模 常用光纤类型及参数 9.2 光纤传感器的工作原理 1.光强调制方式 光吸收特性（气敏传感器） 2.偏振调制方式 法拉第效应（磁场） 波克尔斯效应（若在晶体上加电场，则晶体对光的折射率发生变化，其变化大小与电场强度成比率） 弹性效应（在弹性体内产生应变，弹性体折射率发生变化） 3.频率调制方式 多普勒效应 拉曼散射（分子振动，得到低于或高于原频率的光） 光致发光效应（激励电子与价电子带的空穴复合，辐射出与禁带宽度相对应波长的光）。 4.相位调制方式 长度变化、折射率变化导致相位变化 弹性效应 9.3光纤温度传感器 通/断型温度传感器 液晶式光纤温度传感器 9.4光纤声压与压力传感器 1.光纤功能型声压传感器 光检测器的电流变化量ΔI，信号光强度Pr，参照光强度Ps，声波产生的相位变化量Δφ，p是压力变化的大小。 2.光纤血压传感器 反射式光纤位移传感器 9.7 光纤电压与电场传感器 电流传感器 光偏振态调制型 法拉第[磁旋]效应处在磁场中的光纤会使其中传播的光发生偏面的旋转 θ=KrHL Kr-光纤的（Verdent）费尔德常数(材料的固有常数） H-磁场强度 L-光纤长度 截流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律 H=I/2πR R半径 设两垂直偏振光接受强度分别为IV1、IV2。我们可以得到一个于旋光角度θ成正比的参数 光纤器件 在长途光纤干线中，由于中继放大和交换等环节受到电子器件对码速的限制，制约了光纤通信总容量的提高，全光通信构思应运而生，即各种光器件以光纤为载体来实现信号的传输及处理功能，例如将掺铒光纤激光器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤耦合器、光纤光栅滤波器、光纤环行器以及其它各种高性能的全光纤器件组合到一条传输光纤中，方便地在一条光纤线路上同时实现对不同波长信道的复用和解复用。 光纤光栅 所谓光纤的光敏特性是指在紫外光照射下，光纤的折射率随光强发生变化的特性。基于光敏特性，可以将特定的光栅结构写入到光纤中，如图1，形成满足各种应用要求的光纤光栅器件。 分布式光纤温度测量系统——DTS ????Sentinel-DTS主机代表着目前国际上的最高水平，无论在温度分辨率、空间分辨率、测量距离，还是测量时间上都高于其他公司的产品，目前共包括6款产品，用户可以针对自己的用途，选择相应的型号。Sentinel-DTS 的温度分辨率可以达到 0.01℃ 是目前国际上最好的，极大的扩展了DTS的应用。其中DTS-FR的空间分辨率为30cm特别适合于高水平的科学研究，特别是大坝监测；?DTS-XR的测量距离达到了30km，但是空间分辨率和温度分辨率都没有下降，适合超长距离的监测。 特点：?????? 整条光纤既传输信号又感应被测量???????? 测试距离远：可达 30km???????? 空间分辨率高：从 10cm 到 1m???????? 温度分辨率：可达 0.01℃???????? 特殊设计的传感光缆?????? * * 光线在光纤内产生全反射、多次反射传至另一面、满足全反射的入射光、 式中 K---与光纤本身特性有关的参数，此法可测电流达10KA。