光纤通信的技术 第11章 课件.pptxVIP

第11章 光纤传感技术光纤传感技术概述 光纤传感器的基本构成 光纤传感器的分类方法光纤传感器的工作原理11.1光纤传感技术概述从20世纪70年代，低损耗光纤问世以来，光纤通信技术蓬勃发展，与此同时，光纤传感技术也在迅速发展，目前处于研究和应用并存的阶段。光纤传感技术是以光为载体、以光纤为信号传输介质、感知和传输外界被测信号的新型传感技术。与传统的机械或者电子等传统型传感器相比，光纤传感器在传感方式、传感原理及信号的检测与处理等方面都有很大的差异。光纤传感器与传统传感器相比，具有如下优点：（1）抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀。作为传感介质的光纤或光纤器件，起主要材料为二氧化硅，是本质安全的，不受电磁干扰，也不影响外界的电磁场，可在条件比较恶劣的环境中（如强电、石油、化工、冶金等高辐射、高腐蚀、易燃易爆的场合）进行非接触式、非破坏性以及远距离的有效传感。（2）灵敏度高。有效设计的光纤传感器（如利用光纤干涉技术）可以使光纤传感器实现非常高的灵敏度。（3）体积小、质量轻、可塑性强。光纤作为传感器的主要部分，其体积小、质量轻，而且可以在一定程度下弯曲，因此可以随被测物体形状改变走向，能最大限度的适应被测环境。（4）可测参量多、对象广。通过不同的调制和解调技术，光纤传感器可以实现多种参量的测量。除了应力、温度、电流、电压等传统传感领域，还可应用在测量速度、加速度、转速、转角、振动、弯曲、折射率、湿度、PH值、溶液浓度等新型传感领域。（5）带宽大、损耗小。光纤的工作频带宽并且光波在光纤中的传输损耗小，适合长距离传感，便于复用和构成网络，利用现有的光纤通信技术可以组成遥测传感网络。因此，光纤传感技术一经问世就受到了非常大的重视，经过多年的研究，光纤传感技术在能源、电力、航空航天、建筑、通信、交通、安防、军事等很多领域的故障诊断及事故预警中发挥了重要的作用。11.2光纤传感器的基本构成光纤传感器（Optical Fiber Transducer/Sensor）的基本构成有光源、光纤、调制器（传感元件）、光电探测器和信号处理等部件，如图11.2.1所示，光源发出来的光通过光纤送入传感元件，被测量与输入的光相互作用后，导致光的某些特性（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，再经过光纤送入光探测器，经过处理之后获得被测量的值。光纤传感器中各部件的功能：（1）光源光纤传感器常用的光源有半导体激光器和光纤激光器等。一般要求体积小，提高与光纤的耦合效率；光源波长与光纤相匹配，减小传输损耗；在室温下可以连续工作以及寿命长工作稳定等。其主要技术参数包括激光器线宽、中心波长、最大输出功率、暗电流等。 图11.2.1 光纤传感器的基本组成（2）光纤在不同的光纤传感系统中，用到的光纤种类很多。一般在传光型光纤传感系统中，由于光纤只起传输光波的作用，可以采用通用的单模或者多模光纤；在相位调制型光纤传感系统中，为了保证测试光信号跟参考光信号间的高相干度，可以采用保偏光纤；在偏振调制型光纤传感系统中，要求光纤的线双折射尽量的低，可以考虑采用低双折射的液芯光纤。（3）传感元件传感元件是感知外界信息的器件，可以看作是调制器。如果用光纤自身作为传感元件，这种光纤传感器称为功能型光纤传感器，其中光纤不仅起传光的作用，还是敏感元件；传感元件也可以是其他类型的可以感知被测量并将被测量转为光信号的敏感元件，这种光纤传感器被称为非功能型或传光型光纤传感器。（4）光电探测器与信号处理部分光电探测器是把传送到接收端的探测光信号转换成电信号，将电信号解调出来，并由后续的信号处理部分处理，得到被测量的大小。由于目前的光电探测器只能响应光的强度，不能直接响应光的频率、波长、相位和偏振态等其他参量，因此，如果要测量这些光参量，需要通过某种转换技术将这些参量转换成光强度信号，才能用光电探测器接收，实现检测。常用的光电探测器有PIN管、APD管等。主要的技术参数包括灵敏度、量子效率、暗点流、噪声特性等。光纤传感器包括了对被测量的感知和传输两种功能。感知，是指被测量按照其变化规律使光纤中传输的光波的某些特征参量（强度、波长、频率、相位或偏振态等）发生变化，测量这些参量的变化即可“感知”被测量的变化。这种“感知”可以看作是被测量对光纤中传播的光波进行调制；传输，是指光纤将受到被测量调制的光波传输到光电探测器进行检测，并进行数据处理，将被测量解调出来。11.3光纤传感器的分类方法光纤传感器的种类繁多，在使用中，往往同一种被测量可以采用不同类型的光纤传感器来测量，而同一光纤传感器往往又能测量多种物理量。常用的光纤传感器的分类方法如下：（1）根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器（Functional Fiber Transducer/Sensor，又叫传感型光纤传感器