光纖傳感器原理及其應(yīng)用

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1、光纖傳感器原理及其應(yīng)用主要內(nèi)容概論光纖傳感器原理光源光探測(cè)器光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)特殊光纖典型應(yīng)用第一講概論傳感器將待測(cè)量對(duì)象的狀態(tài)變換為可處理信號(hào)的器件或裝置。可以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和傳輸。從字面上講可比做人感知自然界物理現(xiàn)象的器官。從工程技術(shù)上講，指檢測(cè)被測(cè)物體某種信息的儀器。它是感知、獲取、檢測(cè)和轉(zhuǎn)換信息的窗口，處于研究對(duì)象與傳輸處理系統(tǒng)的接口位置。傳感器是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開拓的先鋒在信息時(shí)代，人類的認(rèn)識(shí)和活動(dòng)范圍在空間和時(shí)間上將向無限、極端和嶄新領(lǐng)域拓展。各種關(guān)鍵工程的開發(fā)，首先就要有能傳感各種強(qiáng)、高、弱、微和邊緣效應(yīng)的傳感器，這些特殊領(lǐng)域的突破將給

2、人類科學(xué)技術(shù)帶來不可估量的進(jìn)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。傳感器技術(shù)利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門應(yīng)用技術(shù)。傳感器技術(shù)是檢測(cè)原理、材料科學(xué)和工藝加工三個(gè)要素的最佳結(jié)合，在發(fā)達(dá)國(guó)家被列為核心技術(shù)之一。傳感技術(shù)的提高，在很大程度上有賴于揭示物理現(xiàn)象的研究和材料技術(shù)的發(fā)展。光纖傳感器(FOS-FiberOpticSensor)以光纖作為功能材料的傳感器。以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，將被敏感的狀態(tài)以光信號(hào)的形式取出。10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210

3、-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長(zhǎng)，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻段劃分傳輸介質(zhì)光纖光通信的特點(diǎn)波長(zhǎng)短，載頻高寬帶寬大容量能量集中器件尺寸小功耗低光纖的特點(diǎn)損耗低，0.2dB/km良好的傳光性能頻帶寬，傳輸容量大，400nm，50THz可塑性好；本身就可以作為敏感元件重量輕，體積小，27g/kmfiber資源豐富，石英抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高防爆性能好…...光纖傳感

4、器的優(yōu)點(diǎn)靈敏度高，抗電磁干擾，耐腐蝕，防爆。無源器件，不干擾被測(cè)場(chǎng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。便于和計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)分布式傳感和遙測(cè)技術(shù):在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上能連續(xù)的獲得被測(cè)量的響應(yīng)，傳統(tǒng)的幾百個(gè)點(diǎn)傳感器陣列可以用一條光纖取代。頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大。幾何形狀具有多方面的適用性，便于組合系統(tǒng)，可以組成任意形狀的FOS或FOS陣列，并且可與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多功能及智能化。光纖傳感器的工作原理及其分類1.基本工作原理將光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參量與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，由于光纖中的模態(tài)損耗和相位能夠隨著彎曲、微彎、壓力、拉力、溫度

5、以及其它環(huán)境因素的變化而變化，從而使光的光學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，并經(jīng)過解調(diào)而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器的基本構(gòu)成光源：LD,LED,白熾燈，激光器等信號(hào)調(diào)制：待測(cè)參量引起光信號(hào)強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位或偏振態(tài)的變化。光探測(cè)器：PIN,APD,CCD,光電池等。信號(hào)處理：電路、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。光源信號(hào)調(diào)制光纖光纖光探測(cè)器信號(hào)處理外界參量2.光纖傳感器的分類按照傳感原理進(jìn)行劃分傳光型光纖傳感器：光纖不連續(xù)，其間有中斷，中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件，可以充分利用已有傳

6、感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。傳感型光纖傳感器：“傳”和“感”合為一體，光纖連續(xù)，減少了耦合，但是往往需要特殊光纖。按照調(diào)制原理進(jìn)行劃分強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器：光纖中光強(qiáng)度變化波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光波長(zhǎng)變化偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器：光纖中光偏振態(tài)變化相位調(diào)制光纖傳感器：光纖中光相位變化頻率調(diào)制光纖傳感器：光纖中光頻率變化時(shí)分調(diào)制：利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜，通過檢測(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化來測(cè)量外界物理量的大小和空間分布。按照檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行劃分溫度傳感器壓力傳感器位移傳感器流速傳感器輻射傳感器氣體傳感器光譜傳感器……….傳感器的設(shè)計(jì)原則1.優(yōu)良的變換功能

7、動(dòng)態(tài)范圍廣單純的變換關(guān)系信噪比高重復(fù)性好時(shí)間穩(wěn)定性好靈敏度高2.探測(cè)信號(hào)的質(zhì)量好便于信號(hào)處理容易傳輸信號(hào)特性參數(shù)隨時(shí)間的變化小，測(cè)量的重復(fù)性好，沒有滯后和老化現(xiàn)象。3.與待測(cè)信號(hào)間的匹配性能好不干擾目標(biāo)狀態(tài)可以充分承受目標(biāo)的環(huán)境抗干擾性能好4.總體要求體積小輕便故障率低能夠大批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜堅(jiān)固耐用，機(jī)械性能好耐化學(xué)腐蝕、耐熱性能好，無危害性，無公害…….光纖傳感器的發(fā)展概況及其展望1.發(fā)展概況70年代中期，人們開始意識(shí)到光纖不僅具有傳光特性，且其本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的基礎(chǔ)，無需任何中間級(jí)就能把待測(cè)的量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來。197

8、7年，美國(guó)海軍研究所(NRL-NationalNovelResearchLaboratory)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃光