3-光纤传感器

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光纤电流传感器
I
激光器
起偏器
显微物镜 光纤 光探测器
载流导线
检偏器
记录显示器
光纤电流传感器原理示意图
偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传 输线用光纤电流传感器,其基本原理是前述介绍的法 拉第效应(磁光效应)
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光纤电流传感器
当平面偏振光在强度为H的磁场作用下,线偏振光 在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角为θ。如果 这个磁场是由长直载流导线产生的,根据安培环 路定律:
LCCW 2R Rt
两者的光程差为
L 2Rt
又可以写成
环包围的面积
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4S L c
萨格奈克效应相位调制
对应的相位差

2L

8S 8S c 0c0
0----真空中的波长 C0----真空中的光速
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偏振调制型光纤传感器
偏振调制型光纤传感器是最复杂同时也是最精巧的传感器.
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基于瑞利散射的传感系统
光源
后向散射 入射光脉冲
检测器
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基于拉曼散射的分布式光纤传感技术


斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度关系: Anti-stokes 光强会随温度变化。 Stokes光强与温度无关
hcv0 1 T . k ln a ln( I as ) Is
其中a为与温度 相关的系数
使用法拉第效应( Faraday Effect)通过极化测量磁场
极化不是由弯曲、拉伸和扭转引起的
法拉第磁光效应: 1845年,法拉第在实验中发现,当一束线偏振光通过非旋光 性介质时,如果在介质中沿光传播方向加一外磁场,则光通过介质后,光振动 (指电矢量)的振动面转过一个角度θ,这种磁场使介质产生旋光性的现象称为 法拉第效应或者磁致旋光效应。
迈克尔逊光纤干涉仪
LD
耦合器
探测臂
可移动
光纤反射端面
PD 信号处理
参考臂
固定
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光纤干涉仪(2)
信号臂 3dB耦合器 3dB耦合器
L
C
参考臂
C
D
马赫-增德尔(M-Z)光纤干涉仪
探测臂 LD
耦合器
参考臂
耦合器
干涉条纹
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萨格奈克效应相位调制
CW经历的光程为
LCW 2R Rt
CCW经历的光程为
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光纤传感器(OFS)分类
强度调制型光纤传感器 Intensity Modulation OFS 相位调制型光纤传感器 Phase Modulation OFS 偏振调制型光纤传感器 Polarization Modulation OFS 波长调制型光纤传感器 Wavelength Modulation OFS
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光纤横向施以微小力使光纤发生微小弯曲,则光纤中传输的波导模式间发 生耦合而使能量交换
简单地说,当光纤受到弯曲后,有少量的芯模能量会转换成包层模能量而 损失掉,通过测量包层模或芯模能量的变化获得外界待测物理量的变化。
光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部,这样就可以 免除周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用。另外,它还有灵敏度 较高、结构简单、动态范围宽(超过110dB)、线性度较好、性能稳定等 优点。
基本原理
光波在光纤中传播时,表征光波的特征参量(振幅、相 位、偏振态、频率等),因外界因素(如温度、压力、 应力、磁场、电场… 等)的作用而直接或间接地发生变 化,从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。
优点 高灵敏度、高精度、高速度 质轻、体小、外形可变 环境适应性强;耐腐蚀、无电火花、安全可靠 对被测介质影响小 被测对象广泛 便于复用,便于成网
光纤传感器
Optical Fiber Sensor









Dept. of Electronic Engineering Tsinghua University
1
目录

光纤传感背景
光纤传感原理 光纤传感应用


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传感器分类
电 电类传感器 电量检测 源 电缆 电 类 传 感 器 光 纤 传 感 器 被 测 参 量
8
当一恒定光源的光波I IN注入调制区,在外力场强Is的作用下, 输出光波的强度被Is所调制,载有外力场信息的出射光 IOUT 的 包络线与Is形状相同,光(强度)探测器的输出电流ID(或电压) 也反映出了作用力场。同理,可以利用其他各种对光强的调制 方式,如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射 等来调制入射光,从而形成相应的调制器。
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光纤微弯传感器
激光器 滤模器
光探测器
变形器
信号处理
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包层n 2
0
纤芯n 1
1< c 1< c
1 > c
n 1 >n 2
当光线射入微弯曲段的界面上时,入射角将小于临界角 1 c 。这时 一部分光在纤芯和包层的界面上反射;另一部分光则透射进入包层,从 而导致光能的损耗。

1. 2. 3. 4.
5.
将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦合到一根或多 根光纤总线上,通过寻址、解调,检测出被测量的大小及空 间分布,光纤总线仅起传光作用。 寻址方式 时分复用(TDM-Time Division Multiplex) 波分复用(WDM-Wavelength Division Multiplex) 偏分复用(PDM-Polarization Division Multiplex) 空分复用(SDM-Space Division Multiplex) 频分复用(FDM-Frequency Division Multiplex)
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时分复用(TDM)




光纤对光波的延迟效应来寻址 脉宽小于光纤总线上相邻传感器的传输 时间 光纤总线输入端注入,各传感器距光脉 冲发射端距离不同。 接收到每个脉冲对应一个传感器,延时 对应地址 光脉冲变化量反映该点被测量的大小
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时分复用示意图
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光时域反射(OTDR)技术

Optical Time Domain Reflectometry
传感原理 传感监测量 B-OTDR 应力,温度 R-OTDR
M-Z Sagnac
温度
微振动 较有规律 的微振动
应用领域 管道泄露监测,结构健 康监测等 油气油井里温度分布监 测、管道泄露监测等 周界防护等 气体管道泄露监测、周 界防护等
47 47
光纤光栅传感
光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件,它是利用掺杂(如 锗、磷等)光纤的光敏性,通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致 纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化,在纤芯内形成空间相位光栅。
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散射型光纤传感器
利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里渊散射——B-OTDR 利用拉曼散射——R-OTDR

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光纤中的背向散射光分析
斯托克斯光
反斯托克斯光
布里渊散射和拉曼散射 在散射前后有频移,是 非弹性散射
30 30
光学声子
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利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结 果
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基于布里渊散射的分布式光纤传感技术
BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲, 在同一端检测返回信号的中心 波长和功率。使用方便,但自 发布里渊散射信号很微弱,检 测困难。
在BOTDBaidu Nhomakorabea中,处于光纤两端的可调 谐激光器分别将一脉冲光(泵浦 光)与一连续光(探测光)注入 传感光纤。利用受激布里渊散射 效应,散射光强度更强
l ( l ) l ( ) l ( )n l ( )a l n a
可以写成

Δa是光纤直径变化,通常较小,可以忽略
l l n l l n
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光纤干涉仪(1)
L C D
信号臂 3dB耦合器 参考臂 反射镜 反射镜
典型指标:
测量范围:50A—2400A 测量准确度:好于0.3% (偏振光磁旋)常数:0.0155 minute/A 测量相角误差: <6’ (0—2400A) 工作电压测试: 760.8KV.(一分钟) 工作温度: -10-60度
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偏振调制型光纤传感器
23
分布式光纤传感
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准分布式光纤传感原理
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分布式光纤传感技术的应用
44 44
分布式光纤传感技术的应用——周界防护
光缆传感监控系统工程施工实例
根据防范的不同场合和要求, 光纤可以构成各种形状,环 置于需要防范的周界处的适 当位置,当入侵者侵入时, 系统都会发出告警信号
45 45
分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测
46 46
各种分布式光纤传感技术的应用

7
强度调制型传感器
是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或 反射等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传 感器。有利用光纤的微弯损耗;各物质的吸收特性;振动膜 或液晶的反射光强度的变化;物质因各种粒子射线或化学、 机械的激励而发光的现象;以及物质的荧光辐射或光路的遮 断等来构成压力、振动、温度、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。 缺点:受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。
36 36
BOTDR——定位原理
对一定频谱范围连续不断的进行循环扫 描,获得各个时间段上的光谱,并将时 间与位置相对应,即可获得沿光纤各位 置处的布里渊频谱图,并获得异常的布 里渊频移量和散射光功率。
37 37
几种散射式传感技术的比较
应用场合 优点 缺点 断点、损 连续显示衰减 OTDR 有盲区 伤检测 情况 要求极窄线宽、可 应力、温 测量精度和分 BOTDR 调线宽激光器;交 度 辨率高 叉干扰;功率低 测量精度和分 系统复杂;两端测 应力、温 BOTDA 辨率高,大动 量;不能检测断点; 度 态范围 交叉干扰 返回的信号弱,大 ROTDR 温度 较高测温精度 功率光源
光 光纤传感器
源 光缆
光量检测
被 测 参 量
3
传感器比较
分类
内容 调制参量 光纤传感器 电类传感器
振幅:吸收、反射等
相位、偏振态…..
电阻、电容、电感等
敏感材料 传输信号 传输介质
温-光敏、力-光敏、
磁-光敏… 光 光纤、光缆
温-电敏、力-电敏、
磁-电敏… 电 电线、电缆
4
光纤传感器是与电类传感器并行互补的一类新型传感器。
H
I 2 r
式中:I — 载流导线中的电流强度;r — 导线外任一观测点 到导线的垂直距离。由此可见,只要根据磁光效应,利用光 纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H,即可得到导线 中的电流I。
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光纤电流传感器
为了利用光纤测量导线中的电流,可以将单模光纤绕在载流 导线上,形成一个半径为r的螺线管,光纤螺线管的光纤长度 为L。在强度为H 的磁场作用下,通过光纤的线偏振光的振动 面将会产生的偏转,只要检测出这个偏转角即可知道导线中 电流I的大小。
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相位调制型传感器

功能型调制 (光纤既传输又传感)
光纤长度变化 温 度 变 化 相 位 变 化 与参考光 干涉 强 度 变 化
折射率变化 相位常数 变化
芯径变化
谐振器
相位变化的检测需要转换为强度的变化----干涉法!
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功能型调制
光波通过长度为l的光纤, 相位延迟为
l
为光波在光纤中的传播常数
优点:两个光强之比,与光源强度无关,因此抗光纤老化 和损耗,可保证测温精度。
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传感器系统
测温区域 Raman 散射光
两个滤波器
光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。 常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。 采用反斯 托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量,其结 果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响,只与沿 光纤的温度场有关,因此可长时间保证测温精度。
38 38
波分复用(WDM)


通过光纤总线上各传感器的调制信号的 特征波长来寻址。 宽带光束注入光纤,各个传感器的特征 波长不同,通过滤波系统求出被测信号 的大小和位置
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波分复用示意图
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FBG传感器在隧道 锚杆支护结构监测的应用研究
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频分复用和空分复用


将多个光源调制在不同的频率上,经过 各分立的传感器后汇集在光纤总线上, 每个传感器的信息包含在总线信号中的 对应频率上。 空分复用是将各个传感器的接受光纤的 终端按空间位置编码,通过扫描机构控 制选通光开光选址。
5
可测量的物理量







温度Temperature 压力Pressure 应力Strain 位移Displacement 加速度Acceleration 流量Flow rate 振动Vibration 化学成分Chemical concentrations 电/磁场Electrical and Magnetic Fields 转速Rotation rate
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