光纤应变传感器

系统线性范围小、分辨率低
I1 I 0 0.8
0.6
R=0.8 R=0.5
R=0.3
R=0.9
0.4
R=0.1
0.2
R=0.04
0
0
5
10
图6-13 F-P干涉动态工作特性
Fig.6-13 dynamic properties of F-P interference
/rad
光纤传感器抗震动能力差
激光器
耦合器
传感臂
光探测器
匹配液
由于光纤本身对振动极为灵敏，以至于任何小的环境震动都会引起系统信号的变空化芯,光 这纤也是焊接 光(纤或粘接) 传感器实用化的主要障碍。由于光纤传感器的光源波长是微米级，而环境振动和温度和热膨胀也在 这个数量级以至今造成无法分清所测的信号是由被测信号的变化还是由环多(境单变)模化光纤 所造成的。金属丝
6.3.3 光纤传感器按结构分类
光强调制型光纤应变传感器 偏振型光纤应变传感器 相位调制型光纤应变传感器
光强调制型光纤应变传感器
来至光源 粘胶
光纤微弯区
至光探测器
粘胶
被测面
LE LU
包层
纤芯
最大测量范围为3000με[20]， 最高分辨率为25με [24] 。
图1-2 微弯多型模光光纤纤应变传感器 被测物 图1-3 蚀刻型光纤应变传感器 Fig.1-2 Microbend fiber-optic strain sensor Fig.1-3 Etched fiber-optic strain sensor
光纤应变传感器
1
6.1 传感技术应用领域
被测量： 温度[1]、 压力[2]、 流量[3]、 位移[4]、 振动[5]、 转动[6]、 弯曲[7]、 液位[8]、 速度[9]、 加速度[10]、 声场[11]、 电流[12]、 电压[13]、 磁场[14] 辐射[15
等各种物理量
工业 运输
农业
国防
传感 技术的应用
四川宜宾南门大桥断裂成三截
2001年11月07日凌晨４时３０分至５时许，四川宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂，两 辆汽车坠入江中，一艘小船被毁，已知２人失踪，２人受伤。市区南北公路交通和部分通讯中
6.3 光纤传感器分类与研究现状
分类： 一、按传感系统结构分类 二、按被测量分类
6.3.1 光纤传感器按结构分类
光探测器
光纤环
麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器
M1
L1
M2
图6-7 麦S克尔逊光B纤S应变传感器结构
M3
Fig.6-7 Fiber-optic sensor structure of Michelson
P
最大测量范围[36]达1500με，最高分辨率达2με
L2
马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器
Fig.6-11 Extrinsic F-P cavity strain sensor
单模光纤
多模光纤
包层
反射光
M1 反射 镜 M2
L
常用相位调制型光纤传感结构
激光器
耦合器
光探测器
传感臂 参考臂
激光器
耦合器 光探测器
传感臂 参考臂
匹配液
激光器
a) 麦克尔逊干涉仪
珀罗干涉仪 a) 耦M合ic器hels传o感n 臂inter耦f合er器ometer
光强调制型光纤应变传感器 偏振型光纤应变传感器 相位调制型光纤应变传感器
6.3.2 光纤传感器按被测量分类
光纤应变传感器 光纤温度传感器 光纤电压、电流传感器 光纤流量传感器
6.3.2 光纤传感器按应用领域分类
工业用光纤传感器 农业用光纤传感器 军事业用光纤传感器 水利用光纤传感器 食品工业用光纤传感器 建筑工业用光纤传感器 消防用光纤传感器 医疗用光纤传感器
光源
传感元件
6-8 马赫-曾德光纤应变传感原理结构
信号光纤
Fig.6-8光T纤he耦pr合in器ci1ple structure of Mach-Zehnder’s strain光s纤en耦so合r 器2
最大测量范围为1200με，最参高考分光辨纤率为2με
光电
转换
法布里-珀罗光纤应变传感器
激光源
偏振型光纤应变传感器
起偏器
透镜
激光器
图6-5 偏振光纤应变计 光学准直器
光纤
Fig.6-5 Polarimetric optical fiber strain gauge
最大测量范围[34]为1200με，分辨率为 5με
光电检
被测体
透镜 检偏器
测器
相位调制型光纤应变传感器
麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器 马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器 法布里-珀罗(Fabry-Perot简写为F-P)光纤应变传感器 光纤光栅传感器
常用相位调制型光纤传感结构
激光器
耦合器
光探测器
传感臂 参考臂
激光器
耦合器 光探测器
传感臂 匹配液
激光器
a) 麦克尔逊干涉仪
珀罗干涉仪 a) 耦M合ic器hels传o感n 臂inter耦f合er器ometer
Perot interferometer激光器
参Baidu Nhomakorabea臂
光探测器
c) 法布里c)耦合Fa器bry-
领域
能源
环境
建筑业
传感技术的现状
6.2 传统的传感技术 6.3 光纤传感技术
6.2 传统的传感技术
传统的传感器是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号。因此，使用 时受到电磁场和环境的影响，如环境湿度太大可能引起短路，特别是高温和易燃、易爆环境中易引起火 灾等等。另外，由于自身因素的限制，不能实现长期实时监测。
传感头
光纤耦合器
图6-9 F-P型光纤传感器的原理 Fig.6-9 Principle of F-P fiber sensor
光探测器
F图ig6.6--1100光In纤tri本ns征ic包FF-层-PP腔ca应vit变y s传tra感in器senLsor
纤芯
图6-11 光纤非本征F-P腔应变传感器空芯光纤
多模光纤
L 反射镜
空芯光纤 焊接(或粘接)
多 a)(光单纤)模与光被纤测表面
反射光
金属丝
(b) 单模与应多变模传光感光 纤纤
空芯光纤 反射光纤
L 反射镜
使输出相位相差90度的间隙
图6-12 常用的F－P结构
6.5 光纤F-P应变传感器目前存在的问题
系统线性范围小、线性度差、分辨率低 光纤传感器抗震动能力差 制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化
Perot interferometer激光器
参考臂
光探测器
c) 法布里c)耦合Fa器bry-
光探测器
光纤环
6.4 F－P传感器的发展
消除干扰
简化制作工艺 减小体积
单
双
F-P
F-P
腔
腔
F－P ＋ 光纤光栅
1990
1996
2002
反射镜
单模光纤 反射光
L
被测表面
毛细玻璃管 焊接或(粘接)
单模光纤 反射光