光纤传感器原理及应用ppt课件

传感器技术
• 利用各种功能材料实现信息检测的一门应 用技术。
• 传感器技术是检测原理、材料科学和工艺 加工三个要素的最佳结合，在发达国家被 列为核心技术之一。
• 传感技术的提高，在很大程度上有赖于揭 示物理现象的研究和材料技术的发展。
光通信的特点
波长短，载频高 宽带宽 大容量 能量集中 器件尺寸小 功耗低
• 1980~1983年，申请光纤传感器的相关专利 共464项。
我国
• 1983年，光纤传感器第一次全国性会议在 杭州召开。
• 灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，防爆。 • 无源器件，不干扰被测场。 • 结构简单，体积小，重量轻。 • 便于和计算机连接，可以实现分布式传感和遥测
技术:在整个光纤长度上能连续的获得被测量的响 应，传统的几百个点传感器阵列可以用一条光纤 取代。 • 频带宽，动态范围大。 • 几何形状具有多方面的适用性，便于组合系统， 可以组成任意形状的FOS或FOS阵列，并且可与计 算机连接，实现多功能及智能化。
• 1977年，美国海军研究所(NRL-National Novel Research Laboratory)开始执行光 纤传感器系统计划
光纤传感器问世
• 1983年起，国际光纤传感器会议定期召开， 光纤传感器的研究成为世界研究热点
• 各个发达国家都做了大量的研究工作，具 体如下：
美国
FOSS(Fiber Optic Sensor System) —光纤传感器系统：水声器、磁强计和 其它有关的水下检测设备
频率调制光纤传感器：光纤中光频率变化
时分调制：利用外界因素调制返回信号的基带 频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小 的 变化来测量外界物理量的大小和空间分布。
• 按照检测对象进行划分
温度传感器 压力传感器 位移传感器 流速传感器 辐射传感器 气体传感器 光谱传感器 ……….
传感器的设计原则
Leabharlann Baidu
1.优良的变换功能
光纤传感器的工作原理及其分类
1.基本工作原理
将光源的光经过光纤送入调制区，在
调制区内，外界被测参量与进入调制区的 光相互作用，由于光纤中的模态损耗和相 位能够随着弯曲、微弯、压力、拉力、温 度以及其它环境因素的变化而变化，从而 使光的光学性质，如强度、波长、频率、 相位和偏振态等发生变化，成为被调制的 信号光，再经过光纤送入光探测器，并经 过解调而获得被测参数。
FOG(Fiber Optic Gyroscope) —光纤陀螺：发展最快，取得成果最好 的领域之一
NRM(Nuclear Radiation Monitor) —核辐射监测
CRP(Civil Research Project) —民用研究计划
英国
• 1982年成立英国光纤传感器合作协会 • 高电压光纤电流传感器--中央电气研究所 • 光纤陀螺、水声器—伦敦大学 • 光纤传感器的多路测试设备—曼彻斯特大
种信息的仪器。它是感知、获取、检 测和转换信息的窗口，处于研究对象 与传输处理系统的接口位置。
传感器是现代科学技术开拓的先锋
在信息时代，人类的认识和活动范 围在空间和时间上将向无限、极端和 崭新领域拓展。各种关键工程的开发， 首先就要有能传感各种强、高、弱、 微和边缘效应的传感器，这些特殊领 域的突破将给人类科学技术带来不可 估量的进展，产生巨大的经济效益。
主要内容
• 概论 • 光纤传感器原理 • 光源 • 光探测器 • 光信号检测技术 • 特殊光纤 • 典型应用
第一讲 概 论
传感器
• 将待测量对象的状态变换为可处理信 号的器件或装置。
• 可以实现信息检测、转换和传输。 • 从字面上讲可比做人感知自然界物理
现象的器官。 • 从工程技术上讲，指检测被测物体某
光纤的特点
• 损耗低，0.2dB/km • 良好的传光性能 • 频带宽，传输容量大，400nm，50THz • 可塑性好； • 本身就可以作为敏感元件 • 重量轻，体积小，27g/km fiber • 资源丰富，石英 • 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高 • 防爆性能好 • …...
光纤传感器的优点
传光型光纤传感器：光纤不连续，其间 有中断，中断部分要接上其它 介质的敏感元件，可以充分利 用已有传感技术的优点。
传感型光纤传感器：“传”和“感”合为一 体，光纤连续，减少了耦合，
但是往往需要特殊光纤。
•
按照调制原理进行划分
强度调制光纤传感器：光纤中光强度变化
波长调制光纤传感器：光纤中光波长变化
偏振态调制光纤传感器：光纤中光偏振态变化 相位调制光纤传感器：光纤中光相位变化
光纤传感器的基本构成
外界参量
光 光纤 信号 光纤 光探
源
调制
测器
信号 处理
光源：LD,LED,白炽灯，激光器等 信号调制：待测参量引起光信号强度、波长、频率、
相位或偏振态的变化。 光探测器：PIN,APD,CCD,光电池等。 信号处理：电路、计算机、单片机，计算机系统等。
2.光纤传感器的分类
• 按照传感原理进行划分
• 动态范围广 • 单纯的变换关系 • 信噪比高 • 重复性好 • 时间稳定性好 • 灵敏度高
2.探测信号的质量好
• 便于信号处理 • 容易传输信号 • 特性参数随时间的变化小，测量的重复性
好，没有滞后和老化现象。
3.与待测信号间的匹配性能好
• 不干扰目标状态 • 可以充分承受目标的环境 • 抗干扰性能好
4.总体要求
• 体积小 • 轻便 • 故障率低 • 能够大批量生产，价格便宜 • 坚固耐用，机械性能好 • 耐化学腐蚀、耐热性能好，无危害性，无
公害 • …….
光纤传感器的发展概况及其展望
1.发展概况
• 70年代中期，人们开始意识到光纤不 仅具有传光特性，且其本身就可以构 成一种新的直接交换信息的基础，无 需任何中间级就能把待测的量与光纤 内的导光联系起来。
学 • 光全息技术—牛津大学 • 特种光纤和光学测试仪器—南安普顿大学
德国
• 光纤陀螺的研究和开发水平仅次于美国， 居世界第二。
• 西门子公司等均在光纤传感器方面有研究。 1980年，西门子公司开发出了高压光纤电 流传感器。
日本
• 1979~1986年，从事光纤传感器技术研究工 作的公司和大学共24家。