第11讲 光纤传感器

第11讲光纤传感器第1页，共32页。1、光纤传感技术及其应用 1光纤传感技术简介光纤传感技术简介光纤技术的开展与动态光纤技术的开展与动态光纤传感器的开展与动态光纤传感器的开展与动态光纤传感器的原理光纤传感器的原理光纤传感器与电传感器的比照光纤传感器与电传感器的比照光纤传感器的特点与分类光纤传感器的特点与分类 2光纤传感技术在各行业中的应用光纤传感技术在各行业中的应用光纤压力传感器光纤压力传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤液位传感器光纤液位传感器光纤阀位回讯器光纤阀位回讯器光纤成分在线检测技术光纤成分在线检测技术光纤报警传感器光纤报警传感器其他光纤传感技术其他光纤传感技术第2页，共32页。2、光纤的开展与动态 1966年高昆博士提出光纤传输的理论年高昆博士提出光纤传输的理论 1969年日本平板玻璃公司制出年日本平板玻璃公司制出200dB/KM梯度光纤梯度光纤 1970年美康宁公司制出世界第一根年美康宁公司制出世界第一根20dB/KM低损耗光纤低损耗光纤 1972年日本电子技术综合研究所制出年日本电子技术综合研究所制出7dB/KM SiO2芯光纤芯光纤 1973年美贝尔实验室用化学沉积法年美贝尔实验室用化学沉积法CVD制光纤制光纤 1980年光通讯产业形成年光通讯产业形成第3页，共32页。70年代末，美最先发表年代末，美最先发表FOS文章文章 1981年美召开光纤陀螺会议年美召开光纤陀螺会议 1981年英第一届国际年英第一届国际FOS会议会议 1984年西德第一届年西德第一届FOS会议会议 1986年美第三届年美第三届FOS会议会议 1988年日本第四届年日本第四届FOS会议会议 1989年美第五届年美第五届FOS会议会议 2000年意大利第十四届年意大利第十四届FOS会议会议 第4页，共32页。3、光纤传感器的原理将被测参量转换为光信号参数的变化将被测参量转换为光信号参数的变化第5页，共32页。光纤的构造光纤的构造n1n2n2n1n2纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套第6页，共32页。光纤传光原理光纤传光原理 全反射全反射 n1 1n2 2 入射角入射角i i法线法线n1 1n2 2 i i第7页，共32页。光纤传光原理光纤传光原理 折射折射第8页，共32页。光纤传光与数值孔径光纤传光与数值孔径n0200n2n1光束在芯子内全反射的条件：大气介质大气介质第9页，共32页。数值孔径的意义是无论光源发射功率有多大,只有20张角之内的光功率被光纤承受传播。一般希望光纤有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高。但数值孔径大,光信号将产生大的“模色散,入射光能分布在许多个模式中,各模式的速度不同,导致各个能量分量到达光纤远端的时间不同,信号将发生严重畸变,所以要适中选择。典型的光纤010。第10页，共32页。4、光纤模式及其对光信号传输的影响n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤第11页，共32页。5、光纤传感器与电类传感器比照电量电量检测电类传感器被测参量电缆电缆电缆电缆电类传感器电类传感器光源光量检测光纤传感器被测参量光纤光纤光纤光纤光纤传感器光纤传感器第12页，共32页。分类分类 内容内容 光纤传感器光纤传感器电类传感器电类传感器调制参量调制参量振幅：吸收、反射等振幅：吸收、反射等相位：偏振相位：偏振电阻、电容、电感等电阻、电容、电感等敏感材料敏感材料温温-光敏、力光敏、力-光敏、光敏、磁磁-光敏光敏 温温-电敏、力电敏、力-电敏、电敏、磁磁-电敏电敏 传输信号传输信号光光电电传输介质传输介质光纤、光缆光纤、光缆电线、电缆电线、电缆 从比照可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器从比照可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器第13页，共32页。6、光纤传感器的特点*本质防爆本质防爆 适合于易燃、易爆等危险物品检测适合于易燃、易爆等危险物品检测*对电绝缘对电绝缘 适合于高电压场合检测适合于高电压场合检测 *无感应性无感应性 适合于强电磁场干扰环境下检测适合于强电磁场干扰环境下检测 *化学稳定性化学稳定性 适合于环保、医药、食品工业检测适合于环保、医药、食品工业检测 *时域变换性时域变换性 适合于多点分布测量适合于多点分布测量 *低损耗低损耗 *大容量大容量 *高精度高精度 *尺寸小尺寸小 *重量轻重量轻 *非接触式非接触式第14页，共32页。1 1光纤传感器在易燃易爆场合的应用光纤传感器在易燃易爆场合的应用控控 制制 室室光光 纤纤各类油罐各类油罐参数检测参数检测压力容器压力容器参数检测参数检测核工业环境核工业环境参数检测参数检测煤矿中煤矿中CH4等参数检测等参数检测7、光纤传感器的应用第15页，共32页。2 2光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用控控 制制 室室光光 纤纤高压高压变压器变压器高压高压电动机电动机强电磁干扰强电磁干扰电气设备电气设备微波微波设备设备第16页，共32页。3光纤传感器在实时在线检测中的应用取样取样送检送检样品样品光谱仪光谱仪被测物被测物传统光谱仪传统光谱仪传统光谱仪传统光谱仪物质成分检测物质成分检测物质成分检测物质成分检测光纤光纤光纤光谱仪光纤光谱仪被测物被测物光纤光谱仪光纤光谱仪光纤光谱仪光纤光谱仪物质成分检测物质成分检测物质成分检测物质成分检测第17页，共32页。8、光纤传感器的分类传输型传输型 光纤仅传输信号，不起敏感作用光纤仅传输信号，不起敏感作用传感型传感型 光纤既传输信号，又是敏感元件光纤既传输信号，又是敏感元件第18页，共32页。1传感信号光纤传输网络010mA05V光电变换计算机电阻电容光纤传输网络光纤光纤光纤光纤 传输量大传输量大传输距离远传输距离远不怕电磁干扰不怕电磁干扰接口方式齐全接口方式齐全电感电脉冲光参量第19页，共32页。2光纤转速传感器非接触测量方式LEDPIN光纤光纤第20页，共32页。3点式光纤液位传感器适用于适用于高、低液位报警高、低液位报警密封加油控制密封加油控制LEDPIN液体液体LEDPIN液体液体第21页，共32页。光纤液位传感器第22页，共32页。4光纤阀位回讯器发光管发光管光敏管光敏管反射镜反射镜软铁软铁弹簧弹簧滑杆滑杆光纤光纤壳体壳体弹片弹片磁铁磁铁第23页，共32页。5光纤温度传感器阻光型LEDPIN光纤光纤砷化镓片砷化镓片光纤光纤T T1 1TT2 2TT3 3T2IT3T1LED 第24页，共32页。6光纤温度传感器折光型LEDPINn1n2n2随温度变化随温度变化n2第25页，共32页。7光纤高温温度传感器光谱型PIN1PIN2滤波器滤波器1 1智能智能仪表仪表滤波器滤波器2 2光纤光纤高温炉高温炉黑体辐射腔黑体辐射腔蓝宝石光纤蓝宝石光纤第26页，共32页。光纤温度传感器示意框图光纤温度传感器示意框图第27页，共32页。光纤光栅用于温度报警系统分路器分路器宽带光源宽带光源报警器报警器可调宽可调宽带滤波器带滤波器SSS第28页，共32页。8光纤气体成分传感器R,R,光纤光纤传感头传感头传感头传感头参考频率参考频率LEDPIN锁相放大器锁相放大器混混气气室室N N2 2OO2 2流量计流量计流量计流量计第29页，共32页。9光纤化学成分传感器R,R,光纤光纤传感头传感头参考频率参考频率LEDPIN锁相放大器锁相放大器tI第30页，共32页。10光纤光谱传感器光光 源源出口出口待测气体待测气体whitewhite室室探测器探测器信号处理信号处理第31页，共32页。谢谢大家！第32页，共32页。