光纤应变传感器

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 光纤应变传感器,主要内容,一、光纤传感的应用领域,二、光纤传感的分类,三、光纤传感的研究现状,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,传感,技术的应用,领域,工业,农业,国防,运输,能源,环境,建筑业,6.1传感技术应用领域,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。,四川宜宾南门大桥断裂成三截,2001,年,11,月,07,日凌晨时分至时许，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，已知人失踪，人受伤。市区南北公路交通和部分通讯中断,。,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,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,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,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,最大测量范围为,3000,20,，,最高分辨率为,25,24,。,图,1-2,微弯型光纤应变传感器,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,偏振型光纤应变传感器,图,6-5,偏振光纤应变计,Fig.6-5 Polarimetric optical fiber strain gauge,最大测量范围,34,为1200，分辨率为 5,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,a),麦克尔逊干涉仪 c),法布里-珀罗干涉仪,a),Michelson interferometer c)Fabry-Perot interferometer,b),马赫,-,曾德尔干涉仪,d),塞格奈克干涉仪,b),Mach-Zehnder interferometer,d)Sagnac interferometer,图6-6 各种光纤干涉仪,麦克尔逊,(Michelson),干涉型光纤应变传感器,图,6-7,麦克尔逊光纤应变传感器结构,Fig.6-7 Fiber-optic sensor structure of Michelson,最大测量范围,36,达,1500,，最高分辨率达,2,马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器,6-8,马赫,-,曾德光纤应变传感原理结构,Fig.6-8 The principle structure of,Mach-Zehnders,strain sensor,最大测量范围为1200,，最高分辨率为,2,法布里,-,珀罗光纤应变传感器,图,6-9 F-P,型光纤传感器的原理,Fig.6-9 Principle of F-P fiber sensor,图,6-10,光纤本征,F-P,腔应变传感器,图,6-11,光纤非本征,F-P,腔应变传感器,Fig.6-10 Intrinsic F-P cavity strain sensor Fig.6-11 Extrinsic F-P cavity strain sensor,常用相位调制型光纤传感结构,a),麦克尔逊干涉仪 c),法布里-珀罗干涉仪,a),Michelson interferometer c)Fabry-Perot interferometer,b),马赫,-,曾德尔干涉仪,d),塞格奈克干涉仪,b),Mach-Zehnder interferometer,d)Sagnac interferometer,图6-12 各种光纤干涉仪,1990,1996,单,F-P,腔,双,F-P,腔,FP,光纤光栅,简化制作工艺,减小体积,消除干扰,2002,6.4FP传感器的发展,a),光纤与被测表面,(b),单模与多模光纤,d),多,(,单,),模光纤与金属丝,双腔结构,图6-12 常用的FP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,系统线性范围小、分辨率低,图6-13 F-P干涉动态工作特性,Fig.6-13 dynamic properties of F-P interference,光纤传感器抗震动能力差,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化,这也是光纤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境变化所造成的。,制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化,a),光纤与被测表面,b),单模与多模光纤,a)Optical fiber and measured object b)Single mode and multi mode optical fiber,c),多模与多模光纤,d),多,(,单,),模光纤与金属丝,c)Multi mode and multi mode d)Multi(single)mode and metal bar,非对称本征珐珀干涉仪UIFPI,光源,光纤,光电探测器,图,6-14,光电二极管,实验装置图,光纤应变传感器,性曲线,