光纤传感器应用分析.pptx
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1、光纤传感器应用光纤传感器应用第八章第八章光纤传感技术经过30多年的研究开发,已为众多的被测物理量找到了相应的传感方法和设计原理。目前,光纤传感器可以对位移、压力、温度、速度、振动、液位、角度等70种物理量进行测量。光纤传感技术研究重点在以下几个方面:光纤传感器系统;现代数字光纤控制系统;光纤陀螺;核辐射监控;飞机发动机监控;8.1 光纤传感技术发展现状光纤传感技术发展现状我国光纤传感器的研究工作主要自1983年开始。近10年来,一些大学、科研院所、公司等都纷纷在这方面投入了大量的人力、物力使得光纤传感技术得到飞速的发展。虽说国内对高精度的光纤传感器有不少报导,但真正形成大规模应用和生产的却少之
2、又少,没有能够大规模的走出实验室,面向工业界。1997年武汉理工大学光纤传感技术国家重点工业性试验基地批准开始建设。标志着我国光纤传感器研究从实验室走向应用。我国光纤传感技术发展现状我国光纤传感技术发展现状武汉兰光测控技术有限公司:主要从事光纤液位计系列产品的生产和销售。现拥有先进的生产线和检测手段,组织管理严格,产品广泛应用于国内石油、化工、冶金、交通和国防等部门。武汉天光光纤传感技术有限责任公司:主要从事武汉理工大学光纤中心研究的CFH系列光纤阀位回讯器产品的生产和销售。该产品最适用于石油化工厂、天然气及其他易燃易爆和恶劣环境下各种管道的阀位监测。该产品本质防爆,安全可靠,是国内首创的高科
3、技产品。武汉湖光传感有限责任公司:主要从事光纤探头、器件、高温防腐液位计等产品的生产和销售。该公司厂房设备先进,技术力量雄厚,可为用户提供一流产品和优质服务。光纤传感技术国家重点工业性试验基地概况光纤传感技术国家重点工业性试验基地概况8.2 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器在电力系统中,常会遇到要在强电磁场干扰的情况下测量高压、大电流等电磁参量的问题。由于光纤传感器具有绝缘性好,抗电磁场干扰,灵敏度高等特性,因此在电力系统测量中具有突出的优势。电磁量光纤传感器大多为传感型的光纤传感器 常用的调制方式:偏振调制和相位调制式。利用的物理效应:法拉第效应、磁致伸缩效 应、电致光吸收效应、压电弹光效应
4、等。8.2.1 电磁量光纤传感器基于的物理效应电磁量光纤传感器基于的物理效应1845 年,法拉第(年,法拉第(Faraday)通过实验发现:将磁光)通过实验发现:将磁光介质放置于磁场之中,并让一束平面偏振光通过磁光介质放置于磁场之中,并让一束平面偏振光通过磁光介质,其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生介质,其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生旋转。旋转。这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角 与光在物质中通过的距离l和磁场强度H成正比法拉第效应(磁光效应,磁致旋光)法拉第效应(磁光效应,磁致旋光)EB V 费尔德常量费尔德常量磁致伸缩效应磁致伸缩效应1982 年J.Joule在镍中
5、首先发现磁致伸缩现象。磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材磁致伸缩效应是指在外加磁场的作用下磁致伸缩材料的尺寸和形状会随着磁场的变化而变化,去掉外加料的尺寸和形状会随着磁场的变化而变化,去掉外加磁场后,又恢复原来的尺寸和形状。磁场后,又恢复原来的尺寸和形状。磁致伸缩引起的形变是相当小的,其数量级为10-6。不同的铁磁材料其磁致伸缩效应是不同的,在铁、钴、镍这三种材料中,镍的磁致伸缩效应最明显。单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图在在铁铁磁磁质质中中,相相邻邻铁铁原原子子中中的的电电子子间间存存在在着着非非常常强强的的交交换换耦耦合合作作用用,这这个个相相互互作作用用促促使使相相邻邻原原
6、子子中中电电子子的的自自旋旋磁磁矩矩平平行行排排列列起起来来,形形成成一一个个自自发发磁磁化化达达到到饱饱和和状态的微小区域,这些自发磁化的微小区域称为状态的微小区域,这些自发磁化的微小区域称为磁畴磁畴。磁致伸缩效应的物理解释磁致伸缩效应的物理解释 磁畴磁畴在外磁场作用下,磁矩与外磁场同方向排列时的磁能将低于磁矩与外磁反向排列时的磁能,结果是自发磁化磁矩和外磁场成小角度的磁畴处于有利地位,这些磁畴体积逐渐扩大,而自发磁化磁矩与外磁场成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。随着外磁场的不断增强,取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴将向外磁场的方向旋转。磁场增强磁场增强磁场增强磁场增强磁磁 致致
7、 伸伸 缩缩 效效 应应磁致伸缩式:单模光纤的折射率和长度发生变化l光路长度;光路长度;n折射率;折射率;l磁场磁场B引起的长度变化引起的长度变化光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料B电致光吸收效应电致光吸收效应外加电场的作用可引起材料吸收系数的变化。尤其是在半导体材料中,外电场作用使能带边发生倾斜,带间电子隧道贯穿势垒降低,致使带间吸收(包括一些激子吸收峰)向低能方向偏移,称为电致光吸收效应。电致伸缩(电致伸缩(压电效应)压电效应)某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比,这称为正压电效应。反之,在某些材料上施加电场,会产生机械变形,而且其应变与电场强
8、度成正比,这称为逆压电效应(或称电致伸缩)。如果施加的是交变电场,材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强,振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。光纤光纤压电材料压电材料当把单模光纤绕在压电材料的芯架或带条上,当外加电场作用于压电材料相应方向时,由于压电材料的伸缩,使单模光纤因电致伸缩效应发生折射率和长度的变化。光纤电磁量传感器采用的测量技术光纤电磁量传感器采用的测量技术测量磁场测量磁场-法拉第旋光效应-磁致伸缩效应测量电场测量电场(或电压或电压)-电致光吸收效应-电致伸缩效应测量电流测量电流-法拉第旋光效应-磁致伸缩效应利用法拉第效应制成磁场传感器。光纤光纤激光
9、激光激光激光探测器探测器(1 1)基于法拉第效应的磁场传感器)基于法拉第效应的磁场传感器)基于法拉第效应的磁场传感器)基于法拉第效应的磁场传感器V费尔德常量P1P28.2.2 光纤磁场传感器光纤磁场传感器LD信号处理器通过增加光纤缠绕圈数可以提高传感器的灵敏度,保偏光纤可以解决线偏振态的保持问题。基于法拉第效应制成磁场传感器原理图基于法拉第效应制成磁场传感器原理图+I1I2i1i2沃拉斯顿棱镜:一种光学器件,能产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的线偏振光沃拉斯顿棱镜半导体激光器输出的光信号经过偏振片使光信号处于线偏振状态,再经过保偏光纤传输到位于被测区的传感头,经过处于磁场中的磁场的偏振调制
10、,使线偏振光的方位角旋转,输出偏振光通过偏振分束器时,分为偏振垂直的两束线偏振光,分别由两个光电探测器接收。通过测量探测器的输出电流,可计算偏振面的旋转角度,进而计算出被测磁场。I1和I2为线偏振光经过磁场调制后的光强分别为在垂直偏振轴和水平偏振轴上的光强分量,两个探测器输出的电流信号差为经偏振分束器后两个正交的偏振态的光强分别为Ri为探测器的电流响应度。LD信号处理器+I1I2i1i2差分放大差分放大沃拉斯顿棱镜(2)基于磁致伸缩效应光纤磁场传感器)基于磁致伸缩效应光纤磁场传感器利用磁致伸缩材料所产生的变形作用于光纤,检测磁场是一种高灵敏度的技术。它是在马赫泽德尔干涉仪上用被覆有磁致伸缩材料
11、的光纤作为测量臂。干涉仪测量光纤光纤磁致伸磁致伸缩材料缩材料光纤的轴向尺寸将随磁场的强弱而伸缩,使得通过光纤的光程发生变化。信号光与参考光干涉后,得到与磁场成比例的输出信号。这种磁场传感器灵敏度高,分辨率可达10-12T,可用于测量磁场、探矿等。磁场磁场3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器测量臂测量臂光源光源a a)光纤马赫)光纤马赫泽德尔磁场传感器泽德尔磁场传感器磁致伸缩材料被覆磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂光纤作为测量臂光源光源磁场磁场参考臂3dB3dB3dB3dB传感器原理框图传感器原理框图I I0 0耦合器耦合器测量臂测量臂放大放大PZTPZTPZT的作用:信号处理器一路反
12、馈到PZT 上,使之工作在正交点,并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。信号处信号处理器理器磁致伸缩引起的相位变化磁致伸缩引起的相位变化光纤在磁致伸缩材料作用下,发生应变,包括纵向应变和径向应变,由于光弹效应折射率也发生变化光弹效应产生的折射率变化为:3 是径向应变,是径向应变,p11,p12是光弹系数。是光弹系数。其中轴向应变在在各各向向同同性性的的介介质质中中,1 2,且且介介质质的的体体积积保保持持不变,有关系:不变,有关系:2 1 3 0,因此,因此与待测磁与待测磁场有关场有关为了提高传感器灵敏度,在被覆材料上偏置一恒定磁场,外加总磁场强度H包括两个部分,一部分是作偏置用的直流恒定磁场
13、强度H0,H0的选定应使应变随磁场的变化率为最大值,以使传感器能工作在最灵敏的区域内;另一部分是待测的随时间在H0附近上下变化的磁场强度H1,通常H0 H1。b)光纤法布里珀罗干涉仪磁场传感器磁致伸缩材料分为结晶金属和金属玻璃两大类。金属类的磁致伸缩材料有铁、钴、镍,以及这三种元素的金属化合物。其中以纯镍的磁致伸缩系数(负值)最大。同时,由于制造简单和耐腐蚀等原因,常用纯镍作光纤的被覆层。磁致伸缩材料磁致伸缩材料纯镍金属被覆光纤,最佳的偏置磁场H0=240A/m,据报道,这时镍被覆光纤磁致伸缩灵敏度已达到1.2710-7 A/m2。镍被覆光纤可以有两种制作方法:一种是把经过退火的体状镍薄壁管粘
14、接到芯径为80m的单模光纤上。这种镍被覆光纤长度为10cm左右。光纤光纤镍薄壁管镍薄壁管10cm另一种是通过电子束蒸发的方法,使薄膜直接沉积在裸光纤上,其薄膜厚度在的范围内0.62m。例如在80m 芯径的光纤上可沉积1.5 m厚的镍被覆层。光纤沉积被覆层后要进行退火,消除磁场伸缩护层材料中的残余应变。裸光纤裸光纤沉积镍薄膜沉积镍薄膜几种敏感元件的基本结构几种敏感元件的基本结构光纤光纤被覆材料被覆材料a)被覆式被覆式b)心轴式心轴式磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤磁致伸缩材料磁致伸缩材料光纤光纤c)带式带式1、金属被覆单模光纤电流传感器、金属被覆单模光纤电流传感器这种传感器是根据被测电流流过金属
15、护套光纤时这种传感器是根据被测电流流过金属护套光纤时产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤产生电阻热效应对光纤进行加热而改变通过光纤中光的相位,从而实现电流检测的。中光的相位,从而实现电流检测的。若把被覆光纤作为马赫若把被覆光纤作为马赫泽德尔光纤干涉仪的测泽德尔光纤干涉仪的测量臀,则被覆光纤由于温度升高,其长度和折射量臀,则被覆光纤由于温度升高,其长度和折射率发生变化,从而改变了干涉仪两臂的两束光的率发生变化,从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。相位差。8.2.3 光纤电流传感器光纤电流传感器马赫马赫泽德尔干涉仪电流传感器原理泽德尔干涉仪电流传感器原理金属护套金属护套金属护套金属护套光纤
16、的轴向尺寸和折射率光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化随电流的强弱而变化光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器测量臂测量臂光源光源PZT金属护套金属护套金属护套金属护套光源光源参考臂3dB3dB3dB3dB光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器I I0 0耦合器耦合器测量臂测量臂信号处信号处理器理器PZTPZTPZT的的作作用用:信信号号处处理理器器一一路路反反馈馈到到PZT 上上,使使之之工工作作在在正正交交点点,并并对对因因温温度度变变化化引引发发的的干干扰扰因因素素进进行行补补偿。偿。放大放大(2)基于磁致伸缩效应光
17、纤电流传感器)基于磁致伸缩效应光纤电流传感器利用磁致伸缩材料被覆的单模保偏光纤作为马赫泽德尔干涉仪的测量臂。当被测电流流过线圈时,将产生磁场并作用在磁致伸缩材料上,产生磁致伸缩效应,引起光纤发生形变,从而使干涉仪的两个臂的光相位差发生变化,通过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。传感器测量臂光纤光纤光纤光纤磁致伸缩材料电流源光源光源参考臂3dB3dB3dB3dB金属被覆金属被覆光纤马赫光纤马赫泽德尔电流传感器泽德尔电流传感器I I0 0耦合器耦合器信号处信号处理器理器PZTPZTPZT的作用:信号处理器一路反馈到PZT 上,使之工作在正交点,并对因温度变化引发的干扰因素进行补偿。放大放大作为
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