光纤传感器的应用举例.pptx
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1、光纤光纤式传感器应用举例式传感器应用举例1 光纤温度传感器光纤温度传感器2 光纤位移传感器光纤位移传感器3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器4 光纤磁传感器光纤磁传感器5 医用光纤传感器医用光纤传感器6 分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光纤式传感器应用举例式传感器应用举例7 工业用内窥镜工业用内窥镜8 光纤加速度传感器光纤加速度传感器9 光纤光栅传感器光纤光栅传感器10 光纤层析成像分析技术及应用光纤层析成像分析技术及应用11 光纤纳米生物传感器光纤纳米生物传感器12 光纤传感领域的发展光纤传感领域的发展1 光纤温度传感器光纤温度传感器 光光纤纤测测温温技技术术是是一一种种新新技技
2、术术,光光纤纤温温度度传传感感器器是是工工业业中中应应用用最最多多的的光光纤纤传传感感器器之之一一。按按调调制制原原理理分分为为相相干干型型和和非非相相干干型型两两类类。在在相相干干型型中中有有偏偏振振干干涉涉、相相位位干干涉涉以以及及分分布布式式温温度度传传感感器器等等;在在非非相相干干型型中中有有辐辐射射温温度度计计、半半导导体体吸吸收收式式温温度度计计、荧荧光光温温度计等。度计等。1 光纤温度传感器光纤温度传感器 1.半导体吸收式温度传感器半导体吸收式温度传感器 半半导导体体材材料料的的光光吸吸收收和和温温度度的的关关系系曲曲线线如如图图所所示示。半半导导体体材材料料的的吸吸收收边边波波
3、长长l lg(T)随随温温度度增增加加而而向向较长波长方向位移。较长波长方向位移。1 光纤温度传感器光纤温度传感器 若若能能适适当当选选择择发发光光二二极极管管,使使其其光光谱谱范范围围正正好好落落在在吸吸收收边边的的区区域域,即即可可做做成成透透射射式式光光纤纤温温度度传传感感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。器。透过半导体的光强随温度升高而减少。1 光纤温度传感器光纤温度传感器 图图示示为为双双光光纤纤参参考考基基准准通通道道法法半半导导体体吸吸收收式式光光纤纤温温度度传传感感器的结构框图。器的结构框图。光光源源为为GaAlAs发发光光二二极极管管,测测温温介介质质为为测测量量光光纤纤
4、上上的的半半导导体体材材料料CdTe。参参考考光光纤纤上上面面没没有有敏敏感感材材料料。采采用用除除法法器器消消除除外外界界干干扰扰,提提高高测测量量精精度度。测测温温范范围围在在40 120 之间,精度为之间,精度为1。1 光纤温度传感器光纤温度传感器 2.干涉型光纤温度传感器干涉型光纤温度传感器 温温度度变变化化能能引引起起光光纤纤中中传传输输光光的的相相位位变变化化,利利用用光光纤纤干干涉涉仪仪检检测测相相位位变变化化即即可可测测得得温温度度。图图示示是是利利用用马马赫赫曾曾特特尔尔干干涉涉仪仪测测温温的的原原理理图图。光光通通过过信信号号臂臂产产生的相位变化为生的相位变化为式式中中,L
5、为为感感受受温温度度变变化化的的光光纤段的长度,纤段的长度,l l为光源波长。为光源波长。1 光纤温度传感器光纤温度传感器 例例8.1 若若已已知知光光源源波波长长l l0.6328 m mm,对对n1.456的单模石英玻璃光纤,有的单模石英玻璃光纤,有试试计计算算在在1 m的的光光纤纤上上,温温度度每每变变化化1 时时,将将有有几根条纹移动。几根条纹移动。1 光纤温度传感器光纤温度传感器解解 根据式根据式(8.20),对温度求导得,对温度求导得代入已知条件得代入已知条件得则条纹移动数则条纹移动数 。2 光纤位移传感器光纤位移传感器 1.反射强度调制型位移传感器反射强度调制型位移传感器 通通过
6、过改改变变反反射射面面与与光光纤纤端端面面之之间间的的距距离离来来调调制制反反射射光光的的强强度度。Y形形光光纤纤束束由由几几百百根根至至几几千千根根直直径径为为几几十十m mm的的阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤集集束束而而成成。它它被被分分成成纤纤维数目大致相等,长度相同的两束。维数目大致相等,长度相同的两束。2 光纤位移传感器光纤位移传感器 发发送送光光纤纤束束和和接接收收光光纤纤束束在在汇汇集集处处端端面面的的分分布布有有多多种种,如如随随机机分分布布、对对半半分分布布、同同轴轴分分布布(分分为为接接收光纤在外层和接收光纤在内层两类收光纤在外层和接收光纤在内层两类),如图所示。,如图所示。
7、2 光纤位移传感器光纤位移传感器 反反射射光光强强与与位位移移的的关关系系如如图图所所示示。可可以以看看出出,随随机机分分布布时时传传感感器器的的灵灵敏敏度度和和线线性性都都较较好好。还还可可以以看看出出,AB段段的的灵灵敏敏度度和和线线性性好好,但但测测量量范范围围小小,CD段段的的斜斜率率小小即即灵灵敏敏度度低,但线性范围宽。低,但线性范围宽。1随机分布;随机分布;2对半分布;对半分布;3同轴分布;同轴分布;4同轴分布同轴分布AMB CDM2 光纤位移传感器光纤位移传感器 假假设设传传感感器器工工作作在在AB段段,偏偏置置工工作作点点在在M,被被测测物物体体的的反反射射面面与与光光纤纤端端
8、面面之之间间的的初初始始距距离离是是M点点所所对对应应的的距距离离XM。由由曲曲线线可可知知,随随位位移移增增加加光光强强增增加加,反反之之则则光光强强减减少少,故故由此可确定位移方向。由此可确定位移方向。1随机分布;随机分布;2对半分布;对半分布;3同轴分布;同轴分布;4同轴分布同轴分布AMB CDM2 光纤位移传感器光纤位移传感器 光光纤纤位位移移传传感感器器一一般般用用来来测测量量小小位位移移。最最小小能能检检测测零零点点几几m mm的的位位移移量量。这这种种传传感感器器已已在在镀镀层层不不平平度度、零零件件椭椭圆圆度度、锥锥度度、偏偏斜斜度度等等测测量量中中得得到到应应用用,它它还还可
9、可用用来来测测量量微微弱弱振振动动,而而且是非接触测量。且是非接触测量。2 光纤位移传感器光纤位移传感器 2.干涉型光纤位移传感器干涉型光纤位移传感器 干干涉涉型型光光纤纤位位移移传传感感器器和和反反射射光光强强调调制制型型位位移移传传感器相比,测量范围大,测量精度高。感器相比,测量范围大,测量精度高。测量位移的测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。迈克尔逊干涉仪如图所示。1氦氦氖氖激激光光器器;2分分束束器器;3扩扩束束镜镜;4反反射射镜镜;5可可移移动动四四面面体体棱棱镜镜;6全全息息照照片片;7光光纤纤参参考考臂臂;8光光探探测测器器;9可逆计数器;可逆计数器;10光阑光阑 物物光光和和参参
10、考考光光干干涉涉,在在全全息息干干板板上上形形成成干干涉涉条条纹纹。四四面面体体棱棱镜镜移移动动时时,由由于于光光程程差差变变化化而而使使干干涉涉条条纹纹移移动动,从从干干涉涉条条纹纹的的移移动动量量可可以以确确定定位位移移的的大大小。小。两个光探测器用来确定移动方向。两个光探测器用来确定移动方向。1氦氦氖氖激激光光器器;2分分束束器器;3扩扩束束镜镜;4反反射射镜镜;5可可移移动动四四面面体体棱棱镜镜;6全全息息照照片片;7光光纤纤参参考考臂臂;8光光探探测测器器;9可逆计数器;可逆计数器;10光阑光阑2 光纤位移传感器光纤位移传感器3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 1.光纤涡流
11、流量计光纤涡流流量计 原原理理如如图图所所示示。采采用用一一根根横横贯贯液液流流管管的的大大数数值值孔孔径径的的多多模模光光纤纤作作为为传传感感元元件件。光光纤纤受受到到液液体体涡涡流流的的作作用用而而振振动动,这这种振动与液体的流速有关。种振动与液体的流速有关。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 根根据据流流体体力力学学原原理理,由由于于光光纤纤不不是是流流线线体体,在在一一定定条条件件下下,在在其其下下游游会会产产生生涡涡流流。这这种种涡涡流流是是在在光光纤纤下下游游两两侧侧产产生生的的有有规规律律的的漩漩涡涡,称称为为卡卡门门“涡涡街街”,由由于于漩漩涡涡列列之之间间的的相相互
12、互作作用用,涡涡列列一一般般不不稳稳定定,但但是是实实验验证证明明,当当满满足足h/l0.281时时,涡涡列列是是稳定的。稳定的。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 当当每每个个漩漩涡涡产产生生并并泻泻下下时时,它它会会在在光光纤纤上上产产生生一一种种侧侧向向力力,这这样样就就有有一一个个周周期期力力作作用用在在光光纤纤上上,使使其其振振动动。野野外外的的电电线线等等在在风风吹吹动动下下会会嗡嗡嗡嗡作作响响,就就是是这这种现象。实验证明,光纤振动的频率由下式得出种现象。实验证明,光纤振动的频率由下式得出式式中中,u u为为流流速速;d为为光光纤纤直直径径;s为为斯斯特特罗罗哈哈数数(
13、无无量量纲纲),当当雷雷诺诺数数Re在在500150000范范围围内内时时,对对圆圆柱柱体体s0.2。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 当当光光通通过过未未受受扰扰动动的的光光纤纤时时,如如果果光光纤纤直直径径为为200 m mm300 m mm,在在距距离离光光纤纤端端面面约约1520 cm的的地地方方可可以以观观察察到到清清晰晰而而稳稳定定的的斑斑图图,但但它它的的分分布布是是无无规规则则的的。当当光光纤纤振振动动时时,这这些些斑斑图图就就会会不不断断地地振振动动,如如用用光光探探测测器器接接收收斑斑图图的的一一个个小小区区域域,即即可可通通过过频频谱谱仪仪读读出出光光纤纤振振
14、动动的的频频率率。由由式式(8.23)算算出出流流速,在管子尺寸一定的条件下,就可得出流量。速,在管子尺寸一定的条件下,就可得出流量。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 这这种种流流量量计计结结构构简简单单而而且且安安全全可可靠靠,可可用用于于易易燃燃、易易爆爆及及有有腐腐蚀蚀性性的的液液体体测测量量。因因为为光光纤纤直直径径很很细细,对对流流体体的的流流阻阻小小,对对流流场场几几乎乎没没有有影影响响。不不足足之处是对低速流体不敏感。之处是对低速流体不敏感。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 2.光纤多普勒血流传感器光纤多普勒血流传感器 利利用用多多普普勒勒效效应应可可构构
15、成成光光纤纤速速度度传传感感器器。由由于于光光纤纤很很细细(外外径径约约几几十十m mm),能能装装在在注注射射器器针针头头内内,插插入入血血管管中中。又又由由于于光光纤纤速速度度传传感感器器没没有有触触电电的的危危险险,所所以用于测量心脏内的血流十分安全。以用于测量心脏内的血流十分安全。3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 图图示示为为光光纤纤多多普普勒勒血血流流传传感感器器的的原原理理图图。测测量量光光束束通通过过光光纤纤探探针针进进到到被被测测血血流流中中,经经直直径径约约7 m mm的的红红血血球球散散射射,一一部部分分光光按按原原路路返返回回,得得到到多多普普勒勒频移信号频移
16、信号f D Df,频移,频移D Df为为式式中中,u u为为血血流流速速度度;n为为血血液液的的折折射射率率;q q为为光光纤纤轴轴线线与与血血管管轴轴线线的的夹角;夹角;l l为激光波长。为激光波长。f+D+Df3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 另另一一束束进进入入驱驱动动频频率率为为f140 MHz的的布布喇喇格格盒盒(频移器频移器),得到频率为,得到频率为ff1的参考光信号。的参考光信号。f1+D Dff-f1 将参考光信号与将参考光信号与多普勒频移信号进行多普勒频移信号进行混频,就得到要探测混频,就得到要探测的信号。这种方法称的信号。这种方法称为为光学外差法光学外差法。f+
17、D+Df3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 经经光光电电二二极极管管将将混混频频信信号号变变换换成成光光电电流流送送入入频频谱谱分分析析仪仪,得得出出对对应应于于血血流流速速度度的的多多普普勒勒频频移移谱谱(速速度谱度谱),如右图所示。,如右图所示。f1+Dff-f1f+Df3 光纤流量、流速传感器光纤流量、流速传感器 典典型型的的光光纤纤血血流流传传感感器器可可在在01000 cm/s速速度度范范围围内内使使用用,空空间间分分辨辨率率为为100 m mm,时时间间分分辨辨率率为为8 ms。光光纤纤血血流流传传感感器器的的缺缺点点是是光光纤纤插插入入血血管管中中会会干干扰扰血血液液流
18、流动动,另另外外背背向向散散射射光光非非常常微微弱弱,在在设设计计信号检测电路时必须考虑。信号检测电路时必须考虑。4 光纤磁传感器光纤磁传感器 按按工工作作原原理理可可分分为为:根根据据法法拉拉第第磁磁光光效效应应直直接接实实现现磁磁光光转转换换,根根据据磁磁致致伸伸缩缩效效应应,利利用用力力或或其他物理量间接实现磁光转换。其他物理量间接实现磁光转换。1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器利用法拉第磁光效应的光纤传感器 利利用用法法拉拉第第磁磁光光效效应应测测量量磁磁场场的的方方法法很很多多,如如强强度度调调制制方方式式,偏偏振振光光度度测测量量方方式式和和外外差差方方式式等等,这里仅介绍偏振光度
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- 光纤 传感器 应用 举例
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