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光纤传感器的应用举例

发布日期:2021-01-18 03:55

  光纤传感器的应用举例_电子/电路_工程科技_专业资料。光纤式传感器应用举例 1 2 3 4 5 6 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器 光纤式传感器应用举例 7 工业用内窥镜 8 光纤

  光纤式传感器应用举例 1 2 3 4 5 6 光纤温度传感器 光纤位移传感器 光纤流量、流速传感器 光纤磁传感器 医用光纤传感器 分布式光纤传感器 光纤式传感器应用举例 7 工业用内窥镜 8 光纤加速度传感器 9 光纤光栅传感器 10 光纤层析成像分析技术及应用 11 光纤纳米生物传感器 12 光纤传感领域的发展 1 光纤温度传感器 光纤测温技术是一种新技术,光纤温度传感器 是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理 分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干 涉、相位干涉以及分布式温度传感器等;在非相干 型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温 度计等。 1 光纤温度传感器 1.半导体吸收式温度传感器 半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所 示。半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度增加而向 较长波长方向位移。 1 光纤温度传感器 若能适当选择发光二极管,使其光谱范围正好 落在吸收边的区域,即可做成透射式光纤温度传感 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 图示为双光纤参 考基准通道法半导体 吸收式光纤温度传感 器的结构框图。 光源为GaAlAs发光二极管,测温介质为测量光纤 上的半导体材料 CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。 采用除法器消除外界干扰,提高测量精度。测温范围 在40 ℃~120 ℃之间,精度为±1 ℃。 1 光纤温度传感器 2.干涉型光纤温度传感器 温度变化能引起光纤中传输光的相位变化,利用 光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用 马赫—曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产 生的相位变化为 分束器 氦氖 l 式中,L为感受温度变化的光 纤段的长度,l为光源波长。 ?? 2π 激光器 nL (8.20) 扩束器 显微物镜 单模光纤 被测温度场 光探测器 1 光纤温度传感器 例8.1 若已知光源波长l=0.6328 mm,对n= 1.456的单模石英玻璃光纤,有 dL ? 5 ?10 ?7 / ? C, LdT dn ? 10 ?10 ?6 / ? C dT 试计算在1 m的光纤上,温度每变化1 ℃时,将有 几根条纹移动。 1 解 2π 光纤温度传感器 d? 2π ? dn dL ? ? ?n ?L ? dT l ? dT dT ? 根据式(8.20),对温度求导得 nL (8.20) ?? l d? 2π ? dn n dL ? ? ? ? ? LdT l ? dT L dT ? 代入已知条件得 d? ? 107 rad/( ?C ? m) LdT 则条纹移动数 m ? d? /(2π) ? 17 /(?C ? m)。 LdT 2 光纤位移传感器 1.反射强度调制型位移传感器 通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制 反射光的强度。 Y 形光纤束由几百根至几千根直径 为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤 维数目大致相等,长度相同的两束。 2 光纤位移传感器 发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布 有多种,如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接 收光纤在外层和接收光纤在内层两类),如图所示。 1 反 射 光 强 1随机分布 2对半分布 发送光纤 3同轴分布 4同轴分布 接收光纤 2 A M B 3 4 X M 2 1 光纤位移传感器 反射光强与位移的关 2 反 C 系如图所示。可以看出, C A A 3 射 4 M 光 M 随机分布时传感器的灵敏 D D 强 B B 度和线性都较好。还可以 看出, AB 段的灵敏度和 线性好,但测量范围小, XM 位移 1—随机分布;2—对半分布; CD 段的斜率小即灵敏度 低,但线 光纤位移传感器 假设传感器工作在AB 1 段,偏置工作点在 M ,被 2 反 C C A 射 A 3 测物体的反射面与光纤端 4 M 光 M D D 强 面之间的初始距离是 M 点 B B 所对应的距离XM。由曲线 可知,随位移增加光强增 XM 位移 加,反之则光强减少,故 1—随机分布;2—对半分布; 3—同轴分布;4—同轴分布 由此可确定位移方向。 M 2 光纤位移传感器 光纤位移传感器一般用来测量小位移。最 小能检测零点几 mm 的位移量。这种传感器已 在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等 测量中得到应用,它还可用来测量微弱振动, 而且是非接触测量。 2 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和反射光强调制型位移 传感器相比,测量范围大,测量精度高。 测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。 2 1 3 4 6 7 10 9 8 8 5 1 -氦氖激光器; 2 -分束 器; 3 -扩束镜; 4 -反射 镜;5-可移动四面体棱镜; 6 -全息照片; 7 -光纤参 考臂; 8 -光探测器; 9 - 可逆计数器;10-光阑 2 光纤位移传感器 物光和参考光干涉,在全息干板上形成干涉 条纹。四面体棱镜移动时,由于光程差变化而使干 涉条纹移动,从干涉条纹的移动量可以确定位移的 大小。两个光探测器用来确定移动方向。 2 1 3 4 6 7 10 9 8 8 5 1 -氦氖激光器; 2 -分束 器; 3 -扩束镜; 4 -反射 镜;5-可移动四面体棱镜; 6 -全息照片; 7 -光纤参 考臂; 8 -光探测器; 9 - 可逆计数器;10-光阑 3 光纤流量、流速传感器 入射光 1.光纤涡流流量计 原理如图所示。采用一根 横贯液流管的大数值孔径的多 模光纤作为传感元件。光纤受 到液体涡流的作用而振动,这 种振动与液体的流速有关。 水管 重物 斑图 3 光纤流量、流速传感器 根据流体力学原理,由于光纤不是流线体,在 一定条件下,在其下游会产生涡流。这种涡流是在 光纤下游两侧产生的有规律的漩涡,称为卡门“涡 街”,由于漩涡列之间的相互作用,涡列一般不稳 定,但是实验证明,当满足 h/l = 0.281 时,涡列是 入射光 稳定的。 水管 d l h 重物 3 光纤流量、流速传感器 当每个漩涡产生并泻下时,它会在光纤上产生一 种侧向力,这样就有一个周期力作用在光纤上,使其 振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响,就是这 种现象。实验证明,光纤振动的频率由下式得出 f ? s? / d (8.23) 式中,?为流速;d为光纤直径;s为斯特罗哈数(无量 纲),当雷诺数Re在500~150000范围内时,对圆柱体 s≈0.2。 3 光纤流量、流速传感器 当光通过未受扰动的光纤时,如果光纤直径为 200 mm~300 mm,在距离光纤端面约15~20 cm的 地方可以观察到清晰而稳定的斑图,但它的分布是 无规则的。当光纤振动时,这些斑图就会不断地振 动,如用光探测器接收斑图的一个小区域,即可通 过频谱仪读出光纤振动的频率。由式(8.23)算出流 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 这种流量计结构简单而且安全可靠,可用于易 燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因为光纤直径很 细,对流体的流阻小,对流场几乎没有影响。不足 之处是对低速流体不敏感。 3 光纤流量、流速传感器 2.光纤多普勒血流传感器 利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光 纤很细 ( 外径约几十 mm) ,能装在注射器针头内,插 入血管中。又由于光纤速度传感器没有触电的危险, 所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 图示为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量 光束通过光纤探针进到被测血流中,经直径约7 mm 的红血球散射,一部分光按原路返回,得到多普勒 频移信号f +Df,频移Df为 2n?cos? Df ? (8.24) l 式中,?为血流速度;n 为血液的折射率; ? 为 f?Df 光纤轴线与血管轴线的 夹角;l为激光波长。 3 光纤流量、流速传感器 另一束进入驱动频率为f1=40 MHz的布喇格盒 (频移器),得到频率为f-f1的参考光信号。 f? f1 f?Df f1+Df 将参考光信号与 多普勒频移信号进行 混频,就得到要探测 的信号。这种方法称 为光学外差法。 3 光纤流量、流速传感器 经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频 谱分析仪,得出对应于血流速度的多普勒频移谱 (速 度谱),如右图所示。 f?f1 f?Df f1+Df 3 光纤流量、流速传感器 典型的光纤血流传感器可在0~1000 cm/s速度 范围内使用,空间分辨率为100 mm,时间分辨率为 8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会 干扰血液流动,另外背向散射光非常微弱,在设计 信号检测电路时必须考虑。 4 光纤磁传感器 按工作原理可分为:①根据法拉第磁光效应直 接实现磁光转换,②根据磁致伸缩效应,利用力或 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测量磁场的方法很多,如 强度调制方式,偏振光度测量方式和外差方式等, 这里仅介绍偏振光度测量方式。 4 光纤磁传感器 偏振光经保偏光 纤、自聚焦透镜进入 H 法拉第磁光盒,经多 次反射后进入渥拉斯 登棱镜,把偏振光变 成振动方向相互垂直 法拉第盒 的两束光。 光源 + 保偏光纤 D1 P ÷ 渥拉斯 登棱镜 D2 4 光纤磁传感器 设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹 角为45 ?,这样D1和D2光电管接收的光强为 I1 ? I 0 cos (45 ? ? ) 2 ? (8.25) (8.26) I 2 ? I 0 sin 2 (45? ? ? ) 式中,?为偏振面的旋转角度;I0为入射光强;I1、 I2为两偏振光的强度。 4 光纤磁传感器 采用图中的“加”、“减”和“除”法运算后, 其输出 I1 ? I 2 P? ? sin 2? I1 ? I 2 (8.27) 通过测量P就能确定?,利用式(8.17)即可确定B。 4 光纤磁传感器 2.利用磁致伸缩效应的光纤传感器 在磁场作用下,磁性物体的尺寸会发生改变,这 种现象即为磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器 是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜,或者 将光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下, 由于磁致伸缩效应,纤芯长度变化及纤芯折射率变化, 都会导致光程的相应变化。 4 光纤磁传感器 图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸 缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关,主要取决于 材料的磁致伸缩常数。 磁场 光源 磁性膜 参考光纤 光纤 电输出 光检测器 5 医用光纤传感器 医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁干扰 性能好,特别适于身体的内部检测。可以用来测量 体温、体压、血流量、 pH 值等医学参量。光纤多 普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙 的蛛网状组织,老鼠的视网膜皮层的血流测量等。 5 医用光纤传感器 1.医用内窥镜 由于光纤柔软、自由 度大、传输图像失真小, 引入医用内窥镜后,可以 方便的检查人体的许多部 位。上图为腹腔镜的剖视 图 。 图 像 导 管 直 径 约 3.4 mm 。下图为观察部位的 照片。 5 医用光纤传感器 2.光纤体压计 可用来检测人体各部位的体压,如膀胱、直肠、 颅内和心血管等,测量范围通常为0~40 kPa。 图所为一种医用体压计探针的结构示意图,在探 针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片 通过悬臂梁与反射镜相连。 导管 反射镜 光纤束 p P 防水薄膜 防水薄膜 悬臂梁 6 分布式光纤传感器 分布式传感器是指能同时测量空间多个点甚至空 间连续分布的环境参数的传感器。 利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良 的分布式光纤传感器,特别适于需要同时监测在光纤 通过的路途上大量位置处连续变化的物理量,如建筑 物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测, 石油钻井平台、飞机、航天器、电力变压器、发电机 组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。 6 分布式光纤传感器 根据不同的原理,可构成不同的分布式光纤传 感器,如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效应的、 利用布里渊效应的和利用前向传输模耦合的分布式 光纤传感技术等。 6 分布式光纤传感器 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹 性碰撞所引起的,散射光的频率与入射光的频率相 同。光脉冲在光纤中传播时,由于瑞利散射而发生 能量损耗,通过检测后向散射光的强度,就可获得 衰减程度沿光纤的分布状况,这是一种最简单的分 布式传感器,也是光纤通信中查找光缆故障和缺陷 定位的一种诊断技术。 6 分布式光纤传感器 在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中,一般 采用光时域反射 (OTDR) 结构来实现被测量的空间 定位。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用, 该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。 6 输入 脉冲 脉冲 激光器 分布式光纤传感器 z 连续传感光纤 局部微扰 耦合器 (损耗) 探测器 电子处 理系统 l n( P ) s 斜率 α i 输出 光纤端 面反射 斜率 α i +Δ α αi t = 2nz/c OTDR 原理如 图所示。根据后向 散射功率的对数斜 率 ai 是否变化,可 知道光纤内是否存 在故障点。观测后 向散射脉冲的到达 时间t,便可测得 故障点的位置z。 6 分布式光纤传感器 ct z? ? 2 2n ?t (8.28) 式中,c为真空中光速;n为纤芯折射率。 OTDR的空间分辨率,即可分辨的两个故障点 的最小距离,是由脉冲宽度t决定的,可表示为 Δ zmin ct ? 2n (8.29) 一般情况下,OTDR反射信号很弱,要获得高 信噪比,常常需要对多个探测脉冲求平均。 6 分布式光纤传感器 利用适当的光纤结构,使损耗系数 ai与环境的某 个物理量有关,则可对其进行分布式测量。例如:① 外界压力或变形使光纤产生的微弯损耗;②在光纤中 掺杂稀土离子后,衰减与环境温度有关;③利用保偏 光纤,若环境使光纤产生应力,将导致光信号的偏振 状态发生变化;④利用克尔效应或法拉第磁光效应, 通过监测偏振状态来测量电场和磁场的分布。 7 工业用内窥镜 在工业生产的某些过程中,经常需要检查某些系 统内部结构状况,而这些系统由于种种原因不能打开 或靠近观察,采用光纤图像传感器可解决这一难题。 8 光纤加速度传感器 光纤加速度传感器如图所示。 9 光纤光栅传感器 1978年首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光 栅效应,其后又发展了紫外光侧面写入光敏光纤光栅 技术。所谓光纤的光敏性是指,掺杂光纤中通过激光 时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变 化。如用激光干涉条纹侧面辐照掺锗光纤,就会使其 成为光纤光栅,并且在 500 ℃以下稳定不变,用 500 ℃以上的高温可擦除。这种光栅制作简单,在光纤通 信和光纤传感中都有相当重要的应用。 9 光纤光栅传感器 光纤光栅是利用光纤的光敏性 ( 也称为光致折 射率变化效应 ) 制成的。光纤光栅实质上是一种波 长选择反射器,它的反射信号的波长会受施于其上 的温度和应变的影响而发生变化。利用光纤光栅的 温度和应变两种效应,可以检测许多物理量,在传 感技术中应用前景十分广阔。 10 光纤层析成像分析技术及应用 光纤层析成像分析技术源于 X射线层析成像分析 (CT) ,其基本原理是,当光线经过被测样品时,不 同样品材料的吸收特性不同,因此对经过样品的光线 进行测量、分析,并根据预定的拓扑结构和设计进行 解算就可得到所需要的样品参数。根据原理和应用场 合的不同,可分为光相干层析成像分析技术 (OCT) 和光过程层析成像分析技术(OPT)。 10 光纤层析成像分析技术及应用 OCT的基本原理如图所示,一个光脉冲在样品 的不同深度处反射回来的时间是不同的,通过测量 光脉冲从样品中反射回来的时间延时,可得到样品 深度方向的结构图像。 10 光纤层析成像分析技术及应用 若想反映 mm量级的深度差别,则时间延迟将短 至 10 - 15 s ,电子设备难以直接测量,故利用迈克尔 逊干涉仪进行测量。 10 光纤层析成像分析技术及应用 OCT主要应用于生物、医学、化学分析等领域, 例如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒 (CDOCT) 血流成像等。 OCT为生物细胞和机体的活 性检测提供了一种有效的方式,已有实例应用于对生 长中的细胞进行观察和监测。 10 光纤层析成像分析技术及应用 图示为清华大学建立的我国第一台OCT装置得 到的葱表皮的光学相干 CT 图象。该图象实际尺寸 为10 mm×4 mm,横向分辨率约20 mm,纵向分辨 率约25 mm。表皮层、导管和筛管的细胞结构,不 需做切片便可看清。 10 光纤层析成像分析技术及应用 图示为兔子眼球的OCT图象,其中角膜、晶状 体、睫状体等结构都十分清晰。 10 光纤层析成像分析技术及应用 OPT则面向工业工程——油井、管线等场所, 高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT具有 适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区 域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处, 为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。 11 光纤纳米生物传感器 目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。 其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。 纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基 础,左图为熔接—熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳 米光纤用于细胞检测。 12 光纤传感领域的发展 当前,世界上光纤传感领域的发展可分为两大 方向:原理性研究与应用开发。 当前的原理性研究热点集中于两大板块 ①光纤光栅传感器; ②分布式光纤传感系统。 12 光纤传感领域的发展 对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类 ①光(纤)层析成像技术(OCT,OPT); ②智能材料; ③光纤陀螺与惯性导航系统; ④常规工业、工程传感器。