光纤应变传感器课件.ppt

  第六章  光纤应变传感器光纤应变传感器主要内容n一、光纤传感的应用领域　n二、光纤传感的分类　　n三、光纤传感的研究现状光纤应变传感器被测量被测量：：　　温度　　温度[1]、、　　压力　　压力[2]、、　　流量　　流量[3]、、　　位移　　位移[4]、、　　振动　　振动[5]、、　　转动　　转动[6]、、　　弯曲　　弯曲[7]、、　　液位　　液位[8]、、　　速度　　速度[9]、、　　加速度　　加速度[10]、、　　声场　　声场[11]、、　　电流　　电流[12]、、　　电压　　电压[13]、、　　磁场　　磁场[14]　　辐射　　辐射[15等各种物理量等各种物理量 传感传感技术的应用技术的应用领域领域工业工业　农业　农业国防国防运输运输能源能源环境环境建筑业建筑业6.1　传感技术应用领域　传感技术应用领域光纤应变传感器传感技术的现状n6.2 传统的传感技术n6.3 光纤传感技术光纤应变传感器6.2  传统的传感技术n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光纤应变传感器   四川宜宾南门大桥断裂成三截2001年11月07日凌晨４时３０分至５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２人失踪，２人受伤市区南北公路交通和部分通讯中断 光纤应变传感器6.3 光纤传感器分类与研究现状n分类：n一、按传感系统结构分类n二、按被测量分类光纤应变传感器6.3.1 光纤传感器按结构分类n光强调制型光纤应变传感器 n偏振型光纤应变传感器n相位调制型光纤应变传感器  光纤应变传感器6.3.2 光纤传感器按被测量分类n光纤应变传感器 n光纤温度传感器n光纤电压、电流传感器n光纤流量传感器  光纤应变传感器6.3.2 光纤传感器按应用领域分类n工业用光纤传感器 n农业用光纤传感器n军事业用光纤传感器n水利用光纤传感器n食品工业用光纤传感器n建筑工业用光纤传感器n消防用光纤传感器n医疗用光纤传感器光纤应变传感器6.3.3 光纤传感器按结构分类n光强调制型光纤应变传感器 n偏振型光纤应变传感器n相位调制型光纤应变传感器  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3000με[20]，最高分辨率为25με [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光纤应变传感器  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 gaugen                      最大测量范围[34]为1200με，分辨率为 5με 光纤应变传感器 相位调制型光纤应变传感器n麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器n马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器n法布里法布里-珀罗珀罗(Fabry-Perot简写为简写为F-P)光纤光纤应变传感器应变传感器 n光纤光栅传感器光纤应变传感器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 光纤应变传感器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 Michelsonn最大测量范围[36]达1500με，最高分辨率达2με 光纤应变传感器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-Zehnder’s strain sensor                                   最大测量范围为1200με，最高分辨率为2με 光纤应变传感器法布里法布里-珀罗光纤应变传感器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 光纤应变传感器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6-12  各种光纤干涉仪 光纤应变传感器19901990 1996 1996单单F-P腔腔双双F-P 腔腔 F－－P＋＋光纤光栅光纤光栅简化制作工艺简化制作工艺　减小体积　减小体积消除干扰消除干扰20026.4　F－P传感器的发展光纤应变传感器                 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F－P结构光纤应变传感器6.5　光纤F-P应变传感器目前存在的问题n系统线性范围小、线性度差、分辨率低系统线性范围小、线性度差、分辨率低 n光纤传感器抗震动能力差光纤传感器抗震动能力差 n 制造工艺不完善、没有实现产品化、标准制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化化光纤应变传感器系统线性范围小、分辨率低系统线性范围小、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 光纤应变传感器光纤传感器抗震动能力差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光纤应变传感器制造工艺不完善、没有实现产品制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化化、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 光纤应变传感器非对称本征珐珀干涉仪－UIFPI光纤应变传感器光源光源光纤应变传感器光纤光纤光纤应变传感器光电探测器光电探测器图6-14 光电二极管 光纤应变传感器实验装置图光纤应变传感器光纤应变传感器n性曲线 光纤应变传感器。