第8章 光纤传感器应用
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第8章 光纤传感器应用光纤传感器应用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，光纤传感器能对位移、压力、温度、速度、振动、液位、角度等70种物理量做测量。光纤传感技术探讨研究重点在以下几个方面：①光纤传感器系统；②现代数字光纤控制管理系统；③光纤陀螺；④核辐射监控；⑤飞机发动机监控；8.1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获得飞速的发展。虽说国内对高精度的光纤传感...
光纤传感器应用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
原理。目前，光纤传感器能对位移、压力、温度、速度、振动、液位、角度等70种物理量做测量。光纤传感技术探讨研究重点在以下几个方面：①光纤传感器系统；②现代数字光纤控制管理系统；③光纤陀螺；④核辐射监控；⑤飞机发动机监控；8.1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获得飞速的发展。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武汉兰光测控技术有限公司：主要是做光纤液位计系列新产品的生产和销售。现有着先进的生产线和检验测试手段，组织管理严格，产品大范围的应用于国内石油、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：主要是做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各样的管道的阀位监测。该产品本质防爆，安全可靠，是国内首创的高科技产品。武汉湖光传感有限责任公司：主要是做光纤探头、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，可为用户更好的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8.2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、压电弹光效应等。8.2.1电磁量光纤传感器基于的物理效应1845年，法拉第（Faraday）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，其偏振面将随着平行于光传播方向的磁场发生旋转。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）EBV─费尔德常量磁致伸缩效应 1982年J.Joule在镍中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
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铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子的自旋磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域称为磁畴。磁致伸缩效应的物理解释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。随着外磁场的慢慢地加强，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。磁场增强磁致伸缩效应磁致伸缩式：单模光纤的折射率和长度发生明显的变化l－光路长度；n－折射率；l－磁场B引起的长度变化光纤磁致伸缩材料B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（压电效应）某些材料在机械力作用下发生变形,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测量磁场---法拉第旋光效应---磁致伸缩效应测量电场(或电压)---电致光吸收效应---电致伸缩效应测量电流---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。光纤激光探测器（1）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LD信号处理器通过增加光纤缠绕圈数能大大的提升传感器的灵敏度，保偏光纤能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+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，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。经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差分放大沃拉斯顿棱镜（2）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的光纤作为测量臂。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明显的变化。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较高，分辨率可达10-12T,可用于测量磁场、探矿等。磁场3dB3dB耦合器耦合器测量臂光源a）光纤马赫泽德尔磁场传感器磁致伸缩材料被覆光纤作为测量臂光源磁场参考臂3dB3dB传感器原理框图I0耦合器测量臂放大PZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT上，使之工作在正交点，并对因气温变化引发的干扰因素进行补偿。信号处理器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明显的变化光弹效应产生的折射率变化为：3是径向应变，p11,p12是光弹系数。其中轴向应变在各向同性的介质中，1＝2，且介质的体积保持不变，有关系：21＋3＝0，因此与待测磁场有关为了更好的提高传感器灵敏度，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H0H1。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1.27×10-7A/m2。镍被覆光纤可以有两种制作的过程:一种是把经过退火的体状镍薄壁管粘接到芯径为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0.6~2m。例如在80m芯径的光纤上可沉积1.5m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。裸光纤沉积镍薄膜几种敏感元件的基本结构光纤被覆材料a)被覆式b)心轴式磁致伸缩材料光纤磁致伸缩材料光纤c)带式1、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护套光纤时产生电阻热效应对光纤加热而改变通过光纤中光的相位，以此来实现电流检测的。若把被覆光纤作为马赫泽德尔光纤干涉仪的测量臀，则被覆光纤由于温度上升，其长度和折射率发生明显的变化，从而改变了干涉仪两臂的两束光的相位差。8.2.3光纤电流传感器马赫泽德尔干涉仪电流传感器原理金属护套光纤的轴向尺寸和折射率随电流的强弱而变化光纤马赫泽德尔电流传感器3dB3dB耦合器耦合器测量臂光源PZT金属护套光源参考臂3dB3dB光纤马赫泽德尔电流传感器I0耦合器测量臂信号处理器PZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT上，使之工作在正交点，并对因气温变化引发的干扰因素进行补偿。放大（2）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明显的变化，经过测量相位差的大小就可以测量电流的大小。传感器测量臂光纤电流源光源参考臂3dB3dB金属被覆光纤马赫泽德尔电流传感器I0耦合器信号处理器PZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT上，使之工作在正交点，并对因气温变化引发的干扰因素进行补偿。放大作为干涉腔的光纤缠绕在铁镍合金筒（磁致伸缩材料）上，使干涉腔光纤感测外加磁场，光波的相位受到调制。一个偏置磁场作用于传感头，并通过调整其参数使干涉仪工作在最佳的线性点。最后，检测到的电信号依次经过带通滤波器及放大电路，然后与依次经过光探测器及放大电路的参考电信号同时通过一个除法器电路，以减小了光路噪声和电路噪声的影响。由除法器电路输出一个电压信号，此电压信号与外加磁场的对应关系也相应的建立起来。(3)基于磁致伸缩和布拉格光纤光栅的电流传感器布拉格波长光强反射光谱传感器头螺线管内磁场光纤光栅电流传感器结构1信号处理环形器宽光谱光源波长测量施加磁场改变光栅的周期，使其反射波长产生一些变化。电流传感器结构2GMM--磁致伸缩材料由于法拉第效应引起光纤Bragg光栅中左旋和右旋偏振光的光纤折射率的微弱变化。(4)基于法拉第效应光纤光栅的电流传感器nR和nL表示光纤Bragg光栅中的右旋和左旋偏振光折射率。信号处理环形器宽光谱光源波长测量施加磁场改变光折射率，使其反射波长产生一些变化。调谐单元采用匹配参考光栅法，传感信号作为入射信号传入到调谐单元，通过改变电流对匹配光栅进行调谐。当匹配光栅与传感光栅匹配（即传感光栅和参考光栅中心波长相同）时，满足波长反射条件的光达到最强，此时光电探测器接收到的调谐单元输出的光强信号最大，对应的调谐电流就能反映传感电流。采用高精度光谱分析仪对此单元的电流和波长关系事先进行标定。测量原理：不考虑温度的影响时若磁致伸缩材料的应变与磁场强度B的关系为测量原理分析（4）基于法拉第效应光纤电流传感器这种传感器的工作原理示意图所示。其基础原理是利用光纤材料的法拉第效应，即处于磁场中的光纤会使在光纤中传输的偏振光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场强度H、磁场中光纤的长度l成正比 该种电流传感器的优点：测量范围大，灵敏度较高，与高压无接触，电绝缘性好，非常适合于高压大电流的测量，测量范围为0～1000A。信号处理光源探测器四分之一波片传感光纤载流导线a)光纤电流传感器原理图光纤起偏器耦合器返回光在起偏器处发生干涉b)光纤电流传感器原理图以45注入保偏光纤光纤电流传感器传感器应用光纤电流传感器应用光纤电流传感器的优势：既可以测直流电，又可以测交流电不受电磁干扰本身不带电，安全防爆体积小巧，易于安装组网方便，便于维护升级光纤传导信号，实现长距离监测。8.2.4光纤电场传感器电致光吸收是指绝缘体与半导体的光吸收在电场作用下发生明显的变化。根据材料不同电吸收的机理也不完全一样。对于体材料产生的电致光吸收效应为：Franz-Keldysh(伏兰茨克尔德什)效应（1）电致光吸收光纤电场传感器Franz-Keldysh效应Franz-Keldysh效应在体材料中，光子吸收主要发生在价带电子被受激跃迁到导带的情况当半导体材料中存在电场时,材料的吸收截止波长将向长波方向挪动，这就是Franz-Keldysh效应。外电场能影响光纤中杂质离子及杂质离子外层电子的吸收光谱，因此能改变掺有适当杂质离子光纤的透光率，即所谓电致光吸收效应。电致光吸收光纤电场传感器就是根据电场作用使离子与电子的吸收谱线发生偏移，光纤中掺入能产生伏兰茨克尔德什效应的结晶体，使其吸收率随电压而变化。就可用这种光纤测量电场或电压的大小。电致光吸收光纤电场传感器原理电致光吸收光纤电场传感器原理根据量子力学理论可以导出在电场E作用下，半导体材料禁带宽度Eg的变化为：m*为电子有效质量，LED发光光谱材料吸收率E1E2E3E3E1E2相对发光强度吸收率波长对于波长处于材料的吸收边外而又靠近吸收边的入射光，其吸收系数会在施加电场后有明显变化。E电致光吸收光纤电场传感器原理图LED光源探测器掺有杂质离子光纤电吸收调制器原理利用Franz-Keldysh效应效应，工作在调制器材料吸收区边界波长处。当调制器无偏压时，该波长处吸收最小，因而输出光功率最大，处于通状态，或者说输出“1”。随着调制器上电压的增加，调制器对输入光波的吸收边向长波长方向偏移，原来的波长处吸收系数变大，调制器成为断状态，输出功率最小，或者说输出“010101（2）基于压电效应光纤电场传感器利用压电效应测量电场的光纤传感器，即采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹光效应相结合的方法。在压电效应中，可以用高分子聚合物(如聚偏二氟乙烯－PVF2)作压电材料，高分子聚合物可作为光纤的包皮与光纤合为一体，只要这种形式的光纤足够长就能解决耐高压与测量高压的问题。PVF2光纤压电材料光纤马赫泽德尔电场传感器3dB3dB耦合器耦合器测量臂光源PZT压电材料PVF2的灵敏度较长为633nm时，PVF2约有4rad／(Vm)的相移，而普通的压电陶瓷波长为633nm时，约有0.39rad／(Vm)的相移。光源参考臂3dB3dB光纤马赫泽德尔电场传感器I0耦合器测量臂信号处理器PZTPZT的作用：信号处理器一路反馈到PZT上，使之工作在正交点，并对因气温变化引发的干扰因素进行补偿。压电材料放大8.3光纤压力传感器光纤压力传感器一般是利用膜片受压弯曲使反射表面发生弯曲的原理制成的。还可通过固定在膜片上的可动反射体，使反射光通量重新分布的原理而制成1Y形光纤束2壳片3膜片利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，膜片在小挠度工作情况，其中心位移与所受压力成正比。当压力增加时，光纤与膜片之间的距离将线性地减小。这样，光纤接收的反射光强度将随压力增加而减小，从而使输出光强受到调制。（1）膜片反射式光纤压力传感器压力传感器的重要传感元件是法布里-珀罗(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端。所施加的压力P引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接引起了F－P干涉仪腔长度的变化。（2）F-P压力传感器传感头压力薄膜压力薄膜传感头光纤法布里珀罗干涉仪光纤传感器信号处理耦合器光源探测器传感头传感头压力（3）微弯曲水压力传感器压力。。传感头光纤马赫泽德干涉仪马赫泽德光纤压力传感器光源信号臂参考臂3dB3dB耦合器I0耦合器处理器压力。。光纤压力传感器实验介绍光纤压力传感原理系统框图实际压力显示压力传感器电路原理图调零电路WP2--调节放大倍数压力传感器是个电桥，其中一个臂是压力敏感电阻，没有压力时，电桥平衡。运算放大器A1构成射极跟随器，用于调零，使得电桥平衡时候，A2两个输入端电压相等。压力传感器输出电压信号通过运算放大器A2放大(放大倍数能够最终靠WP2调节)。运算放大器A3也构成射极跟随器，将放大后的电压信号送到V/I转换成电流信号驱动发光二极管。电路原理8.4光纤振动加速度传感器光纤加速度传感器最适合测量微小振动加速度振动加速度传感器是把由重物、弹簧、阻尼器组成的振动子固定在框架上构成的。当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力f=ma。由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x发生相应变化，其变化量Dx与物体的振动加速度成比例.若选取受力平衡点作为位置坐标原点，垂直弹簧振子与水平弹簧振子的动力学方程和振动方程相同。选取受力平衡点作为位置坐标原点物体在位置坐标x处所受弹性力合外力均与水平振动结果相同平衡点振动加速度传感器工作原理当框架随振动物体做低频振动时，重物上产生一个与运动方向相反的惯性力f=ma。由于惯性力的作用，引起重物相对于框架作加速运动，这时框架与重物之间的距离x发生相应变化，其变化量Dx与物体的振动加速度成比例.平衡点振动加速度传感器工作原理胡克定律当应变较小时，应力与应变成正比：或其中：E称为杨氏模量(弹性模量)，反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力。d为光纤直径迈克耳逊光纤加速度计反射镜信号处理PZT相移器Example3dB光纤传感技术小结一、基本概念强度调制型传感器、相位调制型传感器、频率调制型传感器、波长调制（光谱调制）型传感器、偏振调制型传感器。二、基础原理迈克尔逊干涉仪光纤传感器、马赫-泽德干涉仪光纤传感器、赛格纳克干涉仪光纤传感器、法布里－珀罗干涉仪光纤传感器基本结构探测器信号臂参考臂3dB迈克尔逊干涉仪光纤传感器基本结构耦合器光源信号处理信号臂参考臂3dB3dB耦合器信号处理器测量参数马赫泽德干涉仪光纤传感器基本结构I0耦合器光源光纤塞格纳克光纤干涉仪基本结构耦合器信号处理光纤法布里珀罗干涉仪光纤传感器信号处理耦合器光源探测器敏感器件谐振腔高反膜光纤光栅、光纤光栅制作的过程、光纤光栅的应用；布拉格光纤光栅(FBG)传感器基础原理。三、光纤光栅及应用折射率分布光谱特性短周期光栅切趾光栅啁啾光栅带通滤波器、分插复用器和解复用器等器件，传感器主要使用在带通滤波器、分插复用器和解复用器等器件色散补偿，光纤放大器的增益平坦光栅类型反射光谱透射光谱反射光谱带阻滤波器、光放大器增益平坦反射光谱长周期光栅光纤光栅传感器基本结构信号处理环形器宽光谱光源波长测量FBG传感头或耦合器
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