第6章_光纤应变传感器

第六章光纤应变传感器主要内容一、光纤传感的应用领域二、光纤传感的分类三、光纤传感的研究现状被测量：温度[1]、压力[2]、流量[3]、位移[4]、振动[5]、转动[6]、弯曲[7]、液位[8]、速度[9]、加速度[10]、声场[11]、电流[12]、电压[13]、磁场[14]辐射[15等各种物理量传感技术的应用领域工业农业国防运输能源环境建筑业6.1传感技术应用领域传感技术的现状6.2传统的传感技术6.3光纤传感技术6.2传统的传感技术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。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。6.3光纤传感器分类与研究现状分类：一、按传感系统结构分类二、按被测量分类6.3.1光纤传感器按结构分类光强调制型光纤应变传感器偏振型光纤应变传感器相位调制型光纤应变传感器6.3.2光纤传感器按被测量分类光纤应变传感器光纤温度传感器光纤电压、电流传感器光纤流量传感器6.3.2光纤传感器按应用领域分类工业用光纤传感器农业用光纤传感器军事业用光纤传感器水利用光纤传感器食品工业用光纤传感器建筑工业用光纤传感器消防用光纤传感器医疗用光纤传感器6.3.3光纤传感器按结构分类光强调制型光纤应变传感器偏振型光纤应变传感器相位调制型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.1-2Microbendfiber-opticstrainsensorFig.1-3Etchedfiber-opticstrainsensorLELU纤芯包层来至光源至光探测器光纤微弯区粘胶粘胶被测面多模光纤被测物偏振型光纤应变传感器图6-5偏振光纤应变计Fig.6-5Polarimetricopticalfiberstraingauge最大测量范围[34]为1200με，分辨率为5με激光器光电检测器起偏器光学准直器透镜透镜检偏器光纤　　　　被测体相位调制型光纤应变传感器麦克尔逊(Michelson)干涉型光纤应变传感器马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤应变传感器法布里-珀罗(Fabry-Perot简写为F-P)光纤应变传感器光纤光栅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)Michelsoninterferometerc)Fabry-Perotinterferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnderinterferometerd)Sagnacinterferometer图6-6各种光纤干涉仪激光器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器传感臂光探测器匹配液激光器耦合器光纤环光探测器麦克尔逊(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.6-7Fiber-opticsensorstructureofMichelson最大测量范围[36]达1500με，最高分辨率达2μεSL1L2PBSM1M2M3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.6-8TheprinciplestructureofMach-Zehnder’sstrainsensor最大测量范围为1200με，最高分辨率为2με光电转换传感元件光源参考光纤信号光纤光纤耦合器1光纤耦合器2法布里-珀罗光纤应变传感器图6-9F-P型光纤传感器的原理Fig.6-9PrincipleofF-Pfibersensor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.6-10IntrinsicF-PcavitystrainsensorFig.6-11ExtrinsicF-Pcavitystrainsensor激光源光纤耦合器光探测器传感头LM1M2纤芯包层包层反射镜多模光纤空芯光纤L单模光纤反射光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)Michelsoninterferometerc)Fabry-Perotinterferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnderinterferometerd)Sagnacinterferometer图6-12各种光纤干涉仪激光器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器耦合器传感臂参考臂光探测器激光器耦合器传感臂光探测器匹配液参考臂激光器耦合器光纤环光探测器19901996单F-P腔双F-P腔F－P＋光纤光栅简化制作工艺减小体积消除干扰20026.4F－P传感器的发展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被测表面反射镜L单模光纤反射光多模光纤L单模光纤反射光焊接或(粘接)反射镜毛细玻璃管金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜应变传感光纤空芯光纤反射光纤使输出相位相差90度的间隙图6-12常用的F－P结构6.5光纤F-P应变传感器目前存在的问题系统线性范围小、线性度差、分辨率低光纤传感器抗震动能力差制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化系统线性范围小、分辨率低图6-13F-P干涉动态工作特性Fig.6-13dynamicpropertiesofF-Pinterference051000.20.40.60.81R=0.04R=0.1R=0.3R=0.5R=0.8R=0.9/rad0II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。激光器耦合器传感臂光探测器匹配液金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜制造工艺不完善、没有实现产品化、标准化a)光纤与被测表面b)单模与多模光纤a)Opticalfiberandmeasuredobjectb)Singlemodeandmultimodeopticalfiberc)多模与多模光纤d)多(单)模光纤与金属丝c)Multimodeandmultimoded)Multi(single)modeandmetalbar被测表面反射镜L单模光纤反射光多模光纤L单模光纤反射光焊接或(粘接)反射镜毛细玻璃管多模光纤空芯光纤L多模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜金属丝空芯光纤L多(单)模光纤反射光焊接(或粘接)反射镜非对称本征珐珀干涉仪－UIFPILM1M2纤芯包层包层反射镜)35.0,32.0(12.0,1.0212221rrrr或光源表3-1激光器的参数Table3-1Parameteroflaser名称输出波长(μm)输出功率工作特征红宝石激光器0.694310~50MW脉冲钕激光器0.81，0.751000W脉冲钛宝石激光器0.68~1.1——脉冲He-Ne激光器0.6328，1.15，3.39mW量级连续氩离子激光器0.488，0.5145随放电电流变化连续CO2激光器10.61~20kW脉冲N2分子激光器0.3371，0.3577数十兆瓦脉冲1S2L2L2S0w0Z0zwZ图3-2谐振腔的高斯光束分析表3-2He-Ne激光器的参数指标Table3-2ParameterindexofHe-Nelaserdiodes参数名称参数标值参数名称参数标值工作波长632.8nm工作模式单横模光束直径0.48mm极化方式线极化输出功率?0.8mw幅度噪声优于0.5%发散角1.7mrad腔长200mm饱和光强0.3w/mm2频率稳定性4×10-9光纤图3-3光纤的传光机理c00n2n1k11n021表3-3不同类型光纤的参数及用途Table3-3Parameteranduseofdifferentopticalfiber突变型多模光纤渐变式多模光纤单模光纤塑料包层光纤全塑料数值孔径0.3~0.60.2~0.30.10.30.5损耗——21(λ=0.85μm)——400(λ=0.7μm)带宽20MHz300M～1G40G20M——应用范围短距，低成本中距离测量长途检测——短距(几米)n(折射率)纤芯r（截面半径）图3-4单模光纤的折射率径向分布表3-4单模光纤的技术指标Table3-4PerformanceParametersofsingle-modefiber主要技术指标名称技术指标值主要技术指标名称技术指标值光纤损耗0.34dB/km杨氏模量7.3×1010N/m2色散3.5ps/km·nm泊松比0.17纤芯直径5±0.5μm光弹系数P110.126包层直径125±2μm光弹系数P120.270折射率1.463温度范围-60~85ºC光电探测器表3-8几种光敏器件的特性Table3-8Propertiesofseveralphotosensitivedevices器件名称光谱范围(μm)灵敏度响应时间表线性度光敏电阻紫外~远红外1~10A/W10-6~1微光下线性硅光电二极管0.4~1.10.4~0.6A/W10-9~10-7线性雪崩光电二极管0.4~1.140~500A/W10-9线性硅光电三极管0.4~1.120~50A/W10-6~10-5线性硅光电池0.4~1.10.18~0.3A/W10-6~10-3线性光电倍增管紫外~远红外1~10A/1m10-9线性表3-9光电检测器的参数指标Table3-9Parameterindexofphotoelectricaldetector参数名称参数标值参数名称参数标值型号6328PIN响应度峰值700mA/W响应波段0.4~1.1μm暗电流10nA量子效率最高波段0.6~0.8μm响应时间1ns灵敏度(量子效率)峰值84%最高工作电压15v暗特性光增强IIIIVIV-VB/(RL+R1)-VBQ图3-13光电器件特性图6-14光电二极管实验装置图光纤应变传感器a)金属外装结构b)裸光纤结构c)埋入式结构d)针式结构图5-3光纤传感头性曲线