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1、光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告第十章 光纤传感原理与技术10.1 光纤传感原理回顾 10.2 几种主要的光纤传感器 10.2.1光纤陀螺 10.2.2光纤水听器 10.2.3白光干涉型光纤应变传感器 10.2.4光纤光栅传感器 10.3光纤传感器的应用n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告光纤传感器(FOS Fiber Opt
2、ical Sensor)是20世纪70年代 中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和 光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质 区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递 敏感信息的媒媒介。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点 经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展， 目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术 和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交 叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。10.1 光纤传感原理n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮
3、注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量10.1 光纤传感原理特点特点n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告10.1.1光纤传感器结构以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可 测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系
4、统以及信息传输均用金属导线连接，见图1。光纤传感器则是一 种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、 敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图2。光纤 信号处理光接收器敏感元件光发送器图2 光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件图1 传统传感器 导线由光发送器发出的光源经光 纤引导至敏感元件。这时， 光的某一特性受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号变 为电信号，最后经信号处理 得到所期待的被测量。n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创
5、新发展战略咨询项目内部分析报告光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理 上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传 感器则以光学测量为基础。光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的 10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。 因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A电场E的振幅矢量；光波的振动频率； 光相位；t光的传播时间。只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量 之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过 对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调， 获得所需要的被测量的信息。 n
6、2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告光学现象被测量光纤分类干 涉 型相位调 制光纤 传感器干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PMa a a a a非干涉型强度调制 光纤温度 传感器遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜温度、振动、压
7、力、加速度 、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位MM MM MM SM MM MM MMb b b b b b b偏振调 制光纤 温度传 感器法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移SM MM SM MMb,a b b b频率调制 光纤温度 传感器多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度MM MM MMc b b注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型10.1.2 光纤传感器的分类n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品
8、德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能 型和拾光型三大类 1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤) 作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光 作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光 学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能 。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度， 可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器1.根据
9、光纤在传感器中的作用分类n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“ 感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。 此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现 ，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合 。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调
10、速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射 、散射的光。典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传 感器等。 信号 处理光受 信器光发送器 光纤耦合器被测对象n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或 反射等参数的变化，而导致光
11、强度变化来实现敏感测量的传感器 。 如：利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液 晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激 励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压 力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。2.根据光受被测对象的调制形式n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来
12、传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中介质内传播的法拉第效应做成的电流、 磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做 成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振 动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振 动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高 。n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率 发生变化来进行监测的传感器。有利用运
13、动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速 度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照 射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体 传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。 n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告4）相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件 的折射率或传播常数k发生变化，而导致光的相位变化，使两束 单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量 来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的
14、信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸 缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器 以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光 纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检 测系统，因此成本高。 n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告10.2 几种主要的光纤传感器10.2.1 光纤陀螺n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风
15、扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告1 光纤陀螺的优点光纤陀螺基于Sagnae效应，与机电陀螺或激光陀螺相比。 具有如下显著特点： 零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运 动的能力； 绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨 率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光 陀螺仪的闭锁问题； 无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿 命； 相干光束的传播时间极短，因而理论上可瞬间启动； 易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输 出，并与计算机接口联接； 具有较宽的动态范围； 结构简单，价格低
16、。体积小，重量轻。n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某 一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到 该观察点时，这对光波的相位（或它们经历的光程）将由 于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位 差（光程差）的大小与闭合光路的转速速率成正比。2 Sagnac效应n2018/8/22光纤传感器光纤传感器思想品德七上下培训完整的原版绿带培训教材DMAIC各部分风扇调速旋钮注射模工艺结构分析及设计家纺企业集团全面创新发展战略咨询项目内部分析报告3 光纤陀螺的分类及原理光纤陀螺的种类很多，根据提取相向光束作用信息的不 同，大致可分成三大类：干涉型光纤陀螺(IFOG)；谐振型光纤陀螺(RFOG)；布里渊型光纤陀螺(B-FOG)。干涉型光纤陀螺是第一代光纤陀螺，技术上已趋成熟，正
