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1、,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,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
2、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日凌晨时分至时许，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，已知人失踪，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,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,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
3、光纤传感器消防用光纤传感器医疗用光纤传感器,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300020，最高分辨率为25 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,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 gauge 最大测量
4、范围34为1200，分辨率为 5,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)Michelson interferometer c)Fabry-Perot interferometerb)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,麦
5、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 Michelson最大测量范围36达1500，最高分辨率达2,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-Zehnders strain sensor 最大测量范围为1200，最高分辨率为2,法布里-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-
6、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,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 interferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnder interferometer d)Sagnac interfe
7、rometer 图6-12 各种光纤干涉仪,1990,1996,单F-P腔,双F-P 腔,FP光纤光栅,简化制作工艺减小体积,消除干扰,2002,6.4FP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,图6-12 常用的FP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6-13 F-P干涉动态工作特性 Fig.6-13 dynamic properties of F-P interference,光纤传感器抗震动能力差,由于
8、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。,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)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,非对称本征珐珀干涉仪UIFPI,光源,光纤,光电探测器,图6-14 光电二极管,实验装置图,光纤应变传感器,性曲线,
