1、光纤式传感器应用举例,1 光纤温度传感器 2 光纤位移传感器 3 光纤流量、流速传感器 4 光纤磁传感器 5 医用光纤传感器 6 分布式光纤传感器,光纤式传感器应用举例,7 工业用内窥镜 8 光纤加速度传感器 9 光纤光栅传感器 10 光纤层析成像分析技术及应用 11 光纤纳米生物传感器 12 光纤传感领域的发展,1 光纤温度传感器,光纤测温技术是一种新技术，光纤温度传感器是工业中应用最多的光纤传感器之一。按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计、荧光温度计等。,1 光纤温度传感器,1.半导体吸收式温
2、度传感器半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所示。半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。,1 光纤温度传感器,若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。,1 光纤温度传感器,图示为双光纤参考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感器的结构框图。,光源为GaAlAs发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料CdTe。参考光纤上面没有敏感材料。采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在40 120 之间，精度为1 。,1 光纤温度传感器,2.干涉型光纤温度传感器温度变化能引起光纤中传输光的
3、相位变化，利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。图示是利用马赫曾特尔干涉仪测温的原理图。光通过信号臂产生的相位变化为,式中，L为感受温度变化的光纤段的长度，l为光源波长。,1 光纤温度传感器,例8.1 若已知光源波长l0.6328 mm，对n1.456的单模石英玻璃光纤，有,试计算在1 m的光纤上，温度每变化1 时，将有几根条纹移动。,1 光纤温度传感器,解 根据式(8.20)，对温度求导得,代入已知条件得,则条纹移动数 。,2 光纤位移传感器,1.反射强度调制型位移传感器通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。
4、它被分成纤维数目大致相等，长度相同的两束。,2 光纤位移传感器,发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类)，如图所示。,2 光纤位移传感器,反射光强与位移的关系如图所示。可以看出，随机分布时传感器的灵敏度和线性都较好。还可以看出，AB段的灵敏度和线性好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。,1随机分布；2对半分布；3同轴分布；4同轴分布,2 光纤位移传感器,假设传感器工作在AB段，偏置工作点在M，被测物体的反射面与光纤端面之间的初始距离是M点所对应的距离XM。由曲线可知，随位移增加光强增加，反之则光
5、强减少，故由此可确定位移方向。,1随机分布；2对半分布；3同轴分布；4同轴分布,2 光纤位移传感器,光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几mm的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动，而且是非接触测量。,2 光纤位移传感器,2.干涉型光纤位移传感器干涉型光纤位移传感器和反射光强调制型位移传感器相比，测量范围大，测量精度高。测量位移的迈克尔逊干涉仪如图所示。,1氦氖激光器；2分束器；3扩束镜；4反射镜；5可移动四面体棱镜；6全息照片；7光纤参考臂；8光探测器；9可逆计数器；10光阑,物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉条纹
6、。四面体棱镜移动时，由于光程差变化而使干涉条纹移动，从干涉条纹的移动量可以确定位移的大小。两个光探测器用来确定移动方向。,1氦氖激光器；2分束器；3扩束镜；4反射镜；5可移动四面体棱镜；6全息照片；7光纤参考臂；8光探测器；9可逆计数器；10光阑,2 光纤位移传感器,3 光纤流量、流速传感器,1.光纤涡流流量计原理如图所示。采用一根横贯液流管的大数值孔径的多模光纤作为传感元件。光纤受到液体涡流的作用而振动，这种振动与液体的流速有关。,3 光纤流量、流速传感器,根据流体力学原理，由于光纤不是流线体，在一定条件下，在其下游会产生涡流。这种涡流是在光纤下游两侧产生的有规律的漩涡，称为卡门“涡街”，由
7、于漩涡列之间的相互作用，涡列一般不稳定，但是实验证明，当满足h/l0.281时，涡列是稳定的。,3 光纤流量、流速传感器,当每个漩涡产生并泻下时，它会在光纤上产生一种侧向力，这样就有一个周期力作用在光纤上，使其振动。野外的电线等在风吹动下会嗡嗡作响，就是这种现象。实验证明，光纤振动的频率由下式得出,式中，u为流速；d为光纤直径；s为斯特罗哈数(无量纲)，当雷诺数Re在500150000范围内时，对圆柱体s0.2。,3 光纤流量、流速传感器,当光通过未受扰动的光纤时，如果光纤直径为200 mm300 mm，在距离光纤端面约1520 cm的地方可以观察到清晰而稳定的斑图，但它的分布是无规则的。当光
8、纤振动时，这些斑图就会不断地振动，如用光探测器接收斑图的一个小区域，即可通过频谱仪读出光纤振动的频率。由式(8.23)算出流速，在管子尺寸一定的条件下，就可得出流量。,3 光纤流量、流速传感器,这种流量计结构简单而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因为光纤直径很细，对流体的流阻小，对流场几乎没有影响。不足之处是对低速流体不敏感。,3 光纤流量、流速传感器,2.光纤多普勒血流传感器利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细(外径约几十mm)，能装在注射器针头内，插入血管中。又由于光纤速度传感器没有触电的危险，所以用于测量心脏内的血流十分安全。,3 光纤流量、流速传感器,图示
9、为光纤多普勒血流传感器的原理图。测量光束通过光纤探针进到被测血流中，经直径约7 mm的红血球散射，一部分光按原路返回，得到多普勒频移信号f Df，频移Df为,式中，u为血流速度；n为血液的折射率；q为光纤轴线与血管轴线的夹角；l为激光波长。,f+Df,3 光纤流量、流速传感器,另一束进入驱动频率为f140 MHz的布喇格盒(频移器)，得到频率为ff1的参考光信号。,f1+Df,f-f1,将参考光信号与多普勒频移信号进行混频，就得到要探测的信号。这种方法称为光学外差法。,f+Df,3 光纤流量、流速传感器,经光电二极管将混频信号变换成光电流送入频谱分析仪，得出对应于血流速度的多普勒频移谱(速度谱
10、)，如右图所示。,f1+Df,f-f1,f+Df,3 光纤流量、流速传感器,典型的光纤血流传感器可在01000 cm/s速度范围内使用，空间分辨率为100 mm，时间分辨率为8 ms。光纤血流传感器的缺点是光纤插入血管中会干扰血液流动，另外背向散射光非常微弱，在设计信号检测电路时必须考虑。,4 光纤磁传感器,按工作原理可分为：根据法拉第磁光效应直接实现磁光转换，根据磁致伸缩效应，利用力或其他物理量间接实现磁光转换。1.利用法拉第磁光效应的光纤传感器利用法拉第磁光效应测量磁场的方法很多，如强度调制方式，偏振光度测量方式和外差方式等，这里仅介绍偏振光度测量方式。,4 光纤磁传感器,偏振光经保偏光纤
11、、自聚焦透镜进入法拉第磁光盒，经多次反射后进入渥拉斯登棱镜，把偏振光变成振动方向相互垂直的两束光。,渥拉斯登棱镜,设无磁场时出射光的偏振轴与棱镜的偏振轴夹角为45 ，这样D1和D2光电管接收的光强为,式中，q为偏振面的旋转角度；I0为入射光强；I1、I2为两偏振光的强度。,4 光纤磁传感器,4 光纤磁传感器,采用图中的“加”、“减”和“除”法运算后，其输出,通过测量P就能确定q，利用式(8.17)即可确定B。,4 光纤磁传感器,2.利用磁致伸缩效应的光纤传感器在磁场作用下，磁性物体的尺寸会发生改变，这种现象即为磁致伸缩效应。光纤磁致伸缩效应传感器是在光纤上涂覆磁致伸缩性能良好的材料薄膜，或者将
12、光纤紧绕在磁致伸缩材料芯棒上。在外磁场作用下，由于磁致伸缩效应，纤芯长度变化及纤芯折射率变化，都会导致光程的相应变化。,4 光纤磁传感器,图示为结构原理图。其灵敏度与磁性体磁致伸缩效应的强弱、膜厚度和膜长度有关，主要取决于材料的磁致伸缩常数。,5 医用光纤传感器,医用光纤传感器体积小、电绝缘和抗电磁干扰性能好，特别适于身体的内部检测。可以用来测量体温、体压、血流量、pH值等医学参量。光纤多普勒血流传感器已用于薄壁血管、小直径血管、蛙的蛛网状组织，老鼠的视网膜皮层的血流测量等。,5 医用光纤传感器,1.医用内窥镜由于光纤柔软、自由度大、传输图像失真小，引入医用内窥镜后，可以方便的检查人体的许多部
13、位。上图为腹腔镜的剖视图。图像导管直径约3.4 mm。下图为观察部位的照片。,5 医用光纤传感器,2.光纤体压计可用来检测人体各部位的体压，如膀胱、直肠、颅内和心血管等，测量范围通常为040 kPa。图所为一种医用体压计探针的结构示意图，在探针端部的开孔上安装有对压力敏感的防水薄膜。膜片通过悬臂梁与反射镜相连。,6 分布式光纤传感器,分布式传感器是指能同时测量空间多个点甚至空间连续分布的环境参数的传感器。利用光纤本身特征的功能型光纤可构成性能优良的分布式光纤传感器，特别适于需要同时监测在光纤通过的路途上大量位置处连续变化的物理量，如建筑物、桥梁、水坝、储油罐等大型结构中应力的检测，石油钻井平台
14、、飞机、航天器、电力变压器、发电机组、反应堆等场合应力和温度分布的实时监测等。,6 分布式光纤传感器,根据不同的原理，可构成不同的分布式光纤传感器，如利用后向瑞利散射的、利用喇曼效应的、利用布里渊效应的和利用前向传输模耦合的分布式光纤传感技术等。,6 分布式光纤传感器,瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。光脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射而发生能量损耗，通过检测后向散射光的强度，就可获得衰减程度沿光纤的分布状况，这是一种最简单的分布式传感器，也是光纤通信中查找光缆故障和缺陷定位的一种诊断技术。,6 分布式光纤传感器,在利用后向瑞利散射的光纤传
15、感技术中，一般采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测量的空间定位。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。,6 分布式光纤传感器,OTDR原理如图所示。根据后向散射功率的对数斜率ai是否变化，可知道光纤内是否存在故障点。观测后向散射脉冲的到达时间t，便可测得故障点的位置z。,6 分布式光纤传感器,式中，c为真空中光速；n为纤芯折射率。OTDR的空间分辨率，即可分辨的两个故障点的最小距离，是由脉冲宽度t决定的，可表示为,一般情况下，OTDR反射信号很弱，要获得高信噪比，常常需要对多个探测脉冲求平均。,6 分布式光纤传感器,利用适当的光纤结构，使损耗系数a
16、i与环境的某个物理量有关，则可对其进行分布式测量。例如：外界压力或变形使光纤产生的微弯损耗；在光纤中掺杂稀土离子后，衰减与环境温度有关；利用保偏光纤，若环境使光纤产生应力，将导致光信号的偏振状态发生变化；利用克尔效应或法拉第磁光效应，通过监测偏振状态来测量电场和磁场的分布。,7 工业用内窥镜,在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。,8 光纤加速度传感器,光纤加速度传感器如图所示。,9 光纤光栅传感器,1978年首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生的光栅效应，其后又发展了紫外光侧面写入光敏光纤光栅技术。所
17、谓光纤的光敏性是指，掺杂光纤中通过激光时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。如用激光干涉条纹侧面辐照掺锗光纤，就会使其成为光纤光栅，并且在500 以下稳定不变，用500 以上的高温可擦除。这种光栅制作简单，在光纤通信和光纤传感中都有相当重要的应用。,9 光纤光栅传感器,光纤光栅是利用光纤的光敏性(也称为光致折射率变化效应)制成的。光纤光栅实质上是一种波长选择反射器，它的反射信号的波长会受施于其上的温度和应变的影响而发生变化。利用光纤光栅的温度和应变两种效应，可以检测许多物理量，在传感技术中应用前景十分广阔。,10 光纤层析成像分析技术及应用,光纤层析成像分析技术源于X射线层析成像分
18、析(CT)，其基本原理是，当光线经过被测样品时，不同样品材料的吸收特性不同，因此对经过样品的光线进行测量、分析，并根据预定的拓扑结构和设计进行解算就可得到所需要的样品参数。根据原理和应用场合的不同，可分为光相干层析成像分析技术(OCT)和光过程层析成像分析技术(OPT)。,10 光纤层析成像分析技术及应用,OCT的基本原理如图所示，一个光脉冲在样品的不同深度处反射回来的时间是不同的，通过测量光脉冲从样品中反射回来的时间延时，可得到样品深度方向的结构图像。,10 光纤层析成像分析技术及应用,若想反映mm量级的深度差别，则时间延迟将短至1015 s，电子设备难以直接测量，故利用迈克尔逊干涉仪进行测
19、量。,10 光纤层析成像分析技术及应用,OCT主要应用于生物、医学、化学分析等领域，例如视网膜扫描、胃肠内视和用于实现彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。OCT为生物细胞和机体的活性检测提供了一种有效的方式，已有实例应用于对生长中的细胞进行观察和监测。,10 光纤层析成像分析技术及应用,图示为清华大学建立的我国第一台OCT装置得到的葱表皮的光学相干CT图象。该图象实际尺寸为10 mm4 mm，横向分辨率约20 mm，纵向分辨率约25 mm。表皮层、导管和筛管的细胞结构，不需做切片便可看清。,10 光纤层析成像分析技术及应用,图示为兔子眼球的OCT图象，其中角膜、晶状体、睫状体等结构都十分清晰。
20、,10 光纤层析成像分析技术及应用,OPT则面向工业工程油井、管线等场所，高精度地解决流体的过程测量问题。由于OPT具有适用于狭小的或不规则的空间、安全性高、测量区域不受电磁干扰以及可组成测量网络的多项长处，为工业过程的安全测量提供了一种优良的手段。,11 光纤纳米生物传感器,目前最新的生物检测技术多采用纳米传感器。其中一类是运用纳米纤维技术的光学生物传感器。纳米尺度的光纤尖端的制作是光纤纳米传感器的基础，左图为熔接熔拉腐蚀法实验结果。右图为纳米光纤用于细胞检测。,12 光纤传感领域的发展,当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。当前的原理性研究热点集中于两大板块光纤光栅传感器;分布式光纤传感系统。,12 光纤传感领域的发展,对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类光(纤)层析成像技术(OCT，OPT)；智能材料；光纤陀螺与惯性导航系统；常规工业、工程传感器。,
