光纤压力传感器.ppt

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1、光纤压力传感器主要内容一、光纤传感技术概念二、光纤压力传感器分类三、光纤压力传感器的应用光纤传感技术概念光纤传感技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体,光纤为媒质,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。当这种外界信号为压力时,即构成光纤压力传感器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器,与传统的压力传感器相比体积小、重量轻,具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中等优点,另外还可以构成光纤分布式压力传感器,对桥梁、大坝等进行健康状况的实时监测。一、强度调制光纤压力传感器微弯型原理：当齿形板受外部扰动时,光纤的微弯程度随之变化,从而导致输

2、出光功率的改变,通过光检测器检测到的光功率变化来间接地测量外部压力的大小。优点：结构简单,容易装配,造价低。缺点：传感器的微弯结构周期要求严格,因此机械设计相当复杂,另外加速度效应也会使其性能恶化。一、强度调制光纤压力传感器透射型原理：在发射光纤与接收光纤之间放置一个遮光片,对进入接收光纤的光束产生一定程度的遮挡,外界信号通过控制遮光片的位移来制约遮光程度,实现对进入接收光纤的光强进行调制。优点：灵敏度高，线性度好。一、强度调制光纤压力传感器反射型原理：利用弹性模片在压力作用下变形从而调制反射光功率信号,压力的大小与发射光的强度成一定关系。优点：结构简单、成本低、精度高、易调试

3、等。一、强度调制光纤压力传感器消逝波耦合性原理：根据受抑全反射原理，当两根光纤的纤芯相互靠近到一定距离时,消逝光波可以从一根光纤耦合进入到另一根光纤中去。优点：灵敏度很高,当两根光纤靠的很近时,即使间隙变化很小(即被测压力改变量很小),相对输出光强仍有很大的变化。缺点：这种传感器对光纤端面平整度要求较高,当光纤端面距离增加时,耦合效率将成指数减小,因此动态范围比较小,不适合压力变化较大的场合。二、频率调制光纤压力传感器频率调制光纤压力传感器原理：硅谐振器在调制光的激励下以固有频率振动,当压力影响了硅谐振器的频率后,通过检测频率的变化就可以得到压力的大小。优点：测量精度高,抗干扰

4、能力强,采用频率输出,属于数字式传感器,省掉了模数转换环节,具有广泛的应用前景。三、相位调制光纤压力传感器Mach-Zehnder干涉式光纤压力传感器原理：光纤内传播的光波相位在压力的作用下发生变化,通过干涉测量技术把相位变化转换为光强变化,从而检测出待测的压力值。优点：体积小,并且制造成本较低，灵敏度高。四、波长调制光纤压力传感器光纤光栅压力传感器原理：光纤布拉格光栅贴在形变体上,当压力加在被测物体上时,形变体受到外界压力产生形变,光纤光栅的有效折射率和光纤周期都将发生变化,光源发出的宽带光经发生形变的光纤光栅反射,布拉格波长产生移位,通过光谱仪测量反射光的光谱,根据公式可得

5、到压力的大小。优点：精度高、大量程测量分辨率高、抗干扰能力强、测量结果具有很好重复性,因此常用于温度、压力和液体高度等的测量。五、分布式光纤压力传感器基于OTDR的分布式压力传感器原理：当钢丝绳受轴向应力作用而被拉伸时,光纤也一起跟着被拉紧,并贴敷在绳索上,从而光纤产生侧向变形。另外随着钢绳的纵向拉长,其直径将不断减小,同时它对光纤产生的微弯曲率脉冲峰值、宽度将分别增大和减小,这样就造成光纤的光功率损耗,建立损耗与应变的关系,从而测量出应变量的大小。光纤压力传感器的应用1.光纤压力传感器在称重领域应用研究2.光纤压力传感器在煤矿中的应用研究3.光纤压力传感器在原油开采中的应用研

6、究1.光纤压力传感器在称重领域的研究研究背景：称重领域是光纤压力传感器应用的一个方向,目前主要集中于动态称重方面的研究。动态称重指在汽车运动状态下称出其质量，利用光纤压力传感器进行称重已成为目前动态称重研究的重点。应用：光纤压力传感器包括强度调制型、相位调制型及波长调制型。基本原理：当光纤弯曲时，在光纤中传输的导行模会在弯曲点变为辐射模，损耗掉部分光功率，光功率的损耗值与待测压力具有一定关系，通过测量光功率可得到待测压力。光纤加强材料和光纤光栅组成的传感器封装好的动态称重传感器1.1强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究工作原理：采用传感光纤与一根横截面为圆形的均匀细线绞合的

7、办法使光纤产生一个预弯曲，在光纤受力时，曲率会发生变化，从而使光纤的损耗值也发生变化，其结构如图所示，该力一案可通过OTDR技术或正向光功率测量技术测量光纤弯曲损耗。绞合式光纤压力传感器1.2强度调制型光纤压力传感器在称重领域的研究工作原理：通过干涉测量技术，相位调制型光纤压力传感器测量光纤内传播的光波相位在压力作用下发生的变化。该技术用在称重领域通过测量压力后转换为质量。实例：2005年，袁申芳等人设计了一套基于迈尔讯干涉仪动态称重系统。如有图所示将干涉仪的测量光纤铺设在一块钢板上。当有压