光纖光柵壓力傳感器.ppt

1,姓名：潘金全學號：1434041006,題目：光纖光柵壓力傳感器,光子信息技術(shù),1.壓力傳感器,在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力是進行測量和控制的最基本參數(shù)之一。力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。,電容式壓力傳感器,電感式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器,工程上常用的幾種壓力傳感器,1.液柱式壓力計液柱式壓力計是以流體靜力學原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管或單管進行測量，常用于低壓、負壓或壓力差的測量。2.彈性式壓力表彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測量基礎的。它結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應用。3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，是基于壓阻效應工作的。所謂壓阻元件實際上就是指在半導體材料上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。該傳感器的主要優(yōu)點是體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應好，靈敏度高，能測出十幾Pa的微壓，它是一種比較理想的壓力傳感器。但是，這種傳感器測量準確度受到非線性和溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。,2光纖壓力傳感器,除了上述幾種傳統(tǒng)的壓力傳感器光纖光柵壓力傳感器能夠克服傳統(tǒng)電磁類壓力傳感器的應用局限性,具有本質(zhì)安全防爆，耐腐蝕,抗電磁干擾能力強，信號傳輸距離遠，易于實現(xiàn)壓力的多點分布式測量和長期在線監(jiān)測等優(yōu)點。,2.1光纖光柵的結(jié)構(gòu),它是利用光纖材料的光折變效應，用紫外激光向光纖纖芯內(nèi)由側(cè)面寫入,形成折射率周期變化的光柵結(jié)構(gòu)，這種光柵稱之為布喇格（Bragg）光纖光柵。根據(jù)光纖光柵的耦合模理論,當一束寬帶光入射到光纖光柵中時,折射率的周期性結(jié)構(gòu)使得某特定波長的窄帶光被反射,反射光的波長滿足Bragg散射條件：,其中：B為Bragg波長（即反射光的中心波長）；為光柵周期；neff為光纖光柵的有效折射率；由上式可知,光纖光柵反射光的中心波長(光纖光柵波長)主要取決于光柵周期和有效折射率neff。,光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖,當光纖光柵感受到外界環(huán)境溫度T或應變發(fā)生變化時，會引起光柵周期和有效折射率的變化，從而引起反射光波長的偏移。因此，通過檢測光纖光柵反射光波長的變化，即可獲知外界溫度或應變信息，這就是光纖光柵傳感的基本原理。,3.光纖光柵的應力特性,當外界有應力作用于光纖光柵上時，就會使光纖光柵被機械性的拉長而改變其光柵常數(shù)，可以表示為：式中x為考察點處軸向應變。,彈光效應使得光纖光柵折射率發(fā)生變化：,其中，Pe為彈光系數(shù),上式即為光纖光柵的波長變化與外界應變之間關系的表達式；式中K為纖光柵的應變靈敏度系數(shù)，其大小與光纖材料密切相關，由光纖的彈光系數(shù)、有效折射率和泊松比決定。,下圖的光纖光柵應變傳感器是一種懸臂梁應變調(diào)諧機構(gòu)。當光纖的材料確定后，K即為常數(shù)，光纖光柵波長變化與外界應變成一次成線性關系，因此，可以通過檢測光纖光柵中心波長的偏移即可獲知外界的應變信息。也由光纖光柵的應變計算出傳感光柵的波長變化,光纖光柵波長懸臂梁調(diào)諧曲線,FBG中心波長隨壓強增加的響應曲線,4.纖光柵壓力傳感器,（1）根據(jù)實際壓力測量的需要，纖光柵壓力傳感器可分為彈簧管式光纖光柵壓力傳感器膜片式光纖光柵壓力傳感器；（2）共有的特點：結(jié)構(gòu)簡單，容易加工生產(chǎn)；傳感器間易于串接，方便復用；具有溫度補償功能，測量結(jié)果不受溫度影響;穩(wěn)定性，可靠性好,（1）彈賛管式光纖光柵壓力傳感器,光纖光柵1和光纖光柵2沿著中心軸線分別粘貼在彈簧管前后表面上。感應彈簧管在被測壓力作用下產(chǎn)生彈性變形，光纖光柵也會產(chǎn)生應變。由于溫度變化引起的兩個光纖光柵的波長漂移方向相同,以兩個光纖光柵的波長變化差作為壓力測量信號，不僅可以提高了壓力靈敏度,而且壓力測量結(jié)果不受溫度變化的影響。彈賛管式光纖光柵壓力傳感器的固有頻率較低，適用于氣體或液體靜態(tài)壓力的測量。,將兩個不同中心波長的光纖光柵粘貼在膜片的相應區(qū)域上；即其中一個光纖光柵粘貼在膜片的中心位置,檢測膜片上的中心正應力；另一個光纖光柵沿徑向粘貼在距膜片中心點半徑除以到膜片邊緣之間，檢測膜片上的徑向負應力，以兩個光纖光柵波長差作為測量壓力的傳感信號。由于溫度變化引起的兩個光纖光柵的波長漂移方向相同,差動式的測量信號消除了溫度對壓力測量結(jié)果的影響,同時還提高了傳感器的測量分辨率。平面膜片結(jié)構(gòu)光纖光柵壓力傳感器,具有良好的動態(tài)特性,可用于氣體或液體靜態(tài)和動態(tài)壓力的測量。,（2）平面圓膜片的光纖光柵壓力傳感器,5.總結(jié),纖光柵壓力傳感器能夠克服電類壓力傳感器的應用局限性,具有本質(zhì)安全防爆,耐腐蝕,抗電磁干擾,信號傳輸距離遠,復用能力強,易于實現(xiàn)液體或氣體壓力的多點分布式測量和遠程在線監(jiān)測等優(yōu)點,在石油化工、水利、機械等領域具有廣泛的應用前景。,Thankyou!,謝謝觀賞,