品质可靠-光纤放大器KT3W-N1116

发布时间:2019-12-19

       

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zexu191219

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上图是光纤传感器的原理结构图。光纤传感器通常由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等参量在光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变,特别如温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,都会使这些参量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。与传统的传感器不同,光纤优良的物理、化学、机械以及传输性能,使光纤传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点,并可以构成传感网络。*的光纤传感器的灵敏度比传统的传感器高几个数量级。
可以测量的物理量已达70多种。精度高,响应速度快,线性特征范围宽,使用的重复性好,检测信号的信噪比高,由于现在光纤的量产化,价格低廉,可以广泛使用。光纤是由电介质材料石英制成,传输的是光信号,因此安全性、可靠性好,抗电磁干扰能力强,能适应在电力、石油、化工、冶金等易燃易爆或有毒的环境条件下工作。抗腐蚀,抗污染能力强,可用于温差较大的地方,时间时间老化特性优良,工作寿命长。体积小,重量轻,容易安装,对被测对象环境适应能力强。光纤是无源器件,自身独立性好,不会破坏被测量的状态。测量对象广泛。目前已有性能不同的多种测量温度、压力、位移、速度、液面、核辐射等各种物理量、化学量、生物量等的光纤传感器。
便于多点复用、传输损耗小,适合于组成测量网络,实现多点实时智能化的遥测。根据调制区与光纤的关系,传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器,光纤主要起传输光波的作用,传光型光纤传感器主要由光源、光纤、光调制器、敏感元件、光电探测器、检测电路等组成。传光型光纤传感器的基本原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化,通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。强度调制的方式很多,传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器,光纤既传光又传感,即还充当敏感元件。对于传感型光纤传感器而言,当光在光纤中传播时,被测物理量或外界因素作用在光纤上,使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变。

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此过程为光调制,调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多,它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,而且利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下,其光强、相位、偏振态等光学特性的变化来实现“传”和“感”的功能。此外,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。传感型光纤传感器应用*多的是相位调制型光纤传感器或者干涉型光纤传感器,,即外界因素使光纤中传输光的相位变化,进而改变出射光(干涉光)的强度变化来达到测量目的。常用的干涉型光纤传感器有Michelson干涉式光纤传感器、Mach-Zehnder干涉式光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)干涉式光纤传感器、Sagnac干涉式光纤传感器、Fizeau干涉式光纤传感器等。
干涉型光纤传感器是高精度光纤传感与测量技术的*选择。拾光型光纤传感器该类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。其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。光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为光强调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。改变光纤中光强的方法有多种,而改变光纤的微弯状态就是其中一种。光纤微弯传感器就是利用光纤中的微弯损耗来探测外界物理量的变化。
它是利用多模光纤在受到微弯时,一部分芯模能量会转化为包层模能量这一原理,通过测量包层模能量或芯模能量的变化来测量位移或振动等。其原理图如图所示。激光束经扩束、聚焦输入多模光纤。其中的非导引模由杂模滤除器去掉,然后在变形器作用下产生位移,光纤发生微弯的程度不同时,转化为包层模式的能量也随之改变。变形器由测微头调整至某一恒定变形量;待测的交变位移由压电陶瓷给出。实验表明,该装置灵敏度达0.6μV/A(它强烈依赖于多模光纤中的导引模式分布,高阶模越多,越易转化为包层模,灵敏度也就愈高),相当于*小可测试位移为0.01nm,动态范围可望过100dB。利用外界因素引起的光纤中光波相位的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为相位调制传感型光纤传感器。

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该类传感器主要应用于制成干涉仪,而光纤Sagnac干涉仪就是其中典型的一种。光纤Sagnac干涉仪的基本原理是在由同一光纤绕成的光纤圈中沿反方向前进的两光波,在外界因素作用下产生不同的相移。然后,通过干涉效应进行检测。其*典型的应用就是转动传感,及光纤陀螺。由于它没有活动部件,没有非线性效应和低转速时激光陀螺的闭锁区,因而非常有希望制成高性能低成本的器件。下图是光纤Sagnac干涉仪的原理图。用一长为L的光纤,绕成半径为R的光纤圈。一激光束由分束镜分成两束,分别从光纤两个端面输入,再从另一端面输出。两输出光叠加后将产生干涉效应,此干涉光强由光电检测。1为激光器;2为光探测器;1为激光器;2为起偏器;
3为物镜;4为传输光纤;5为传感光纤;6为电流导线;7为光探测器;8为偏振棱镜;利用外界因素引起的光纤中光长的变化来探测物理量等各种参量的传感器称为波长调制传感型光纤传感器。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。光纤传感器按被测对象,又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。当前光纤传感器的研究热点集中于光纤光栅(FBG和LPG)型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。FBG型光纤传感器自发明之日起,已走过了原理性研究和实验论证阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力,而研究的焦点也转向解决高精度应用,完善解调和复用技术,以及降低成本等几个方向上。
另一方面,由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性,使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件,因此,分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。光纤布拉格光栅FBG于1978年问世,这种简单的固有传感元件,可利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内,下图为光纤光栅的基本原理。常见的FBG传感器通过测量布拉格波长的漂移实现对被测量的检测,当宽谱光源入射到光纤中,光栅将反射其中以布拉格波长为中心波长的窄谱分量。光纤光栅除了具备光纤传感器的全部优点之外,还拥有自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用的特点。光栅传感器可拓展的应用领域有许多,如将分布式光纤光栅传感器嵌入材料中形成智能材料,可对大型构件的载荷、应力、温度和振动等参数进行实时安全监测;
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