4.1光传感原理与传感器组网方式1在线视频

同学们 大家好

我是华北电力大学的马永红老师

今天我们来讲

第四章 光传感及其电力应用

本章基于电力系统的实际需求

在扼要介绍光传感技术的基础上

重点的讨论

电力系统光传感的典型应用案例

具体的内容包括

光传感技术概述

光纤电流传感器及其电力应用

光纤布拉格光栅传感器

及其电力应用

光纤布里渊散射传感及其电力应用

好

我们先来看光传感技术概述

光传感是一种以光波为载体

以光波导为媒质

感知和传输外界被测信号的传感技术

光传感具有抗电磁干扰

电绝缘性能好

安全可靠

体积小

质量轻

形状可塑

传输损耗小

传输容量大

测量范围广等优点

因而在国民经济各个行业有着广泛的应用

我们来看一下光传感的原理

光传感的基本原理是

光源发出的光经光波导传输到调制区后

其光学参量

受外界待测物理量的影响而发生变化

随后

该光波被光探测器检测并被后继的单元处理

即可获得被测的信息

光传感系统一般由光发送器

光波导

光调制器光检测器及其处理部分

我们又把它叫做解调器组成

如下面的图所示

这个图给出了由光源

光波导

光信号检测

信息处理

调制

几个部分组成的光传感系统

其中最核心的是

调制区和后面的信号处理区

根据光波导

我们这里主要讨论的是光纤的作用

一般将光传感分为功能型

我们也可以把它叫做传感型

实际上是一种内调制方式

非功能型

又是传光型

又叫做外调制型

以及拾光型传感器

具体的光路如下面的图所示

我们来看

首先第一个图叫做传光型传感器

具体的来说

它的最主要的特点是传感合一

什么意思呢

就是在我这里画框的地方

这部分不光作为信号的传输的部件

而且作为信号感知的部件

所以叫传感合一

这就是一种传感型的传感器

第二种

我们把它叫做什么

非功能型或者叫做传光型

具体的来说

它的特征是只传不感

什么意思

就是这里我画框的地方

是用来做传感的

但是

它的光的传输实际上由前面的光纤来做

就是它的传输部分和传感部分是分开的

所以叫做只传不感

最后一种叫做拾而后传

什么意思呢

看这里的框就是它从外界

检测到外界的信号

然后把这个信号截取下来

然后再传输

所以它叫拾而后传

一般的分为这三种类型

光传感器按光参量被调制的方式可以分为

强度型

频率型

波长型

相位型偏振型等五大类型

偏振型

等五大类型

我们来分别来介绍一下

首先看一下强度调制型

顾名思义

强度调制型就是它的强度发生变化

就是它的强度发生变化

所以这种传感器是一种利用

被测对象变化引起光路的折射率

吸收系数或者反射系数的变化

进而导致光强变化

来实现物理量测量的传感器

强度调制型传感器的种类非常多

其中外调制型又可以分为

反射型或透射型

内调制型又可以分为光模式功率分布

折射率强度调制

和光吸收系数调制型

改变光强的方法有如下几种

第一个改变光波导的耦合条件

第二

改变光的吸收特性

第三

改变光波导的折射率分布

等都可以来改变光强

再看一下第二种

频率

或者把它叫做波长调制型

那么为什么这里两种写到一起了

因为

光波的频率与波长实际上描述的是

同一特征参量

所以频率调制在某种意义上

等价于波长调制

只是在不同的领域可能叫法不同而已

那频率调制的光传感器是一种利用

单色光照射到被测物体上后

它的反射光的频率发生了变化

来监测的这样一种传感器

这种类型有利用运动物体

多普勒效应的光纤速度

流速

振动压力

加速度等传感器

有利用物质受强光照射后拉曼散射效应

制成的气体浓度传感器

还有利用光致发光效应的温度传感器等

再看一下第三种类型相位调制型

相位调制型光传感器是利用被测对象

使敏感元器件的折射率

或传播常数发生变化

而导致它的光波的相位发生变化

进而使单色光束干涉的时候的条纹发生变化

我们借助

检测干涉条纹的变化量

就可以来测量相应的相位的变化

最终得到被测的信息

这就是相位调制型的基本原理

这种类型有利用光弹效应的声

压力或振动传感器

有利用磁致伸缩效应的电流磁场传感器

有利用电致伸缩的电场电压传感器

以及利用光纤萨格纳克效应的旋转角速度传感器

我们又把它叫做光纤陀螺等

再看一下最后一种偏振调制型

偏振调制型光传感器

是一种利用光偏振态的变化

来测量被测对象信息的传感器

来测量被测对象信息的传感器

这一种类型

有利用磁场法拉第效应的电流磁场传感器

利用电场普克尔效应的电场电压传感器

有利用光弹效应的压力

振动或声传感器

以及利用光纤双折射的温度

压力

振动等传感器等

我们介绍了光传感的基本原理

我们现在来看一下光传感器的组网的方式

根据光传感器的空间的分布

可以将传感系统分为

单点式

准分布式

和分布式

三大类

单点式光传感系统

它是由各种原理的光传感器

单独的布设而构成的光传感系统

我们把它称为单点式

常见的点式的光传感器

看如下的这个表格

这个表格给出了各种各样的

传感器的它的类型

它的被测的物理量

它的相应的光学现象

检测的对象以及使用的光纤的类型

比如说这个类型大类里面有干涉型

有非干涉型

以及布拉格传感型它被测的物理量

大家可以看到有多种多样的物理量

比如说速度

振动位移

温度声压等等好多种

它利用的光学现象有多普勒效应

热膨胀

声光效应

光弹效应

电光效应等

检测的对象有频率

相位偏振

损耗

辐射量光强等

使用的光纤

有单模的多模的偏振的等等

这就是我们的点式传感器

可能采取的这个传感的方式

再看一下第二种叫准分布式

光传感系统

准分布式的系统是由多个置于空间

已知位置的分立式的光传感器

共用若干信息传输通道

构成的分布式网络系统

它可同时或者分时

获得空间中预定位置相同

或者不同测量量的分布信息

由于准分布系统涉及到复用技术

所以下面我们来介绍基于

FBG就是光纤布拉格光栅

以及FP腔的它在系统的复用技术

这个图给出了

FBG的波分复用的准分布系统

也就是说

它利用了波分复用的原理

看这个图可以看出

每一个FBG

它有不同的反射波长

不同的波长分布于不同的位置

所以这个波长

实际上就是

每个FBG的特征波长

测量相应的特征波长

实际上就可以得到相应位置的传感器信息

这就是波分复用

下面这个图是基于FBG的

时分复用的准分布式传感系统

大家可以看到

因为不同的FBG在不同的位置

它反射的时候

它在时间上是不一样的

前面的肯定是先反射后面的是后反射

所以这里的光脉冲的延迟量

反映了传感器的地址

而光脉冲参量的变化

反映了被测量的信息

图5是基于FBG的

空分复用的准分布式光传感系统

空分复用的准分布式光传感系统

它的原理是宽带光被光开关

分成多路

每一路FBG反射的信号

通过光开关接到探测器上

这样就是说

光开关实际上起到了选路的作用

也就是选出了不同的位置的

相应信息进行探测

所以这是一种空分复用的方式

这个图

是给出了基于强度解调的光纤FP腔

的波分复用准分布式系统

具体的FP腔

就是这个图里边最右端所表示的这几个

FP腔

它是光纤FP腔

那光纤FP腔到底是个

什么样一个基本的原理呢

大家看这一张图

实际上就是在光纤的断面上

留了一定的缝隙

所以把光纤的FP腔

可以看为宏观的常规FP腔的缩微版

入射光照射到这个

强度如果是这里的取为I0

它的波长是λ

它的腔长为t

那两束光干涉以后的光强IR

就可以表示成这里的这个关系

所以大家可以看到这个反射的这个强度

实际上和波长

和这个腔的厚度有关系

所以

这两个参量实际上在它

传感里面起到非常重要的这样一个作用

当外界参量以一定的方式作用于FP腔时

它的腔长就会发生变化

进而导致干涉信号的变化

那这不同的波长

实际上就代表了不同的位置的FP腔

这就是它准分布的一个原理

图7

是基于相位解调的

FP腔的波分频分复用的系统

它的波分首先是用一个

CWDM就是粗波分复用进行波长的分割

然后由不同腔长的FP腔进行频分

最后

探测的信号由计算机进行频谱的

处理就可以得到是那个腔的信号

具体的处理

实际上

下面我们会看到它的处理的方式

图8是基于相位解调的

光纤FP腔的空分复用的准分布式系统

大家可以看这个图

它具体的相位信息

就是可以通过这个相关的运算

来得到它是指的到底是哪一个腔

这是它的分布式的传感的一个原理

好我们对这一节做一个小结

这一节我们讲了光传感的原理

光传感的组网方式

包括单点式光传感系统

和准分布式光传感系统

下一节我们来讲分布式光传感系统

好

我们这一节的内容就讲到这里

谢谢大家