常用传感器的类型和工作原理-分布式光纤技术原理

第三章常用传感器的类型和工作原理1安全监测仪器的发展（1）国外的发展概况德国，1891年的埃施巴赫混凝土重力坝中进行外部变形观测1903年美国新泽西州的布恩顿（Boonton）重力坝，进行温度观测瑞士，1920年第一次用大地测量法测量大坝变形1920年瑞士蒙萨温斯（Montsalvens）重力坝（高35m），埋设电阻式遥测仪器。1925年美国垦务局对爱达荷州高25m的亚美利加一佛尔兹坝进行扬压力观测1926年美国垦务局，斯蒂尔顿试验坝（高18.3m）埋设电阻式应变计140支，研究拱坝的应力分布传感器的发展历程差动电阻式传感器1932年美国加利福尼亚大学教授卡尔逊小巧玲珑、易于操作、便于野外作业等优点振弦式传感器1919年谢弗设计，由德国麦哈克公司生产1932年克温设计，由法国泰勒马克生产振弦式应变计同一时期原苏联学者达维金科夫制造了一种弦式仪器弦式传感器的精度和灵敏度均优于卡式仪器，且结构简单、容易实现自动化巡检。电阻应变片20世纪50年代，日本渡边以电阻应变片作为敏感元件，研制“贴片式仪器”光纤传感器1977年美国海军研究所开始执行光纤传感器系统的计划（2）国内的发展情况1958年水利水电科学研究院，研制了差动电阻式（卡尔逊式）系列仪器1964年南京水利科学研究院、铁道科学研究院和中国建筑科学研究院，研制了振弦式传感器1968年南京电力自动化设备厂，生产差动电阻丝应变计、测缝计、钢筋计、孔隙压力计、温度计等观测仪表2电阻式传感器的基本原理电阻式传感器电阻式传感器的类别与特性电阻元件非电量电阻变化2.1电阻应变式传感器

图中，l称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度；l×b称为应变片的使用面积。（1）电阻应变片的结构电阻丝较细，直径一般在0.015～0.06mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(直径为0.1～0.2mm)作为引线，以便与测量电路连接。应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的，如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13mm×5mm，120W。电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。应变效应（2）电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF若电阻丝是圆形的，则A=πr²,对r微分得dA=2πrdr，则在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有金属的应变效应根据应力σ和应变ε的关系:

应力σ=εE，σ∝ε，

应变ε∝dR，σ∝dR。金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF确定的金属材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx

也是常数。金属的电阻相对变化与应变成正比关系。通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。灵敏系数KS受两个因素影响：（1）应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；（2）应变片受力后材料的电阻率的变化，即（dρ/ρ）/ε

。

对金属来说，第二项很小，可忽略不计，KS的第一项起主要作用，m＝0.25～0.5，故KS≈1.5～2。

对半导体而言，第二项取值为50～100，第一项可忽略不计。可见，半导体的灵敏系数要比金属大得多。应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为1×10-6或με。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝的灵敏系数物理意义①测量精度高，测量应变的误差小于1%。②测量范围广，应变测量范围一般可由数个me至数千个

me。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从

1%～20%。③分辨力高，通常可达1me。④频率响应特性好，可测几十甚至上百kHz的动态过程。（3）电阻应变片的优点⑤尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2mm×2.5mm)、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。⑥环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。⑦便于实现多点测量及远距离传送。①在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。②应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。③虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。④应变片的温度系数较大。（4）电阻应变片的缺点（5）电阻应变片的主要参数及工作特性电阻应变片的主要参数电阻值

是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。有60W、90W、120W、250W、350W、600W和1000W等，120W和350W应用较多。几何尺寸

标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应变片。目前最小标距可做到0.2mm，最大可达300mm以上。

b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。（6）电阻应变片的粘贴方法应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量时，通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变传递到应变片的敏感栅上去。因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，影响测量结果的准确性。作业如果将100W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S＝0.5×10－4m2，弹性模量E＝2×1011N/m2，若有F＝5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1W。试求该应变片的灵敏系数。2.2压阻式传感器

压阻效应——固体受到作用力后电阻率发生变化的现象。压阻式传感器有下面两种类型①利用半导体材料做成的粘贴式应变片；②在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻式传感器。扩散硅压阻式压力传感器式中的(1＋2m)项，对半导体材料，其值很小，可忽略不计，上式近似为（1）压阻式传感器的工作原理式中，pL为单向受力时沿受力方向的压阻系数；s为应力；E为弹性模量。

N型硅pL=(40~80)×10－11m2/N，E=1.30×1011N/m2，则KS=pLE=50~100。所以，可以忽略(1＋2m)项。（2）压阻式传感器的优点①灵敏度非常高，有时传感器输出不需放大就可直接用于测量；②分辨力高，例如，可测出10～20Pa的微小压力变化；③体积小；④测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。

（3）压阻式传感器的缺点温度误差大，需进行温度补偿或恒温使用。3钢弦频率式传感器工作原理传感器的敏感元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电激励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张力F，可以得到不同的振动频率f，即张力与谐振频率成单值函数关系。压力盒计算公式4光纤传感器光纤的基本结构

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而出现并迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术光纤传感器的分类点式光纤传感器准分布式光纤传感器分布式光纤传感器迈克尔逊干涉计法布里－珀罗干涉计光纤布拉格光栅通过复用技术，点式传感器可以构成网络实现准分布式测量基于瑞利反射技术的光纤传感器基于拉曼反射技术的光纤传感器基于布里渊反射技术的光纤传感器传感器性能比较光纤传感技术分类：(a)点式；(b)准分布式；(c)分布式光纤传感器的优点可实现长距离检测，测试空间范围大应用范围广，可以对温度、湿度、应力、应变、流速、流量、位移、振动、化学物质、放射体等多种要素进行测量灵敏度高、动态范围大耐高温、抗腐蚀，化学性能稳定，不受电磁干扰，能在较恶劣的环境中使用，在易燃易爆等危险条件下也能保证安全工作光纤体积小，易于表面和埋入式安装，且不会导致被测体的机械性能和材料的变化可以串连复用，用一根光纤连接多个传感单元，实现准分布式测量（如FBG），甚至实现全分布式测量（如BOTDR）宽频带、高速传输，易于系统集成4.1布拉格光纤光栅(FBG)光纤光栅传感器现在已称为健康监测中应用最广泛的光纤传感器，在整个光纤传感器市场中约占44%的份额，是目前最有发展前途的光纤传感器之一光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating,FBG）传感器是一种近年来发展起来的新型光纤传感器。基本原理将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长（布拉格反射光）的光波在这个区域内将被反射。反射的中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关。布拉格光纤光栅(FBG)传感原理

B为FBG中心波长neff

为纤芯的有效折射率

为光纤光栅折射率调制周期Pe为有效光弹系数

为光纤的热膨胀系数

为光纤的热光系数应变灵敏度系数（1-Pe）温度灵敏度系数（

＋

）

1个微应变0.1℃光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系光纤光栅传感器光纤光栅传感器动态范围(dB)精度(pm)波长范围(nm)扫描频率(Hz)重复性(pm)通道数目(个)>6011520~15705或0.50.01(0.5Hz);0.2(5Hz)2(8)si720光纤光栅传感分析仪主要技术性能指标信号时域分析就是分析信号随时间的变化，比如24小时体温监测图即体温随时间变化时域分析反映在图象上最明显的特征就是横轴以时间为变量，纵轴因描述的变量不同而不同4.2时域与频域的概念及关系（1）时域频率就是指单位时间内发生的次数，一般用F来表示。日常生活中我们经常接触到一些频率的描述，比如听收音机时，要调频选台，其中调频，就是要调至某一频率；我们家用的电器上也经常标着220V，50Hz，而50Hz就是指频率为50赫兹。（2）频域频域分析反映在图象上自变量是频率,即横轴是频率,纵轴是该频率信号的幅度将时域信号经过一种非常有用的数学变换一傅里叶变换（1），就可转化到频域，得到信号的频谱，这就是频谱分析；反过来，我们也可将频域信号通过逆傅里叶变换（2）转换成时域信号（3）时频之间转换频域与时域时域TimeDomain频域FrequencyDomain由时域变换到频域，我们也可以分析信号中包含的各种频率分量的幅值、功率、能量和相位关系，也就是分析信号的频谱特性。既然通过信号的频域分析，可以知道信号含各个频率的成分多少，我们就可以设计滤波器的频率来抑制某些信号而放大另一些我们感兴趣的信号。频域无法观测时域的特性时域TimeDomain频域FrequencyDomain4.3基于散射原理的分布式光纤传感技术透射光脉冲入射光散射光背向散射光激光探测器光纤升温降温拉伸压缩分布式光纤传感技术通过测量光在光纤中传输时所产生的散射光，根据散射光所携带的温度、应变等信息，同时采用光时域反射技术，对沿光纤传输路径上温度、应变等信息进行检测分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具发展前景的技术之一目前应用比较多的主要有基于光时域反射的光纤传感技术，基于拉曼散射的分布式温度传感技术和基于布里渊散射的分布式传感技术光纤材料密度不均匀、掺杂成分不均匀以及光纤本身的缺陷，当脉冲通过光纤传输时，沿光纤长度上的每一点均会引起瑞利散射。OTDR探测到的是后向瑞利散射光功率。4.4OTDR的测量原理所谓背向散射法是利用光的瑞利散射特性来对光纤损耗特性进行测试的。瑞利散射是光纤材料的固有特性，当窄的光脉冲注入光纤后沿着光纤向前传播时，所到之处将发生瑞利散射。光脉冲散射光散射光入射光入射光背向散色光背向散色光光纤另外，当光脉冲遇到裂纹或其它缺陷时，也有一部分光因反射而返回到入射端，而且反射信号比散射信号强得多。光脉冲光纤入射光反射光反射光OTDR测试原理---相关术语即光纤自身反射回的由瑞利散射产生的光信号称为背向散射光。背向散射光反射事件活动连接器(Connector)、光纤断裂点(Crackpoint)或光纤末端(Fiberend)都会引起损耗和反射，这种反射幅度较大的事件称为反射事件。OTDR测试原理---相关术语光纤中的熔接头(Fusionsplice)和弯曲(BendsorMacrobending)都会带来损耗，但不会引起反射，称为非反射事件。非反射事件非反射事件光纤熔接和弯折可导致光功率衰耗,但是没有反射现象.它在OTDR上有相似的显示结果损耗弯折熔接OTDR测量显示熔接弯折活动连接器机械固定接头断裂光纤尾端衰耗反射OTDR显示熔接弯折活动连接器机械固定接头断裂光纤尾端反射事件机械固定接头,活动连接器和光纤断裂都会引起光的反射和衰耗,它们在OTDR上有相似的显示结果,我们称之为反射事件.光纤末端(非反射)反射无规则的光纤尾端粲OTDR测量显示熔接弯折活动连接器机械固定接头断裂光纤尾端通过向被测光纤发射光脉冲，检测光纤中返回的瑞利散射及菲涅尔反射数值，得到被测光纤的长度及损耗等物理特性。返回到入射端的光信号中包含有损耗信息，经过适当的耦合、探测和处理，就可以分析到光脉冲所到之处的光纤损耗特性，并借助数据分析功能，精确定位光路中的事件点及故障点4.5BOTDR（布里渊光时域反射技术）BOTDR检测原理示意图布里渊散射光谱布里渊散射光谱的峰值点所对应的中心频率即是布里渊频移νBνB与光纤的应变和温度分别具有良好的线形关系应变系数0.05MHz/10-6温度系数1.3MHz/°C测量范围(km)1，2，5，10，20，40，80空间采样间隔(m)1.00，0.50，0.20，0.10，0.05空间定位精度(m)±(2.0×10－5×测量范围(m)＋0.2m＋2×距离采样间隔(m))应变测量范围－1.5％～1.5％（15,000μm）脉冲宽度(ns)102050100200空间分解度(m)1251122应变测量精度*±0.004％(40με)±0.003％(30με)重复性*<0.04％<0.02％*测量条件：平均次数2^14，频率扫描间隔10MHzAQ8603的主要技术性能指标主要技术性能指标解析（1）脉冲宽度宽脉冲包含的能量多，背向散射的信号大，则动态范围增大，能够测量的距离远，但空间分辨率低。短脉冲测量的距离小，具有较好的距离精确度和空间分辨率，但是，短脉冲将使动态范围降低，噪声的影响变大，导致检测的曲线不够平滑。（2）数据平均计算次数（测量时间）指所测数据的平均化计算次数由于后向散射光信号极其微弱，一般采用统计平均的方法来提高信噪比，平均次数越多，信噪比越高，但测定时间越长（3）距离范围最大可测距离=动态范围（dB）/光纤平均损耗（dB/km）动态范围将决定测量的最远距离，这与测量时的起始频率和扫描次数有关。（4）空间分辨率空间分辨率

，取决于入射光的脉冲宽度

，它们之间的关系式式中，

为光纤中的光速。可见越小，分辨率越高。空间分辨率主要取决于光脉冲宽度、光探测器的响应时间和A/D转换时间等方面。（5）采样间隔采样间隔与距离分辨率和脉冲光的宽度有关。采样间隔越大，脉冲光宽度越大,距离分辨率越低采样的空间分辨率从1m到0.05m改变时，所测定时间将延长20倍（6）扫描频宽所设定的频宽越窄，布里渊散射光谱的近似曲线的误差越小。如果按一定的频宽扫描时，如果要增加测定次数，就要增加测定时间。基于BS的其它传感技术布里渊光时域分析（BOTDA）布里渊光频域分析（BOFDA）布里渊光相关域分析（BOCDA）DiTeSt2000（瑞士Omnisens公司）NBX6000（日本Neubrex公司）4.6PPP-BOTDA（布里渊光时域分析技术）PPP-BOTDA技术测量原理日本NeubrexNBX-7020激光器1发出的连续光经调制器调制后作为泵浦脉冲光，泵浦脉冲光从光纤的一端进入光纤激光器2发出的连续探测光，连续探测光的频率比泵浦脉冲光频率低约一个布里渊频移，被称为斯托克斯光当泵浦脉冲光与斯托克斯光在光纤中相遇时，由于受激布里渊放大作用，泵浦脉冲光的一部分能量通过声波场转移给斯托克斯光通过在信号检测端测量斯托克斯光功率的变化，得到光纤沿线能量转移的大小。由于能量转移的大小与两个光波之间的频率差有关，且当两者的频率差等于光纤的布里渊频移时转移的能量最大，所以通过扫描两个光源之间之间的频率差并记录下每个频率差下光纤沿线能量转移的大小。仪器性能指标BOTDR与BOTDA对比BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检测困难。在BOTDA中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊散射效应，散射光强度更强674.7ROTDR（光时域拉曼散射技术）拉曼散射产生机理：在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉曼散射量子力学描述：分子吸收频率为V0的光子，发射V0-Vi的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（斯托克斯光）；分子吸收频率为V0的光子，发射V0+Vi的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。68ROTDR——传感原理拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊散射光还弱10dB，所以必须采用高输入功率，且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内的平均值。此方法上世纪80年代就已被提出，并商用化。69ROTDR——传感原理基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下(T=300K)其温敏系数为8‰/℃。采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。70几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR断点、损伤检测连续显示衰减情况有盲区BOTDR应力、温度测量精度和分辨率高要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低BOTDA应力、温度测量精度和分辨率高，大动态范围系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰ROTDR温度较高测温精度返回的信号弱，大功率光源71光缆传感监控系统工程施工实例根据防范的不同场合和要求，光纤可以构成各种形状，环置于需要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号72周界防护4.8分布式光纤传感技术的应用管道泄露监测73工程监测的应用领域桥梁健康监测系统包括硬件和软件两个部分其中硬件部分包括四个系统传感器系统；数据采集系统；数据通信与传输系统；数据分析和处理系统该系统能够实时报告大桥主要构件的实际工作状况，判断构件是否