波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器

1、1包層長(zhǎng)度靈活可變的小探頭光纖傳感器包層長(zhǎng)度靈活可變的小探頭光纖傳感器 北京交通大學(xué)全光網(wǎng)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部北京交通大學(xué)全光網(wǎng)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2010-07-02裴裴 麗麗2Key Lab of all Optical Network & Advanced Telecommunication Network, Ministry of Education, China3Ultra clean laboratory 45目目 錄錄v前言前言v汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖

2、基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 6目目 錄錄v前言前言v汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 7前前 言言 光纖傳感器是光、電子技術(shù)的新光纖傳感器是光、電子技術(shù)的新結(jié)晶，它具有抗化學(xué)腐蝕，精確度高、結(jié)晶，它具有抗化學(xué)腐蝕，精確度高、電絕緣、抗電磁干擾、可用在有毒有電絕緣、抗電磁干擾、可用在有毒有害、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境中等常規(guī)害、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)

3、境中等常規(guī)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在科研、工傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在科研、工業(yè)、特別是國(guó)防等廣闊領(lǐng)域中存在著業(yè)、特別是國(guó)防等廣闊領(lǐng)域中存在著巨大的應(yīng)用潛力。巨大的應(yīng)用潛力。8 利用汞包層光波導(dǎo)作探頭的光纖利用汞包層光波導(dǎo)作探頭的光纖液位傳感器和光纖溫度傳感器，它的液位傳感器和光纖溫度傳感器，它的突出特點(diǎn)是探頭線性度好，強(qiáng)度調(diào)制，突出特點(diǎn)是探頭線性度好，強(qiáng)度調(diào)制，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，精確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，精確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，使用安全。在油庫(kù)的單，性能可靠，使用安全。在油庫(kù)的液位和溫度測(cè)量中存在著巨大的應(yīng)用液位和溫度測(cè)量中存在著巨大的應(yīng)用前景。前景。前前 言言9目目 錄錄v前言前言v

4、汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 10汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 汞是唯一在常溫下呈液汞是唯一在常溫下呈液態(tài)的金屬，由于金屬導(dǎo)體的態(tài)的金屬，由于金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率很大，而且由于電磁電導(dǎo)率很大，而且由于電磁波在金屬表面發(fā)生強(qiáng)烈的反波在金屬表面發(fā)生強(qiáng)烈的反射，進(jìn)入導(dǎo)體的能量遠(yuǎn)小于射，進(jìn)入導(dǎo)體的能量遠(yuǎn)小于入射波的能量，其結(jié)果是金入射波的能量，其結(jié)果是金屬表面的電場(chǎng)切向分量很小，屬表面的電場(chǎng)切向分量很小

5、，因此在求解汞包層光波導(dǎo)中因此在求解汞包層光波導(dǎo)中的場(chǎng)分布時(shí)，如果把金屬表的場(chǎng)分布時(shí)，如果把金屬表面用完純導(dǎo)體代替并不會(huì)引面用完純導(dǎo)體代替并不會(huì)引起顯著的誤差起顯著的誤差, 而計(jì)算卻得到而計(jì)算卻得到簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化。11汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性第一步：假定波導(dǎo)的金屬壁面是完純的，計(jì)算完純波導(dǎo)第一步：假定波導(dǎo)的金屬壁面是完純的，計(jì)算完純波導(dǎo)壁情況下，同軸波導(dǎo)中壁情況下，同軸波導(dǎo)中TMTM波和波和TETE波的各場(chǎng)分量分布。波的各場(chǎng)分量分布。第二步：由場(chǎng)分布獲得壁面表面電流密度的大小。第二步：由場(chǎng)分布獲得壁面表面電流密度的大小。第三步：根據(jù)計(jì)算獲得的表面電流密度和壁面電阻，獲第三步：根據(jù)計(jì)算獲

6、得的表面電流密度和壁面電阻，獲得得TMTM波與波與TETE波的損耗功率。波的損耗功率。第四步：獲得金屬包層波導(dǎo)中第四步：獲得金屬包層波導(dǎo)中TM波與波與TE波的傳輸功波的傳輸功率。率。 12汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性第五步：獲得金屬包層光波導(dǎo)的衰減常數(shù)第五步：獲得金屬包層光波導(dǎo)的衰減常數(shù), 設(shè)設(shè)Ai為第為第i 個(gè)個(gè)TE?；蚰；騎M模單獨(dú)傳輸時(shí)的衰減常數(shù)模單獨(dú)傳輸時(shí)的衰減常數(shù)(Jm+1為為m+1階貝階貝塞爾函數(shù)；塞爾函數(shù)；Jm為階貝塞爾函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；為階貝塞爾函數(shù)的導(dǎo)數(shù)；Kz為傳輸常數(shù)為傳輸常數(shù)的的Z向分量向分量) ?？傻茫??？傻茫?()(221aKaJKaKJRPPAcTMmnmzcTM

7、mnmsTMmnlTMmnTMmn24222412aKKmKmKaRPPAcTEmnzzcTEmnsTEmnlTEmnTEmn13汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性第六步：獲得功率衰減常數(shù)第六步：獲得功率衰減常數(shù)(其中，其中，Z為波導(dǎo)長(zhǎng)度，為波導(dǎo)長(zhǎng)度，Pi為光纖的輸入光功率，為光纖的輸入光功率，PO為光纖的輸出光功率，為光纖的輸出光功率，Li為為第第i個(gè)個(gè)TE?；蚰；騎M模的功率占總功率的比重系數(shù)模的功率占總功率的比重系數(shù) dB/mm):21010lglg20lgiiiiAZoiPPeL AZPZPe通過(guò)數(shù)值解法，即可獲得不同參數(shù)通過(guò)數(shù)值解法，即可獲得不同參數(shù)情況下，汞包層光波導(dǎo)的功率衰減情

8、況下，汞包層光波導(dǎo)的功率衰減常數(shù)。常數(shù)。14汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性0.911.11.21.31.41.51.61.70.040.060.080.10.120.140.16wavelength(um)attenuation(dB/mm)1001502002503003500.020.030.040.050.060.070.080.090.10.110.12diameter of the fiber core(um)attenuation(dB/mm) 衰耗系數(shù)與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系衰耗系數(shù)與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 衰耗系數(shù)與波導(dǎo)芯子直徑的關(guān)系衰耗系數(shù)與波導(dǎo)芯子直徑的關(guān)系 汞包層光波導(dǎo)芯徑一定

9、的情況下，隨著傳輸汞包層光波導(dǎo)芯徑一定的情況下，隨著傳輸光波長(zhǎng)的增加，衰耗系數(shù)減小；波長(zhǎng)一定的情況光波長(zhǎng)的增加，衰耗系數(shù)減?。徊ㄩL(zhǎng)一定的情況下，波導(dǎo)越細(xì)，則衰耗系數(shù)越大。下，波導(dǎo)越細(xì)，則衰耗系數(shù)越大。 15汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性010203040506070-10010203040506070Length of metal cladding fiber(cm)loss(dB) 汞包層光波導(dǎo)長(zhǎng)度與光功率衰耗的關(guān)系汞包層光波導(dǎo)長(zhǎng)度與光功率衰耗的關(guān)系 mmma200,150,1252 功率衰減常數(shù)分別為功率衰減常數(shù)分別為0.095dB/mm0.095dB/mm，0.088dB/mm0.

10、088dB/mm和和0.06dB/mm0.06dB/mm。即。即波導(dǎo)直徑和光波長(zhǎng)一定的情況下，汞波導(dǎo)直徑和光波長(zhǎng)一定的情況下，汞包層光波導(dǎo)引起光功率的衰耗隨著波導(dǎo)的長(zhǎng)度增加作線性增加。包層光波導(dǎo)引起光功率的衰耗隨著波導(dǎo)的長(zhǎng)度增加作線性增加。 16汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性以汞為包層的光波導(dǎo)具有很好的以汞為包層的光波導(dǎo)具有很好的衰減特性，且包層的液體汞長(zhǎng)度衰減特性，且包層的液體汞長(zhǎng)度靈活可變，因此將外界參量的變靈活可變，因此將外界參量的變化通過(guò)汞包層光波導(dǎo)的長(zhǎng)度變化化通過(guò)汞包層光波導(dǎo)的長(zhǎng)度變化來(lái)體現(xiàn)，測(cè)量光功率的改變，即來(lái)體現(xiàn)，測(cè)量光功率的改變，即可得出待測(cè)量?？傻贸龃郎y(cè)量。 17目目

11、 錄錄v前言前言v汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 18基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 液位傳感器按照探頭的工作原理主要液位傳感器按照探頭的工作原理主要分為三大類(lèi)：分為三大類(lèi)：v浮筒類(lèi)浮筒類(lèi)v電子類(lèi)電子類(lèi)v液壓類(lèi)液壓類(lèi) 19 浮筒類(lèi)液位傳感器浮筒類(lèi)液位傳感器特點(diǎn)：利用傳動(dòng)裝置把與液位同高度的浮筒高特點(diǎn)：利用傳動(dòng)裝置把與液位同高度的浮筒高度信息轉(zhuǎn)換成脈沖或連續(xù)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其

12、可度信息轉(zhuǎn)換成脈沖或連續(xù)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。不足：積聚在傳動(dòng)機(jī)械臂上的污物會(huì)限制浮筒不足：積聚在傳動(dòng)機(jī)械臂上的污物會(huì)限制浮筒運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生故障。運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生故障。 基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器20基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 電子類(lèi)液位傳感器電子類(lèi)液位傳感器n電容式液位計(jì)電容式液位計(jì): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于對(duì)電纜中的干擾和寄但由于對(duì)電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差。生電容很敏感，精度較差。n電阻式液位計(jì)：測(cè)量精度電阻式液位計(jì)：測(cè)量精度受液體污染情況的影響很大，受液體污染情況的影響很大，易

13、產(chǎn)生錯(cuò)誤，且響應(yīng)速度慢。易產(chǎn)生錯(cuò)誤，且響應(yīng)速度慢。21基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 液壓類(lèi)液位傳感器液壓類(lèi)液位傳感器n 氣泡式液位計(jì)、差壓式液氣泡式液位計(jì)、差壓式液位計(jì)位計(jì)- -將被測(cè)液位值轉(zhuǎn)換成空將被測(cè)液位值轉(zhuǎn)換成空氣壓力值，通過(guò)測(cè)定壓力大氣壓力值，通過(guò)測(cè)定壓力大小獲得液位，不足是檢測(cè)方小獲得液位，不足是檢測(cè)方式十分復(fù)雜。式十分復(fù)雜。n 膜式液位計(jì)膜式液位計(jì)- -通過(guò)測(cè)量薄膜通過(guò)測(cè)量薄膜受力來(lái)檢測(cè)液位信息，其安受力來(lái)檢測(cè)液位信息，其安裝簡(jiǎn)單，但是測(cè)量范圍很小。裝簡(jiǎn)單，但是測(cè)量范圍很小。 22基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 光纖液位

14、傳感器用光而不是光纖液位傳感器用光而不是用電作為敏感信息的載體，用光用電作為敏感信息的載體，用光纖而不用金屬導(dǎo)線來(lái)傳遞敏感信纖而不用金屬導(dǎo)線來(lái)傳遞敏感信息，具有常規(guī)傳感器無(wú)法比擬的息，具有常規(guī)傳感器無(wú)法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)。諸多優(yōu)點(diǎn)。23汞包層光波導(dǎo)光纖液位傳感器工作原理汞包層光波導(dǎo)光纖液位傳感器工作原理 Thin duct BBP0Wide duct AANaked fiberAirModulated optical signalLiquid level HHHgf(x)P1Detection terminalComparerPiston24設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)要點(diǎn)：v 汞容器材料的選擇（銅）：確保傳動(dòng)

15、裝置能夠靈敏的傳遞汞容器材料的選擇（銅）：確保傳動(dòng)裝置能夠靈敏的傳遞液位變化的信息，并能抵抗很強(qiáng)的壓力，汞雖然對(duì)銅具有液位變化的信息，并能抵抗很強(qiáng)的壓力，汞雖然對(duì)銅具有腐蝕性，但是很快會(huì)形成一層汞化銅，形成保護(hù)。腐蝕性，但是很快會(huì)形成一層汞化銅，形成保護(hù)。v 液位變化的實(shí)時(shí)反應(yīng)（連通器粗端的精密可移動(dòng)活塞的設(shè)液位變化的實(shí)時(shí)反應(yīng)（連通器粗端的精密可移動(dòng)活塞的設(shè)計(jì)）：實(shí)現(xiàn)被測(cè)液體與汞的分離，避免其與汞和待測(cè)液體計(jì)）：實(shí)現(xiàn)被測(cè)液體與汞的分離，避免其與汞和待測(cè)液體發(fā)生反應(yīng)，活塞移動(dòng)量由待測(cè)液體的液壓來(lái)控制。發(fā)生反應(yīng)，活塞移動(dòng)量由待測(cè)液體的液壓來(lái)控制。v 探頭體積的減?。涸谶B通器的細(xì)端上方進(jìn)行了密封，避

16、免探頭體積的減小：在連通器的細(xì)端上方進(jìn)行了密封，避免汞蒸汽的揮發(fā)，同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)液位高度設(shè)計(jì)細(xì)管上方空氣汞蒸汽的揮發(fā)，同時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)液位高度設(shè)計(jì)細(xì)管上方空氣的容積，對(duì)減小探頭體積非常有益。的容積，對(duì)減小探頭體積非常有益。汞包層光波導(dǎo)光纖液位傳感器汞包層光波導(dǎo)光纖液位傳感器25液位與接收光功率的關(guān)系液位與接收光功率的關(guān)系02004006008001000-60-50-40-30-20-100Liquid level H (cm)Received power(dBm)02004006008001000-60-50-40-30-20-100Liquid level H (cm)Received powe

17、r(dBm)(a)優(yōu)化設(shè)計(jì)前優(yōu)化設(shè)計(jì)前(b)優(yōu)化設(shè)計(jì)后優(yōu)化設(shè)計(jì)后液位越高，接收到的光功率越小。液位越高，接收到的光功率越小。 26目目 錄錄v前言前言v汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 27Light source and detection terminalFC connecterOptical cableOptical fiberHeat sourceHgZero planeNaked fiber汞

18、包層光波導(dǎo)光纖溫度傳感器工作原理汞包層光波導(dǎo)光纖溫度傳感器工作原理 28汞包層光波導(dǎo)光纖溫度傳感器工作原理汞包層光波導(dǎo)光纖溫度傳感器工作原理 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)要點(diǎn)：v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理：汞泡是基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理：汞泡是測(cè)量探頭的探測(cè)點(diǎn)測(cè)量探頭的探測(cè)點(diǎn), , 在毛細(xì)管的中心垂在毛細(xì)管的中心垂直放置一根裸光纖直放置一根裸光纖, , 其兩端從毛細(xì)管中其兩端從毛細(xì)管中穿出穿出, , 并與普通單模光纖連接。并與普通單模光纖連接。v封裝工藝上提出了更高的要求。封裝工藝上提出了更高的要求。29接收光功率隨溫度的變化接收光功率隨溫度的變化 接接收收光光功功率率(dBm)(dBm)溫度（溫度（）

19、汞包層溫度傳感器的測(cè)量精度為汞包層溫度傳感器的測(cè)量精度為0.1，理論分析，理論分析的相對(duì)測(cè)量精度可達(dá)的相對(duì)測(cè)量精度可達(dá)0.02%。 30目目 錄錄v前言前言v汞包層光波導(dǎo)的特性汞包層光波導(dǎo)的特性 v基于連通器原理的光纖液位傳感器基于連通器原理的光纖液位傳感器 v基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖基于汞毛細(xì)管溫度計(jì)測(cè)溫原理的光纖溫度傳感器溫度傳感器 v信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端v結(jié)論結(jié)論 31 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì): 采用信號(hào)調(diào)制的方法，并加入比較電路，有效消采用信號(hào)調(diào)制的方法，并加入比較電路，有效消除測(cè)量起始點(diǎn)和外界雜散光的干擾除測(cè)量起始點(diǎn)和外界雜散光的干擾,具有優(yōu)良的測(cè)量重具有優(yōu)良的測(cè)量重復(fù)性。采用

20、復(fù)性。采用10位位A/D轉(zhuǎn)換，相對(duì)分辨率轉(zhuǎn)換，相對(duì)分辨率0.2%，消除外，消除外界雜散光的高斯噪聲干擾，并能實(shí)時(shí)地對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)界雜散光的高斯噪聲干擾，并能實(shí)時(shí)地對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)六位數(shù)碼顯示。行計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)六位數(shù)碼顯示。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 該信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最小接收光功率為該信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最小接收光功率為-50dBm的微弱光信號(hào)檢測(cè)，分辨率為的微弱光信號(hào)檢測(cè)，分辨率為0.02dB，準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性好，可靠性高。該檢測(cè)終端同樣適用于其它光通信系好，可靠性高。該檢測(cè)終端同樣適用于其它光通信系統(tǒng)中微弱光信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量。統(tǒng)中微弱光信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量。信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端32

21、光探測(cè)器光探測(cè)器I/UI/U轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換對(duì)數(shù)放大對(duì)數(shù)放大10K10K濾波濾波整流濾波整流濾波10K10K本振本振80988098微機(jī)微機(jī) 模模/ /數(shù)數(shù) 比較器比較器光源光源A/DA/D信號(hào)探測(cè)終端信號(hào)探測(cè)終端33測(cè)試獲得的液位與實(shí)際液位的關(guān)系測(cè)試獲得的液位與實(shí)際液位的關(guān)系 0200400600800100001002003004005006007008009001000Actual liquid level H (cm)Measured liquid level (cm)02004006008001000-10-8-6-4-20246810Actual liquid level H (cm)Delt H (mm) 測(cè)試獲得的液位測(cè)試獲得的液位10m之內(nèi)的最大誤差為之內(nèi)的最大誤差為5.2mm，引起誤差的原因很多，例如測(cè)試儀表的精度，汞的純引起誤差的原因很多，例如測(cè)試儀表的精度，汞的純度等，理論上的最大測(cè)試精度可達(dá)度等，理論上的最大測(cè)試精