光纖傳感器原理、結構線路及其應用

1、昆明理工大學課程設計一一光纖傳感器課程設計報告光纖傳感器原理、結構線路及其應用學院:信息工程與自動化班級：姓名:n學號:指導老師：.陳焰2014年12月25日目錄 TOC o 1-5 h z 摘要 1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 光纖傳感器概述 1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 光纖傳感器研究背景 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 研究的目的及意義 2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 原理

2、 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2.1光導纖維導光的基本原理 3斯乃爾定理(Snells Law) 3光纖結構4 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 光纖導光原理及數(shù)值孔徑 NA 5 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 2.2光纖傳感器結構原理 6 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 光纖傳感器的分類 7 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 2.3

3、.1根據(jù)光纖在傳感器中的作用8 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 2.3.2根據(jù)光受被測對象的調制形式 9 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 光纖傳感器的應用 10 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 溫度的檢測 10 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 遮光式光纖溫度計 10 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 透射型半導體光纖溫度傳感器 11 HYP

4、ERLINK l bookmark102 o Current Document 壓力的檢測 12 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 3.2.1采用彈性元件的光纖壓力傳感器12 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 3.2.2光彈性式光纖壓力傳感器 14 HYPERLINK l bookmark120 o Current Document 液位的檢測 16 HYPERLINK l bookmark122 o Current Document 球面光纖液位傳感器 16 HYPERLINK l boo

5、kmark130 o Current Document 斜端面光纖液位傳感器 17 HYPERLINK l bookmark134 o Current Document 單光纖液位傳感器18 HYPERLINK l bookmark138 o Current Document 3.4流量、流速的檢測 19 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 光纖渦街流量計 19 HYPERLINK l bookmark146 o Current Document 光纖多普勒流速計20總結21 HYPERLINK l bookmark150 o Current

6、Document 參考文獻： 22光纖傳感器（FOS Fiber Optical Sensor）是20世紀70年代中期發(fā)展起來的 一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與 以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。 光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖 作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。近年來， 傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中， 光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。 光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如： 抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的

7、化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如 高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越 人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。關鍵詞：光纖傳感器 測量 結構 原理應用1.光纖傳感器概述1.1光纖傳感器研究背景近年來，傳感器在朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展。 在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu) 異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性 能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在 人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳

8、目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，外界入射光子和纖芯內鍺離子相互作用 引起的折射率永久性變化，在纖芯內形成空間相位光柵，其作用的實質是在纖芯 內形成，利用空間相位光柵的布拉格散射的波長特性，一個窄帶的，投射或反射，濾光器或反射鏡。1978年加拿大通信研究中心的K O Hill及其合作者首次從接錯光纖中觀察 到了光子誘導光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長的氛離子激光器， 通過增加或延長注入光纖芯中的光輻照時間而在纖芯中形成了光柵。后來Meltz等人利用高強度紫外光源所形成的干涉條紋對光纖進行側面橫向曝光在該光纖

9、芯中產(chǎn)生折射率調制或相位光柵。1989段的光纖光柵研制成功。光纖傳感就是將被測量的變化轉化為光纖中傳輸光參數(shù) （如光強、波長、相位 以及偏振態(tài)）的變化，通過測量光纖的輸出光來確定被測量的大小。光纖傳感技 術在國際上是七十年代后期迅速發(fā)展起來的新技術。而光纖傳感器就是隨光纖通訊及光纖傳感等相關技術而飛速發(fā)展起來的一類新型傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比主要差別在于傳統(tǒng)的傳感器是以應變一電 量為基礎，以電信號為轉換及傳輸?shù)妮d體，用導線傳輸電信號，因而使用時受到 環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫和易燃、易爆環(huán)境中 容易引起事故等。而光纖傳感器是以光信號為變換和傳輸?shù)妮d體，利用

10、光纖傳輸信號，它具有許多獨特的優(yōu)點：不受電磁干擾光信息在光纖中傳輸時，它不會與電磁場產(chǎn)生作用。因而， 信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力強，使其特別適合于電力系統(tǒng)。絕緣性能高?，F(xiàn)在普遍使用的光纖是由石英玻璃制成的，是一種不導電的非金屬材料，其外層的涂覆材料硅膠也不導電，很方便測量帶高壓電設備的各 種參數(shù)。防爆性能好、耐腐蝕。由于光纖內部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑畔⒉粫a(chǎn) 生火花、高溫、漏電等不安全因素。因此，光纖傳感器的安全性能好，適用于有 強腐蝕性對象的參數(shù)測量。導光性能好。對傳輸距離較短的光纖傳感器來說，其傳輸損耗可忽略不 計，目前利用這一特性制成了鍋爐火焰監(jiān)測器監(jiān)視火焰的狀態(tài)。可繞，光纖細而柔軟

11、，可制成非常小巧的光纖傳感器，用于測量特殊對 象及場合的參數(shù)。光纖傳感器的載體是光，其頻率數(shù)量級為從而使傳感器頻帶范圍很寬， 動態(tài)范圍很大。便于復用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信技術組成遙測網(wǎng)和光纖傳感 網(wǎng)絡光纖材料簡單，便于獲得，所以成本低。1.2研究的目的及意義光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、 易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、 耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性。而且光纖光柵制作工藝比較成熟， 易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實用性，其優(yōu)越性是其他許多器 件無法替代的。這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的

12、器件成為全光網(wǎng)中理想的關 鍵器件。1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成第一只光 纖光柵經(jīng)過二十多年來的發(fā)展，在光纖通信、光纖傳感等領域均有廣闊的應用前 景。隨著光纖光柵制造技術的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高各種特種光柵相繼 問世，光纖光柵某些應用已達到商用化程度。光纖傳感器的優(yōu)越性使其在軍事、國防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、 工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計量測試、建筑、家用電器等領域有著廣闊的市場。目前, 世界上已有光纖傳感器上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉動、彎 曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現(xiàn)了不 同性能的傳感。而今，光

13、纖傳感器正處于發(fā)展階段，人們正在探索新的方法和新 的結構。同時，也存在著許多問題要解決。例如，常規(guī)光纖具有偏振態(tài)漂移、模 間干擾等特點，使光纖傳感器的應用受到了限制，為此急需尋找新的光纖為光纖 傳感器注入活力，光子晶體光纖就是人們寄予希望的新型光纖之一。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測量中發(fā)揮著自己獨到的作用，是在生產(chǎn)實踐中值得注意的一種傳感 器，為傳感器家族中不可缺少的一員。2.原理2.1光導纖維導光的基本原理光是一種電磁波，一般采用波動理論來分析導光的基本原理。然而根據(jù)光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間，可以用“光線”即幾何光學

14、的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象，這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為 此，采用幾何光學的方法來分析。2.1.1斯乃爾定理(Snells Law)當光由光密物質（折射率大）入射至光疏物質時發(fā)生折射，如圖1,其折射角大于入射角，即ni n2時，9 r B i。ni、n2、9 r、9 i之間的數(shù)學關系為nisin 9 i=n?sin 9 r可見，入射角 隨之增大，且始終9 i增大時，折射角9 r也9 r 9 i o圖1光的折射示意圖當 9 r=90o 時，9 i 仍 v 90o, 狀態(tài)。這時有此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D2,稱為臨界sin 9=sin90orsin 9i0=n2/n0 jo=arcsi

15、n(n/n21)圖2臨界狀態(tài)示意圖式中：當90 i0-一臨界角e i0并繼續(xù)增大時,e r 900,這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖3，其出射光不再折射而全部反射回來。圖3光全反射示意圖2.1.2光纖結構分析光纖導光原理，除了應用斯乃爾定理外還須結合光纖結構來說明。 光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯（纖芯）和玻璃包皮（包層）兩個同心圓柱的雙 層結構組成。包層ni比包層折 射率n2稍大些.兩層之間形成良好的光學界面，光線在這個界面上反射傳播。2.1.3 光纖導光原理及數(shù)值孔徑NA入射光線AB與纖維軸線OO相交角為9 i，入射后折射（折射角為9 j）至纖 芯與包層界面C點，與C點界面法線DE成9 k角，并由

16、界面折射至包層，CK 與DE夾角為9 r，如圖5。則nos in 9 i=nis in 9 jnisin 9 k=n2sin 9 rsinsinnnon sin 齊 nisin.n； - n； sin 2 片9 r=90o的臨界狀態(tài)時,i= 9 ionosin 9 i=(ni/n o)sinsin 9 k=(n2/n i)sin因9 j =90o 9 k所以no為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n 1，ni為纖芯折射 率，n2為包層折射率。當n0=1時-sin( 9。-耳)=- cos “ nonsin耳 o 二-90o時，光線發(fā)生全反射，則6 i 6 io =arcsin NA當

17、 6 rNA 6 i arcsin NA，光線消失。這說明arcsinNA 是一臨界角，凡入射角6iarcsinNA 的那些光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角6iV arcs inNA的光線才 可進入光纖被全反射傳播2.2光纖傳感器結構原理以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接，見圖6。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā) 送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成，見 圖7。圖6傳統(tǒng)傳感器光發(fā)送器”光纖.敏感元件.-光接收器亠、

18、圖7光纖傳感器由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被 測量的調制，已調光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器， 使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng) 信號處理得到所期待的被測量?？梢?光纖傳感器與以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質 的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機一電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測量為基礎。光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的 lmm到極遠紫外線的10nm它的物 理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。 因此，討論光的敏感測量必須 考慮光的電矢量E的振動，即E = Asi n tA電場E的振幅矢量；3光波的振動頻率； 光相位；t光的傳播時間?？梢姡灰构獾膹?/p>

19、度、偏振態(tài)（矢量A的方向）、頻率和相位等參量之一隨 被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調制，那么，通過對光的強度調制、偏振 調制、頻率調制或相位調制等進行解調，獲得所需要的被測量的信息。2.3光纖傳感器的分類傳感器光學現(xiàn)象被測量光纖分類相位調制光干涉（磁致伸縮）電流、磁場SM PMa干線傳感器干涉（電致伸縮）電場、電壓SM PMa涉Sagnac效應角速度SM PMa型光彈效應振動、壓力、SM PMa干涉加速度、位移 溫度SM PMa強度調制光遮光板遮斷光路溫度、振動、MMb :纖溫度傳感半導體透射率的變化壓力、加速度、MMb非器熒光輻射、黑體輻射位移、溫度MMb光纖微彎損耗溫度、振動、壓力、S

20、Mb振動膜或液晶的反射加速度、位移MMb干氣體分子吸收振動、壓力、位移MMb光纖漏泄膜氣體濃度、液位MMb偏振調制光法拉第效應電流、磁場SMb,a涉纖溫度傳感泡克爾斯效應電場、電壓、MMb器雙折射變化溫度SMb光彈效應振動、壓力、MMb型加速度、位移頻率調制光多普勒效應速度、流速、MMc纖溫度傳感受激喇曼散射振動、加速度MMb器光致發(fā)光氣體濃度、溫度MMb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型2.3.1根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖 （或特殊光纖）

21、作傳感元件， 將“傳”和“感”合為一體的傳感器，如圖 &光纖不僅起傳光作用，而且還利 用光纖在外界因素（彎曲、相變）的作用下，其光學特性（光強、相位、偏振態(tài)等） 的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖 連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。圖8功能型（全光纖型）光纖傳感器2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其 他物理性質的功能元件完成，如圖9。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光 纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要 求不太高的場合。圖9非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器3

22、）拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、 散射的光，如 圖10。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。光發(fā)送器”信號”_光受”處理”信器耦合器亍0 濟測對熟圖10拾光型光纖傳感器2.3.2根據(jù)光受被測對象的調制形式形式：強度調制型、偏振調制、頻率調制、相位調制。1）強度調制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、 吸收或反射等參數(shù)的變 化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物 質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、 機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質的熒光輻射或光路的

23、遮斷等來構成壓力、振 動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。優(yōu)點：結構簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大2）偏振調制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、 磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體 內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、 振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這 類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。3）頻率調制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān) 測的傳

24、感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、 振動、壓力、加速度傳感器；利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體 濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。4）相位調制傳感器其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播 常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化， 通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。 通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、 磁場 傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sag nac）效應的旋轉角速度

25、傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用 特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。3.光纖傳感器的應用3.1溫度的檢測光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種3.1.1遮光式光纖溫度計圖11為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關?？捎糜趯υO定溫 度的控制，溫度設定值靈活可變水銀柱式光纖溫度開關屮1-浸液Z自聚焦透鏡3-光纖4水銀亠圖11圖12為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計能測量10C50C的溫度。檢測精度約為0.5 C。它的缺點是 輸出光強受殼體振動的影響，且響應時

26、間較長，一般需幾分鐘。光源， 接收.熱雙金屬式光纖溫度JF關x1遮）t板2雙僉屬片圖123.1.2透射型半導體光纖溫度傳感器當一束白光經(jīng)過半導體晶體片時，低于某個特定波長 入g的光將被半導體吸 收，而高于該波長的光將透過半導體。這是由于半導體的本征吸收引起的 ，入g稱 為半導體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)到導帶引起的吸收稱為本征吸收。當 一定波長的光照射到半導體上時，電子吸收光能從價帶躍遷入導帶，顯然，要發(fā)生 本征吸收，光子能量必須大于半導體的禁帶寬度 Eg，即h 普朗克常數(shù)；v 光頻率 因入二c/v,則產(chǎn)生本征吸收條件hc因此，對于波長大于入g的光，能透過半導體，而波長小于 入g的光將被半

27、導 體吸收。不同種類的半導體材料具有不同的本征吸收波長，圖13 為在室溫（20 C）時,120卩m厚的 GaAs材料的透射率曲線。由圖看出，GaAs在室溫時的 本征吸收波長約為880nm左右， 半導體的吸收光譜與Eg有關，而 半導體材料的Eg隨溫度的不同而 不同，Eg與溫度t的關系可表示 為Egt 二 Eg 0 - 斗式中：Eg （0）絕對零度時半波長X /mn* 的光譜透射率曲線，導體的禁帶寬度;圖13經(jīng)驗常數(shù)（eV/ K）；B 經(jīng)驗常數(shù)(K)。對于GaAs材料，由實驗得到Eg 0 = 1. 522eVa =5.8 x 104eV/KB =300K由此可見，半導體材料的Eg隨溫度上升而減小，

28、亦即其本征吸收波長入g隨 溫度上升而增大。反映在半導體的透光特性上，即當溫度升高時，其透射率曲線 將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的 入g(t )相匹配的發(fā)光二極管作為 光源，如圖14,則透射光強度將隨著溫度的升高而減小。相對強度波長圖14半導體透射測量原理3.2壓力的檢測種類：強度調制型、相位調制型和偏振調制型三類3.2.1采用彈性元件的光纖壓力傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號，從而對光強進行調制。 因此，只要設計好合理的彈性元件及結構，就可以實現(xiàn)壓力的檢測。圖15為簡單的利用丫形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在丫形光纖束前端放置一感 壓膜片，當膜片受壓變形時

29、，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化， 從而使輸出光 強受到調制。圖15-膜片反射式光纖壓力傳感器圧意因心彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有 一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對于不同的測量范圍，可選擇不 同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm-0.2mm之間為宜。對于周邊固定的膜 片，在小撓度（y v0.51，t為膜片厚度）的條件下，膜片的中心撓度y為31 _ + R416Et3R膜片有效半徑；t 膜片厚度；p外加壓力；E-膜片材料的彈性模量；卩一為膜片的泊松比?？梢?，在一定范圍內，膜

30、片中心撓度與所加的壓力呈線性關系。若利用丫形光纖束檢測位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關 系。這種傳感器結構簡單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長期使用后 膜片的反射率下降，影響其精度。改進型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結構如圖16,這里采用了特殊結構的光纖束，光纖束的一端分成三束，其中一束為輸入光纖，兩束為輸出光纖。三束 光纖在另一端結合成一束，并且在端面成同心環(huán)排列分布，如圖17。其中最里面 一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束，外面一圈為輸出光纖束2。當壓差 為零時，膜片不變形，反射到兩束輸出光纖的光強相等，即I 1= 12。當膜片受壓變 形后,使得處于

31、里面一圈的光纖束，接收到的反射光強減小，而處于外面一圈的光 纖束2接到的反射光強增大，形成差動輸出。圖18為改進型的膜片反射式光纖壓 力傳感器測量原理。2（外圈卜內圈卜3（輸入”圖16傳感器結構圖17 探頭截面結構圖18測量原理兩束輸出光的光強之比為I 2 _ 1 ApI 11 - ApA與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關的常數(shù)；p待測量壓力。可見，輸出光強比I 2 / I l與膜片的反射率、光源強度等因素均無關，因而可 有效地消除這些因素的影響。將上式兩邊取對數(shù)且滿足(Ap)2 1時,等式右邊展開后取第一項，得到ln UI 12A這表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關系。因此，若將

32、丨1、丨2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為 70卩m,包層厚度為3.5卩m,纖芯和包層 折射率分別為1.52和1.62,則該傳感器可獲得115dB的動態(tài)范圍，線性度為 0.25 %。采用不同的尺寸、材料的膜片，即可獲得不同的測量范圍。3.2.2光彈性式光纖壓力傳感器晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應。其檢測原理如圖19。利用光彈性效應測量壓力的原理及傳感器結構如圖20。發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用 于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢

33、測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于 提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。1光源 2、8起偏器3、9 1/4波長板 4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖 7自聚焦透鏡圖19檢測原理V* 1U+J 1圖20傳感器結構為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，圖 21為另一種檢測方法的結構。輸出光 用偏振分光鏡分別檢測出兩個相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個分量經(jīng)“差/和”電路處理，即可得到與光源強度及光纖損耗無關的輸出。該傳感器的測量范圍為103Pa106Pa,精度為土 1%,理論上分辨力可達1.4Pa。這種結構的傳感器在光彈性元件上加上質量塊后，也可用于測量振動

34、、加速 度。PDPD1光纖 2起偏器 3光彈性元件4 1/4波長板 5偏振分光鏡 6反射鏡圖21-光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結構3.3液位的檢測3.3.1球面光纖液位傳感器光由光纖的一端導入，在球狀對折端部一部分光透射出去，而另一部分光反 射回來，由光纖的另一端導向探測器。球面光纖液位傳感器的探頭結構如圖22,其檢測原理如圖23。反射光強的大小取決于被測介質的折射率。被測介質的折 射率與光纖折射率越接近，反射光強度越小。顯然，傳感器處于空氣中時比處于液 體中時的反射光強要大。因此，該傳感器可用于液位報警。若以探頭在空氣中時 的反射光強度為基準，則當接觸水時反射光強變化-6dB-7dB,接觸

35、油時變化25dB30dB。LED.PD*圖22探頭結構空氣圖23檢測原理3.3.2斜端面光纖液位傳感器圖24為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結構。同樣，當傳感器接觸液 面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時, 反射光強度差約在20dB以上。圖24 斜面反射式光纖液位3.3.3單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結構如圖25,將光纖的端部拋光成450的圓錐面。當光 纖處于空氣中時，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折 射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用 X形耦合器即可構成具

36、有兩個探頭 的液位報警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的 變化。圖25單光纖液位傳感器結構上述探頭在接觸液面時能快速響應， 但在探頭離開液體時，由于有液滴附著 在探頭上，故不能立即響應。為了克服這個缺點，可將探頭的結構作一些改變， 如圖26。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著 在頂部，也不影響輸出跳變。進一步的改進是在頂部鍍反射膜外粘上一突出物， 將附著的液體導引向突出物的下端。 這樣，可以保證探頭在離開液位時也能快速 地響應。圖26改進的光纖液位探頭3.4流量、流速的檢測3.4.1光纖渦街流量計當一個非流線體置于流體中時，在某些條件下會在液

37、流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的 旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開。當每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時， 會在物體壁上產(chǎn)生一側向力。這樣，周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓 力。若物體具有彈性，它便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。即f= sv/ d式中：v流體的流速；d物體相對于液流方向的橫向尺寸；s與流體有關的無量綱常數(shù)。因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體的流速。 光纖渦街流量計便是 根據(jù)這個原理制成的，其結構如圖 27。1夾具2密封膠3液體流管4光纖5張力載荷圖27光纖渦街流量計結構圖在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當流體流動時，光纖就發(fā)生振動，其振動頻率近似與流速成正

38、比。由于使用的是多模光纖 ，故當光源采用相 干光源（如激光器）時，其輸出光斑是模式間干涉的結果。當光纖固定時，輸出光斑花紋穩(wěn)定。當光纖振動時，輸出光斑亦發(fā)生移動。對于處于光斑中某個固定位置 的小型探測器，光斑花紋的移動反映為探測器接收到的輸出光強的變化。利用頻 譜分析，即可測出光纖的振動頻率。根據(jù)上式或實驗標定得到流速值，在管徑尺寸已知的情況下，即可計算出流量。光纖渦街流量計特點：可靠性好，無任何可動部分和聯(lián)接環(huán)節(jié)，對被測體流阻 小，基本不影響流速。但在流速很小時，光纖振動會消失，因此存在一定的測量下 限。3.4.2光纖多普勒流速計圖28為利用光纖多普勒計來測量流體流速的原理。當待測流體為氣體

39、時，散射光將非常微弱，此時可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為 2W，入=514.5 nm）以提高信噪比。特點：非接觸測量，不影響待測物體的流動狀態(tài)。1、3 分束器2 反射鏡；4 透鏡;5 流體管道；6 窗口； 7、8 光纖圖28光纖多譜勒流量計結構通過此次課程設計，我進一步鞏固了所學的檢測技術的基礎理論和知識，鍛煉了我運用理論知識解決實際問題的能力， 提高了我的分析、綜合能力，進一步 掌握了光纖傳感器原理、結構及在工程中的實際應用。在設計過程中，通過不斷 地查資料，讓我在了解傳感器的道路中邁出了重要的一步，也使我在今后研究、 了解傳感器的道路上邁出了重要的一步，更使我在今后的生后道路中邁出了重要 的一步。在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識， 也培養(yǎng)了我如何去把握一 件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設計是我們專業(yè)課程知 識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過 程.”千里之行始于足下”，通過這