光纖維傳感器的應(yīng)用

光纖維傳感器的應(yīng)用第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-10熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12例9-2遮光式光纖溫度計(jì)當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-3透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長(zhǎng)λg隨溫度的上升而增大。第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日這個(gè)性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測(cè)透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測(cè)溫度變化。相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長(zhǎng)圖9-12半導(dǎo)體透射測(cè)量原理第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日光纖環(huán)氧膠半導(dǎo)體反射膜利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結(jié)構(gòu)如圖。光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對(duì)光進(jìn)行吸收，則出射光強(qiáng)將隨溫度的變化而變化。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-4膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日光纖被夾在一對(duì)鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時(shí)，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時(shí)，光纖則發(fā)生許多微彎，這時(shí)在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?例9-5微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當(dāng)受力增加時(shí)，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過檢測(cè)纖芯或包層的光功率，就能測(cè)得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測(cè)由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ3第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-6光彈式光纖壓力傳感器圖9-17光彈性式光纖壓力傳感器1、7起偏器；2、81/4波長(zhǎng)板；3、9光彈性元件；4、10檢偏器；5光纖；6自聚焦透鏡線偏振光光源1234P圓偏振光橢圓偏振光第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長(zhǎng)板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。P5678910(b)傳感器結(jié)構(gòu)第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-7球面光纖液位傳感器圖9-19球面光纖液位傳感器(a)探頭結(jié)構(gòu)LEDPD12將光纖用高溫火焰燒軟后對(duì)折，并將端部燒結(jié)成球形。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測(cè)器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率。被測(cè)介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大。(b))檢測(cè)原理空氣液體第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-8斜端面光纖液位傳感器圖9-20斜面反射式光纖液位傳感器光纖(a)(b)光纖棱鏡當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-9單光纖液位傳感器圖9-21單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1光纖；2耦合器12第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，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(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日為了防止當(dāng)探頭離開液體時(shí)，由于有液滴附著在探頭上，傳感器不能立即響應(yīng)，可作一些改變。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。另外可在頂部鍍的反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端?？杀ＷC探頭在離開液位時(shí)也能快速地響應(yīng)。第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-10光纖渦街流量計(jì)圖9-23光纖渦街流量計(jì)光源探測(cè)器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)流體受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí)，在某些條件下會(huì)在流體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個(gè)旋渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，會(huì)在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個(gè)周期的壓力。若物體具有彈性，便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似地與流速成正比。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日因此，通過檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。光纖渦街流量計(jì)便是根據(jù)這個(gè)原理制成的，在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí),光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日例9-11光纖多普勒流速計(jì)第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動(dòng)物體，由于振動(dòng)物體(被測(cè)體)振動(dòng)，產(chǎn)生散射(頻率為fs)，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為式中fi為入射光頻率，fs為散射光頻率；n為發(fā)生散