【正文】 學(xué)現(xiàn)象 被測量 光纖 分類 偏振調(diào)制光纖溫度傳感器 法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng) 電流、磁場 電場、電壓 溫度 振動(dòng)、壓力、 加速度、位移 SM MM SM MM b,a b b b 傳感器 光學(xué)現(xiàn)象 被測量 光纖 分類 頻率調(diào)制光纖溫度傳感器 多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光 速度、流速、 振動(dòng)、加速度 氣體濃度 溫度 MM MM MM c b b 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 三 、 光纖傳感器的調(diào)制器原理 形式： 強(qiáng)度調(diào)制型 、 偏振調(diào)制 、 頻率調(diào)制 、 相位調(diào)制 。 強(qiáng)度調(diào)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(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器 。 有利用光纖的 微彎損耗 ；各物質(zhì)的 吸收特性 ；振動(dòng)膜或液晶的 反射光強(qiáng)度 的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué) 、 機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力 、 振動(dòng) 、 溫度 、位移 、 氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 。 優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡單 、 容易實(shí)現(xiàn) ， 成本低 。 缺點(diǎn) ：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 偏振調(diào)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(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流 、 磁場傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力 、 振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度 、 壓力 、 振動(dòng)等傳感器 。 這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊 ， 因此靈敏度高 。 頻率調(diào)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(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng) 的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的 喇曼散射 構(gòu)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。 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 相位調(diào)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(dǎo)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(yīng)的聲 、 壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)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 （ Sagnac） 效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器 （ 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 。 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 四 、 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖加速度傳感器 激 光 器 干 涉 儀處 理 電 路質(zhì) 量 塊固 定 座單 模 參 考 光 纖單模測量光纖第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 光纖溫度傳感器 光源輸 入 光 纖 輸 出 光 纖不 銹 鋼 套半 導(dǎo) 體 光 吸 收 器探 測 器1）透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 半導(dǎo)體的光透過率特性 1 0 0T 1T 2T 3? g12?T 1 ＜ T 2 ＜ T 3透 過 率 / ( % )01— 光 源 光 譜 分 布 ；2— 吸 收 邊 沿 透 射 率 f ( ? , T ) 這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變 ， 一般在 100~300℃ 溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量 ， 響應(yīng)時(shí)間約為 2 s。 它的特點(diǎn)是體積小 、 結(jié)構(gòu)簡單 、時(shí)間響應(yīng)快 、 工作穩(wěn)定 、 成本低 、 便于推廣應(yīng)用 。 1 0 0T1T2T3?g12?T1＜ T2＜ T3透 過 率 / ( % )01— 光 源 光 譜 分 布 ；2— 吸 收 邊 沿 透 射 率 f ( ? , T )第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 （ 2）遮光式光纖溫度計(jì) 下圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯υO(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變 1 2 3 4 水銀柱式光纖溫度開關(guān) 1 浸液 2 自聚焦透鏡 3 光纖 4 水銀 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(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 。 這種形式的光纖溫度計(jì)能測量 10℃ ～ 50℃ 的溫度 。 檢測精度約為℃ 。 它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響 ， 且響應(yīng)時(shí)間較長 ， 一般需幾分鐘 。 光源 接收 熱雙金屬式光纖溫度開關(guān) 1 2 1 遮光板 2 雙金屬片 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 壓力的檢測 膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖 光源 接收 1 2 1 Y形光纖束 2 殼片 3 膜片 3 P 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 膜片的中心撓度 y為 ? ?pEtRy3421613 ???R—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； μ —為膜片的泊松比。 可見 ， 在一定范圍內(nèi) ， 膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系 。 若利用 Y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(guān)系 。 這種傳感器 結(jié)構(gòu)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 。 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 (a)傳感器結(jié)構(gòu) (b)探頭截面結(jié)構(gòu) (c)測量原理 P I2 I1 I0 p0 P=0 P0 I1 I0 I2 I1 I0 I2 I1 I0 I2 4 2(外圈 ) 1 (內(nèi)圈 ) 3 (輸入 ) 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 將上式兩邊取對數(shù)且滿足 (Ap)2≤ 1時(shí) ,等式右邊展開后取第一項(xiàng) ， 得到 這表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系 。 ApApII???1112ApII2ln12 ?兩束輸出光的光強(qiáng)之比為 A: 與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的 常數(shù)； P: 待測量壓力。 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 液位 、 流量檢測 （ 1） 液位的檢測技術(shù) （ a） 球面光纖液位傳感器 空氣 液體 LED PD 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 （ b） 斜端面光纖液位傳感器 下圖為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu) 。 同樣 ， 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 。 這種形式的探頭在空氣中和水中時(shí) ， 反射光強(qiáng)度差約在 20dB以上 。 2 3 (b) (a) 1 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 （ c） 單光纖液位傳感器 1 2 1 光纖 2 耦合器 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 改進(jìn)的光纖液位探頭 第 7章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 （ 2） 光纖渦街流量計(jì) 1 夾具 2 密封膠 3 液體流管 4 光纖 5 張力載荷 光源 頻譜 分析記錄 探測器 1 2 3 4 5 若物體具有彈性，它便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)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(guān)的無量綱 常數(shù)。