光纤传感器的应用.ppt

9 4光纤传感器的应用 例9 1光纤温度开关 图9 9水银柱式光纤温度开关1浸液 2自聚焦透镜 3光纤 4水银 图9 10热双金属式光纤温度开关1遮光板 2双金属片 例9 2遮光式光纤温度计 当温度升高时 双金属片的变形量增大 带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化 例9 3透射型半导体光纤温度传感器 半导体的吸收光谱与材料的Eg有关 而Eg却随温度的不同而不同 Eg与温度t的关系可表示为 半导体材料的Eg随温度的上升而减小 亦即其本征吸收波长 g随温度的上升而增大 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为 当温度升高时 其透射率曲线将向长波方向移动 若采用发射光谱与半导体的 g t 相匹配的发光二极管作为光源 则透射光强度将随着温度的升高而减小 即通过检测透射光的强度或透射率 即可检测温度变化 图9 12半导体透射测量原理 利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图 光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回 在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收 则出射光强将随温度的变化而变化 例9 4膜片反射式光纤压力传感器 Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图 在Y形光纤束前端放置一感压膜片 当膜片受压变形时 使光纤束与膜片间的距离发生变化 从而使输出光强受到调制 光纤被夹在一对锯齿板中间 当光纤不受力时 光线从光纤中穿过 没有能量损失 当锯齿板受外力作用而产生位移时 光纤则发生许多微弯 这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中 例9 5微弯光纤压力传感器 微弯光纤压力传感器 原来光束以大于临界角 C的角度 1在纤芯内传输为全反射 但在微弯处 2 1 一部分光将逸出 散射入包层中 当受力增加时 光纤微弯的程度也增大 泄漏到包层的散射光随之增加 纤芯输出的光强度相应减小 因此 通过检测纤芯或包层的光功率 就能测得引起微弯的压力 声压 或检测由压力引起的位移等物理量 例9 6光弹式光纤压力传感器 图9 17光弹性式光纤压力传感器1 7起偏器 2 81 4波长板 3 9光弹性元件 4 10检偏器 5光纤 6自聚焦透镜 从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光 当有与入射光偏振方向呈45 的压力作用于晶体时 使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光 由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强 即可测出压力的变化 其中1 4波长板用于提供一偏置 使系统获得最大灵敏度 b 传感器结构 例9 7球面光纤液位传感器 图9 19球面光纤液位传感器 a 探头结构 将光纤用高温火焰烧软后对折 并将端部烧结成球形 光由光纤的一端导入 在球状对折端部一部分光透射出去 另一部分光反射回来 由光纤的另一端导向探测器 反射光强的大小取决于被测介质的折射率 被测介质的折射率与光纤折射率越接近 反射光强度越小 显然 传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大 例9 8斜端面光纤液位传感器 图9 20斜面反射式光纤液位传感器 当传感器接触液面时 将引起反射回另一根光纤的光强减小 例9 9单光纤液位传感器 图9 21单光纤液位传感器结构1光纤 2耦合器 当光纤处于空气中时 入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤 当传感器接触液体时 由于液体的折射率比空气大 使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中 返回光纤的光强就减小 利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器 若在不同的高度安装多个探头 则能连续监视液位的变化 为了防止当探头离开液体时 由于有液滴附着在探头上 传感器不能立即响应 可作一些改变 将光纤端部的尖顶略微磨平 并镀上反射膜 这样 即使有液体附着在顶部 也不影响输出跳变 另外可在顶部镀的反射膜外粘上一突出物 将附着的液体导引向突出物的下端 可保证探头在离开液位时也能快速地响应 例9 10光纤涡街流量计 图9 23光纤涡街流量计 当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时 在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡 这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开 当每个旋涡产生并泻下时 会在物体壁上产生一侧向力 周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力 若物体具有弹性 便会产生振动 振动频率近似地与流速成正比 因此 通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速 由上式可知 流体的流速与涡流频率呈线性关系 光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的 在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤 当液体或气体流经与其垂直的光纤时 光纤受到流体涡流的作用而振动 其振动频率近似与流速成正比 例9 11光纤多普勒流速计 由激光光源 氢 氦激光 发出的光 频率为fi 导入光导纤维 经过分光镜后 光线通过光纤射向振动物体 由于振动物体 被测体 振动 产生散射 频率为fs