各类光纤传感器在测量方面的应用.ppt

周彤张淼葛亚丁晓林 光纤传感器在测量方面的应用 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器 使待测参数与进入调制区的光相互作用后 导致光的光学性质 如光的强度 波长 频率 相位 偏振态等 发生变化 成为被调制的信号源 在经过光纤送入光探测器 经解调后 获得被测参数 光纤传感器 1 前言 光纤传感器与测量技术是仪器仪表领域新的发展方向由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点 所以近几年来 光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向 而新型光纤传感器不外乎有以下特点 光纤传感器具有优良的传光性能 传光损耗很小 目前损耗能达到 0 2dB km的水平 光纤传感器频带宽 可进行超高速测量 灵敏度和线性度好 光纤传感器体积很小 重量轻 能在恶劣环境下进行非接触式 非破坏性以及远距离测量 还具有灵敏度高 可靠性好 原材料硅资源韦富 抗电磁干扰 抗腐蚀 耐高压 电绝缘性能好 可绕曲 防爆 频带宽 损耗低等特点 同时 它还便于与计算机相连 实现智能化和远距离监控 对传统的传感器起到扩展提高的作用 不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的仟务 正是由于光纤传感器具有许多独特优势 可以解决许多传统传感器无法解决的问题 故自从它问世以来 就被广泛应用于医疗 交通 电力 机械 石油化工 民用建筑以及航空航天等各个领域 值此 将讨论光纤传感器在石油化工领域应用 即油库油罐液位 温度信号实时监测系统中的设计方案 正因该监测系统应用了光纤液位传感器 光纤温度传感器及光纤液位报警器 2 光纤传感器组成与类型光纤传感器一般是由光源 接口 光导纤维 光调制机构 光电探测器和信号处理系统等部分组成 来自光源的光线 通过接口进入光纤 然后将检测的参数调制成幅度 相位 色彩或偏振信息 最后利用微处理器进行信息处理 概括光纤传感器一般由三部分组成 除光纤之外 还必须有光源和光探测器两个重要部件 见图1所示 光纤传感器一般分为两大类 一类是传光型 也称非功能型光纤传感器 另一类是传感型 或称为功能型光纤传感器 前者多数使用多模光纤 以传输更多的光量 而传感型光纤传感器 是利用被测对象调制或改变光纤的特性 所以只能用单模光纤 3 测量用的光纤传感技术 位图2 a 为半导体吸光型 传光型 光纤温度传感器示意图 将一根切断的光导纤维装在细钢管内 光纤两端面间夹有一块半导体感温薄片 如GaAs或InP 这种半导体感温薄片透射光强随被测温度而变化 因此 当光纤一端输入一恒定光强的光时 由于半导体感温薄片透射能力随温度变化 光纤另一端接收元件所接受的光强也随被测温度而改变 于是通过测量光探测器输出的电量 便能遥测到感温探头2 b 处的温度 3 1光纤温度传感器 传光型光纤温度传感器 3 2具有双金属片的光纤温度传感器 双金属片 由两种不同热膨胀系数的金属片粘合在一起组成 h T Kl x D 2 T 温度变化l 双金属片长度K 常数 光纤束 光纤束 双金属片 遮光板 其他的温度测量传感器 光纤温度开关 水银柱式光纤温度开关1自聚焦透镜 2光纤 3水银 3 3光纤液位传感器 基于全内反射原理 可以设计成光纤液位传感器 光纤液位传感器由以下三部分组成 1 接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件 2 传输光信号的双芯光纤 3 发光 受光和信号处理的接收装置 这种传感器的敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成 故有绝缘性能好和抗电磁噪声等优点 单光纤液位传感器结构1光纤 2耦合器 3 4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 3 5 光纤加速度传感器 输出光纤 支架 悬臂光纤 质量块 阻尼油 输入光 传感器主要由入射光纤 接收光纤 发光驱动电路 光电转换电路 比值运算电路等组成 其中入射光纤不但提供入射光 而且它本身又相当于悬臂梁和敏感质量块 当加速度作用于传感器的壳体时 入射光纤必然受到一个与加速度成比例的惯性力的作用 使入射光纤