光纤式温度传感器的设计

1 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 学院名称 专业班级 学生姓名 学生学号 2 2011 年 6 月 光纤式温度传感器的设计 1 设计的目的 通过利用水银的遮光性 以及水银的热胀冷缩性能 当水银达到一定的液位时 从而 遮住光纤的传输路线 这达到光纤传输跳跃 通过信号的终断输出到到外输接口的 以 达到预期目的 二 光纤导光的原理 光是一种电磁波 一般采用波动理论来分析导光的基本原理 然而根据光学理论中 指出的 在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间 可以用 光线 即几何光学的方 法来分析光波的传播现象 这对于光纤中的多模光纤是完全适用的 为此 我们采用几 何光学的方法来分析 由图 2 1 可以看出 入射光线 AB 与纤维轴线 OO 相交为 i入射后折射 折射角为 j 至纤芯与包层界面 C 点 与 C 点界面法线 DE 成 k 角 并由界面折射至包层 CK 与 DE 夹角为 r 图 2 1 光纤导光示意图 由图 2 1 可得出 ji nn sinsin 10 2 1 rk nn sinsin 21 2 2 由 2 1 式可推出 ji nn sin sin 01 3 因 kj 0 90 所以 kkki n n n n nn 2 0 1 0 1 0 01 sin1cos 90sin sin 2 3 由 2 2 式可推出 并代入 2 3 式得 rk nn sin sin 12 2 1 2 0 1 sin 1sin ri n n n n 2 4 k nn n 22 2 2 1 0 sin 1 2 4 式中 n0为入射光线 AB 所在空间的折射率 一般皆为空气 故 n1为纤芯1 0 n 折射率 n2为包层折射率 当叫 n0 1 由 2 4 式得 r nn 22 2 2 1 sin 2 5 i sin 当的临界状态时 0 90 r 0 ii 2 6 2 2 2 1 0 sinnn i 纤维光学中把 2 6 式中定义为 数值孔径 NA Numerical Aperture 由于 0 sin i n1与 n2相差较小 即 n1 n22n1 故 2 6 式又可因式分解为 2 7 2sin 1 0 n i 式中称为相对折射率差 121 nnn 由 2 5 式及图 2 1 可以看出 时 NA i 0 sin 或 聚光能力的容量 0 90 r NA i arcsin 0 时 光线发生全反射 由图 2 1 夹角关系可以看出 0 90 r NA ii arcsin 0 时 2 5 式成立 可以看出 光线消失 0 90 r NA i sinNA i arcsin 4 这说明是一个临界角 凡入射角 的那些光线进人光纤后都不能传NAarcsin i NAarcsin 播而在包层消失 相反 只有入射角 的那些线才可以进入光纤被全反射传 i NAarcsin 播 3 光纤传感器的结构原理 我们知道 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可侧的电信号的装 置 电源 敏感元件 信号接收和处理系统以及传输信息均用金属导线组成 见图 3 1 a 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 由光发送器 敏感元 件 光纤或非光纤的 光接收器 信号处理系统以及光纤构成 见困 3 1 b 由光发送器 发出的光经源光纤引导至敏感元件 在这里 光的某一性质受到被测量的调制 己调光 经接收光纤锅合到光接收器 使光信号变为电信号 最后经信号处理系统处理得到我们 所期待的被测量 由图 3 1 可见 光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较 在测旦原理上有本质 的差别 传统传感器是以机 电测旦为基础 而光纤传感器则以光学测量力基础 下面 简单地分析光纤传感器光学测量的基本原理 从本质上分析 光就是一种电磁波 其波长范围从极远红外的 1nm 到极远紫外线的 10nm 电磁波的物理作用和生物化学作用主要围其中的电场而引起 因此 在讨论光的 敏感测量时必须考虑光的电矢量 E 的振动 通常用下式表示 E Asin 2 8 t 式中 A 电场 E 的振幅矢量 光波的振动频率 光相位 t 光的传播时间 由 2 8 式可见 只要使光的强度 偏振态 矢量 A 的方向 频率和相位等参量之一随 被测量状态的变化面变化 或者说受被测量调制 那么 我们就有可能通过对光的强度 调制 偏振调制 频率调制或相位调制等进行解调 获得我们所需要的被测量的信息 5 图 3 1 传统传感器与光纤传感器示意固 a 传统传感器 b 光纤传感器 4 传感器工作原理及示意图 图 4 1 示为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关 当温度升 高时 水银柱上升 到某一设定温度时 水银柱将两根光纤间的光路遮断 从而使输出光强产生一个跳变 这种光纤开关温度计可用于对设定温度的控 制 温度设定值灵活可变 图 4 1 水银柱式 光纤温度开关 1 浸液 2 自聚焦