昆明理工大學(xué)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告光纖傳感器原理、結(jié)構(gòu)線路及其應(yīng)用學(xué)院：信息工程與自動(dòng)化班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：2014年12月25日 TOC o 1-5 h z 摘要1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 光纖傳感器概述1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 1.1光纖傳感器研究背景1 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.2研究的目的及意義2 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 原理3 HYPERLINK l bookmar

2、k36 o Current Document 2.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理3斯乃爾定理(Snells Law)32.1.2光纖結(jié)構(gòu)4 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 2.1.3光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑5 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 2.2光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理6 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 2.3光纖傳感器的分類7 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 2.3.1根據(jù)光纖在傳感器中的作用8 H

3、YPERLINK l bookmark93 o Current Document 2.3.2根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式9 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 光纖傳感器的應(yīng)用10 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 3.1溫度的檢測(cè)10 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 3.1.1遮光式光纖溫度計(jì).10 HYPERLINK l bookmark125 o Current Document 3.1.2透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器11 HYPERLI

4、NK l bookmark137 o Current Document 3.2 壓力的檢測(cè)12 HYPERLINK l bookmark140 o Current Document 3.2.1采用彈性元件的光纖壓力傳感器12 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 3.2.2光彈性式光纖壓力傳感器143.3液位的檢測(cè)16 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 3.3.1球面光纖液位傳感器16 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 3.3.2斜端面光纖液位

5、傳感器173.3.3單光纖液位傳感器183.4流量、流速的檢測(cè)193.4.1光纖渦街流量計(jì)19 HYPERLINK l bookmark193 o Current Document 光纖多普勒流速計(jì).20總結(jié)21 HYPERLINK l bookmark199 o Current Document 參考文獻(xiàn)：22光纖傳感器（FOS Fiber Optical Sensor）是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的 一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與 以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖 作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及

6、光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。近年來(lái)， 傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中， 光纖傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如: 抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無(wú)感應(yīng) 的電氣性能;耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如 高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)，如核輻射區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越 人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。關(guān)鍵詞：光纖傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用1.光纖傳感器概述1.1光纖傳感器研究背景近年來(lái)，傳感器在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。 在這一過程中，光纖

7、傳感器這個(gè)傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優(yōu) 異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性 能；絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在 人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)），或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳 目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，外界入射光子和纖芯內(nèi)錯(cuò)離子相互作用 引起的折射率永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)是在纖芯 內(nèi)形成，利用空間相位光柵的布拉格散射的波長(zhǎng)特性，一個(gè)窄帶的，投射或反射， 濾光器或反射鏡。1978年加拿大通信研究中心

8、的K O Hill及其合作者首次從接錯(cuò)光纖中觀察 到了光子誘導(dǎo)光柵。Hill的早期光纖是采用488nm可見光波長(zhǎng)的氛離子激光器， 通過增加或延長(zhǎng)注入光纖芯中的光輻照時(shí)間而在纖芯中形成了光柵。后來(lái)Meltz 等人利用高強(qiáng)度紫外光源所形成的干涉條紋對(duì)光纖進(jìn)行側(cè)面橫向曝光在該光纖 芯中產(chǎn)生折射率調(diào)制或相位光柵。1989年第一支布拉格諾振波長(zhǎng)位于通信波 段的光纖光柵研制成功。光纖傳感就是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為光纖中傳輸光參數(shù)（如光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位 以及偏振態(tài)）的變化，通過測(cè)量光纖的輸出光來(lái)確定被測(cè)量的大小。光纖傳感技 術(shù)在國(guó)際上是七十年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。而光纖傳感器就是隨光纖通訊及光纖傳感等相關(guān)

9、技術(shù)而飛速發(fā)展起來(lái)的一類新型傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比主要差別在于傳統(tǒng)的傳感器是以應(yīng)變一電 量為基礎(chǔ)，以電信號(hào)為轉(zhuǎn)換及傳輸?shù)妮d體，用導(dǎo)線傳輸電信號(hào)，因而使用時(shí)受到 環(huán)境的限制，如環(huán)境濕度太大可能引起短路，特別是在高溫和易燃、易爆環(huán)境中 容易引起事故等。而光纖傳感器是以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光纖傳輸 信號(hào)，它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：不受電磁干擾光信息在光纖中傳輸時(shí)，它不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用。因而， 信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力強(qiáng)，使其特別適合于電力系統(tǒng)。絕緣性能高。現(xiàn)在普遍使用的光纖是由石英玻璃制成的，是一種不導(dǎo)電 的非金屬材料，其外層的涂覆材料硅膠也不導(dǎo)電，很方便測(cè)量帶高壓電設(shè)備

10、的各 種參數(shù)。防爆性能好、耐腐蝕。由于光纖內(nèi)部傳輸?shù)氖悄芰亢苄〉墓庑畔⒉粫?huì)產(chǎn) 生火花、高溫、漏電等不安全因素。因此，光纖傳感器的安全性能好，適用于有 強(qiáng)腐蝕性對(duì)象的參數(shù)測(cè)量。導(dǎo)光性能好。對(duì)傳輸距離較短的光纖傳感器來(lái)說，其傳輸損耗可忽略不 計(jì)，目前利用這一特性制成了鍋爐火焰監(jiān)測(cè)器監(jiān)視火焰的狀態(tài)?？衫@，光纖細(xì)而柔軟，可制成非常小巧的光纖傳感器，用于測(cè)量特殊對(duì) 象及場(chǎng)合的參數(shù)。光纖傳感器的載體是光，其頻率數(shù)量級(jí)為從而使傳感器頻帶范圍很寬， 動(dòng)態(tài)范圍很大。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感 網(wǎng)絡(luò)。光纖材料簡(jiǎn)單，便于獲得，所以成本低。1.2研究的目的及意義光纖光柵具有體積小、

11、波長(zhǎng)選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、 易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、 耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性。而且光纖光柵制作工藝比較成熟， 易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實(shí)用性，其優(yōu)越性是其他許多器 件無(wú)法替代的。這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為全光網(wǎng)中理想的關(guān) 鍵器件。1978年K.O.Hill等人首先在摻錯(cuò)光纖中采用駐波寫入法制成第一只光 纖光柵經(jīng)過二十多年來(lái)的發(fā)展，在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前 景。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善，光纖光敏性逐漸提高各種特種光柵相繼 問世，光纖光柵某些應(yīng)用已達(dá)到商用化

12、程度。光纖傳感器的優(yōu)越性使其在軍事、國(guó)防、航天航空、工礦企業(yè)、能源環(huán)保、 工業(yè)控制、醫(yī)藥衛(wèi)生、計(jì)量測(cè)試、建筑、家用電器等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)。目前， 世界上已有光纖傳感器上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎 曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不 同性能的傳感。而今，光纖傳感器正處于發(fā)展階段，人們正在探索新的方法和新 的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，也存在著許多問題要解決。例如，常規(guī)光纖具有偏振態(tài)漂移、模 間干擾等特點(diǎn)，使光纖傳感器的應(yīng)用受到了限制，為此急需尋找新的光纖為光纖 傳感器注入活力，光子晶體光纖就是人們寄予希望的新型光纖之一。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)

13、成為傳感器家族的后起之秀，并且在各種不同的測(cè)量中發(fā)揮著自己獨(dú)到的作用，是在生產(chǎn)實(shí)踐中值得注意的一種傳感 器，為傳感器家族中不可缺少的一員。2.原理2.1光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué) 理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間，可以用“光線”即幾何 光學(xué)的方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象，這對(duì)于光纖中的多模光纖是完全適用的。為 此，采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。2.1.1 斯乃爾定理(Snells Law)當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖1,其折射角大于入射角，即n n時(shí)，。. n、n、。、公之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為12 r

14、iqsin。.=n2sin?？梢姡肷浣?增大時(shí)，折射角0也圖1一光的折射示意圖當(dāng)0 =90時(shí)，0 .仍V90。，此時(shí)， 狀態(tài)。這時(shí)有 .sin0 =sin90 = 1rsin 0 =n /n0 =arcsin(n /n)式中：0 i0臨界角當(dāng)0i0i0并繼續(xù)增大時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D2,稱為臨界圖2臨界狀態(tài)示意圖七90。，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)隨之增大，且始終0：0。r象，如圖3，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。圖3一光全反射示意圖2.1.2光纖結(jié)構(gòu)分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來(lái)說明。 光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯（纖芯）和玻璃包皮（包層）兩個(gè)同心圓柱的雙 層結(jié)構(gòu)組

15、成。如圖4。圖4一光纖結(jié)構(gòu)纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n比包層折 射率n稍大些.兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。2.1.3光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA入射光線AB與纖維軸線OO相交角為。，入射后折射(折射角為。)至纖 芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線DE成氣角，并由界面折射至包層，CK 與DE夾角為。，如圖5。貝E圖5一光纖導(dǎo)光示意圖n sin 9 =n sin 9 n sin 9 =n sin 9 TOC o 1-5 h z 0i 1j 1k 2rsin 9 =(n /n )sin 9i1 0jsin 9 =(n /n )sin 9k2 1r因go

16、。所以n。為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故氣1，氣為纖芯折射 率，n：為包層折射率。當(dāng)n=1時(shí)1sin 9i=(1 - sin：氣0nn 八=sin(90。- 1)= cos 9k00sin 9.sin 9in(n一、22 sin9、nr=Jn： 一 n： sin： 91；:7T-一n： n： sin： 90當(dāng)9 r=90的臨界狀態(tài)時(shí)，9 i=9sin9i0 =寸n： 一 n；上式sin 9為“數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture)。由于n與n相差 較小，即氣+n：史:氣,故又可因式分解為1：sin9,總 n ：A其中， 二 (n1-n2)/n 1稱為相對(duì)折射率差當(dāng)

17、 =90時(shí)sin .0=NA .arcsin NA當(dāng) r90時(shí)，光線發(fā)生全反射，則. .0=arcsin NA當(dāng) arcsin NA,光線消失。這說明arcsinNA是一臨界角，凡入射角,arcsinNA的那些光線進(jìn) 入光纖都不能傳播而在包層消失；相反，只有入射角i Egh 普朗克常數(shù)；v 光頻率因=c/v,則產(chǎn)生本征吸收條件hcEg因此，對(duì)于波長(zhǎng)大于入的光， 體吸收。不同種類的半導(dǎo)林材料 具有不同的本征吸收波長(zhǎng)，圖13 為在室溫(20C)時(shí)，120Um厚的 GaAs材料的透射率曲線。由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的 本征吸收波長(zhǎng)約為880nm左右， 半導(dǎo)體的吸收光譜與E有關(guān)，而 半導(dǎo)體材料的E隨

18、溫度的不同而 不同，E與溫度t的關(guān)系可表示B 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到EgG)= 1. 522eVa =5.8X10-4eV/KB=300K由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長(zhǎng)入甘隨 將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的入(t)相匹配的發(fā)光二極管作為 光源，如圖14,則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。透射茶波M圖14一半導(dǎo)體透射測(cè)量原理3.2壓力的檢測(cè)種類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。3.2.1采用彈性元件的光纖壓力傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。 因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，

19、就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。圖15為簡(jiǎn) 單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。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。1 V形光纖束2殼片3膜片圖15一膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖4彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有 一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補(bǔ)償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不 同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜 片，在小撓度（yV0.5t，t為膜片厚度）的條件下，膜片

20、的中心撓度y為16Et3R膜片有效半徑；t膜片厚度；p一外加壓力；E 一膜片材料的彈性模量；U一為膜片的泊松比?？梢姡谝欢ǚ秶鷥?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(cè)位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān) 系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后 膜片的反射率下降，影響其精度。改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖16,這里采用了特殊結(jié)構(gòu) 的光纖束，光纖束的一端分成三束，其中一束為輸入光纖，兩束為輸出光纖。三束 光纖在另一端結(jié)合成一束，并且在端面成同心環(huán)排列分布，如圖17。其中最里面 一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸

21、入光纖束，外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差 為零時(shí)，膜片不變形，反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等，即I=I。當(dāng)膜片受壓變 形后,使得處于里面一圈的光纖束，接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光 纖束2接到的反射光強(qiáng)增大，形成差動(dòng)輸出。圖18為改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓 力傳感器測(cè)量原理。2（外圈圖16傳感器結(jié)構(gòu)圖17探頭截面結(jié)構(gòu)p0圖18測(cè)量原理兩束輸出光的光強(qiáng)之比為I 1 + Ap 2 =I 1 - Ap1A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(cè)量壓力?？梢?，輸出光強(qiáng)比I /I與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān)，因而可 有效地消除這些因素的影響。1將上式兩邊取對(duì)數(shù)且滿足(Ap

22、)2W 1時(shí)，等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得到1n TOC o 1-5 h z IP2 =I2A1這表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I、I檢出后 分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。1 2若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70Um,包層厚度為3.5Um,纖芯和包層 折射率分別為1.52和1.62，則該傳感器可獲得115dB的動(dòng)態(tài)范圍，線性度為 0.25%。采用不同的尺寸、材料的膜片，即可獲得不同的測(cè)量范圍。3.2.2光彈性式光纖壓力傳感器晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。其檢 測(cè)原理如圖19。利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖2

23、0。發(fā)自LED 的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45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。1光源2、8起偏器 3、9 1/4波長(zhǎng)板 4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖 7自聚焦透鏡圖19檢測(cè)原理圖20傳感器結(jié)構(gòu)為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，圖21為另一種檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)。輸出光 用偏振分光鏡分別檢測(cè)出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)差 /和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無(wú)關(guān)的輸出。該傳感器的測(cè)量

24、 范圍為103Pa106Pa,精度為1%，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速 度。PD1光纖2起偏器3光彈性元件4 1/4波長(zhǎng)板5偏振分光鏡 6反射鏡圖21-光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)3.3液位的檢測(cè)3.3.1球面光纖液位傳感器光由光纖的一端導(dǎo)入，在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去，而另一部分光反 射回來(lái)，由光纖的另一端導(dǎo)向探測(cè)器。球面光纖液位傳感器的探頭結(jié)構(gòu)如圖22, 其檢測(cè)原理如圖23。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)

25、要大。因此，該傳感器可用于液位報(bào)警。若以探頭在空氣中時(shí) 的反射光強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時(shí)反射光強(qiáng)變化-6dB-7dB,接觸油時(shí)變化 -25dB-30dB。幸建. L，本t APD圖22-探頭結(jié)構(gòu)空氣圖23檢測(cè)原理3.3.2斜端面光纖液位傳感器圖24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。(a)1、2光纖 3棱鏡圖24一斜面反射式光纖液位3.3.3單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖25,將光纖的端部拋光成45的圓錐面。當(dāng)光 纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足

26、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。同樣，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。圖25-單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)上述探頭在接觸液面時(shí)能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時(shí)，由于有液滴附著 在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變， 如圖26。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。進(jìn)一步的改進(jìn)是在頂部鍍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。這樣

27、，可以保證探頭在離開液位時(shí)也能快速 地響應(yīng)。圖26改進(jìn)的光纖液位探頭3.4流量、流速的檢測(cè)3.4.1光纖渦街流量計(jì)當(dāng)一個(gè)非流線體置于流體中時(shí)，在某些條件下會(huì)在液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的 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。這樣，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，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一物體相對(duì)于液流方向的橫向尺寸；s與流體有關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)。探測(cè)器因此，通過檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速。光纖渦街流量計(jì)便是 根據(jù)這個(gè)原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖27。

28、頻譜分析記錄卜1夾具2密封膠3液體流管4光纖5張力載荷圖27光纖渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，光纖就發(fā) 生振動(dòng)，其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖，故當(dāng)光源采用相 干光源（如激光器）時(shí)，其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖固定時(shí)，輸出光斑 花紋穩(wěn)定。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí),輸出光斑亦發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于處于光斑中某個(gè)固定位置 的小型探測(cè)器，光斑花紋的移動(dòng)反映為探測(cè)器接收到的輸出光強(qiáng)的變化。利用頻 譜分析，即可測(cè)出光纖的振動(dòng)頻率。根據(jù)上式或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定得到流速值，在管徑尺寸 已知的情況下，即可計(jì)算出流量。光纖渦街流量計(jì)特點(diǎn)：可靠性好，無(wú)任何可動(dòng)部分和聯(lián)接環(huán)節(jié)

29、,對(duì)被測(cè)體流阻 小，基本不影響流速。但在流速很小時(shí)，光纖振動(dòng)會(huì)消失，因此存在一定的測(cè)量下 限。3.4.2光纖多普勒流速計(jì)圖28為利用光纖多普勒計(jì)來(lái)測(cè)量流體流速的原理。當(dāng)待測(cè)流體為氣體時(shí)， 散射光將非常微弱，此時(shí)可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W,入 =514.5nm ）以提高信噪比。特點(diǎn)：非接觸測(cè)量，不影響待測(cè)物體的流動(dòng)狀態(tài)。1、3 分束器2反射鏡；4 透鏡;5流體管道；6窗口； 7、8光纖圖28-光纖多譜勒流量計(jì)結(jié)構(gòu)通過此次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步鞏固了所學(xué)的檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和知識(shí)，鍛 煉了我運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，提高了我的分析、綜合能力，進(jìn)一步 掌握了光纖傳感器原理、結(jié)構(gòu)及在工程中的實(shí)際應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，通過不斷 地查資料，讓我在了解傳感器的道路中邁出了重要的一步，也使我在今后研究、 了解傳感器的道路上邁出了重要的一步，更使我在今后的生后道路中邁出了重要 的一步。在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一 件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知 識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過 程.”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的 真正含義.我今天認(rèn)真的