光纖傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

強(qiáng)度型光纖傳感的補(bǔ)償特性實(shí)驗(yàn)功能型光纖傳感器已逐漸滲透到各研究領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍日益廣泛。基于補(bǔ)償式光纖強(qiáng)度傳感原理的光纖傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，穩(wěn)定性好，切換方便，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。光纖傳感設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以非常方便的構(gòu)造反射式光纖微位移傳感器， 測(cè)量分辨率可以達(dá)到數(shù)十微米，通過更換不同芯徑的光纖或者改變光纖的排列結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高位移傳感器的探測(cè)靈敏度；此外，通過巧妙地物理量或者能量轉(zhuǎn)換，還可以測(cè)量多種諸如溫度、壓力、液位、形變等物理量 。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解光纖纖端光場(chǎng)的分布特性，以及光纖強(qiáng)度傳感原理；2、掌握光纖傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)造和原理，學(xué)習(xí)其使用方法。3、掌握光纖傳感器的強(qiáng)度補(bǔ)償機(jī)理及其方法，驗(yàn)證補(bǔ)償效果。4、了解溫度敏感元件、壓力敏感元件的測(cè)量原理；5、掌握光纖傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)造和原理，學(xué)習(xí)其使用方法。6、掌握強(qiáng)度性光纖溫度傳感器、強(qiáng)度型光纖壓力傳感器、強(qiáng)度型光纖液位傳感器的基本原理和設(shè)計(jì)方法。二．實(shí)驗(yàn)儀器光纖傳感設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，補(bǔ)償式光纖傳感探頭，光纖位移標(biāo)定器，遮光罩，光纖溫度傳感器，光纖壓力傳感器，光纖液位傳感器。三．實(shí)驗(yàn)原理光纖傳感器采用強(qiáng)度型光纖傳感的方式，反射式調(diào)制原理。反射調(diào)制方式光源光纖發(fā)出的光照射到反射器上，其中一部分反射光由接收光纖接收，通過檢測(cè)反射光的強(qiáng)度變化，就能測(cè)出反射體的位移。為了減少光強(qiáng)起伏，光纖微彎損耗以及反射面反射率變化所帶來的影響，纖傳感探頭。在該設(shè)計(jì)中，采用了3根大芯徑光纖，一字型并排排列，如圖1所示。光通過左邊的光纖照射到反射面上。從反射面反射回來的光由光源發(fā)射光纖一側(cè)的兩接收光纖所接收，這樣，反射目標(biāo)的位移就由兩接收光纖所接收到的光強(qiáng)之比來確定。由于這是一個(gè)比的過程，因此這種傳感技術(shù)就是自動(dòng)補(bǔ)償了光源強(qiáng)度的變化，輸入光纖損耗的變化以及反射面反射率的變化。就反射式光纖傳感器而言，其光強(qiáng)響應(yīng)特性曲線是這類傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)。該特性調(diào)制函數(shù)可借助于光纖端出射光場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布函數(shù)給出I

r2 (r,x) 0 exp

（1）2a0

2(x/a0

)3/2]2

2a0

2[1(x/a0

)3/2]2I為由光源耦合入發(fā)送光纖中的光強(qiáng)；(rx為纖端光場(chǎng)中位置(rx)0處的光通量密度；為一表征光纖折射率分布的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于階躍折射率光纖，

；a為光纖芯半徑； 為與光源種類、光纖的數(shù)值孔徑及光源0與光纖耦合情況有關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)。光源發(fā)射光纖光源(LED)探測(cè)器(PIN)1探測(cè)器(PIN)2圖1三光纖補(bǔ)償式光纖傳感探頭結(jié)構(gòu)如果將同種光纖置于發(fā)送光纖纖端出射光場(chǎng)中作為探測(cè)接收器時(shí)，所接收到的光強(qiáng)可表示為I(r,x)(r,x)dsS S

I02(x)0

exp r2 （2） 2(x) 式中S為接收光面，即纖芯面。

(x)a[1(x/a)3/2]0 0在纖端出射光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，為簡(jiǎn)便計(jì)，可用接收光纖端面中心點(diǎn)處的光強(qiáng)到的光強(qiáng)公式為：SI r2 I(r,x) 0 exp （3）2(x) 2(x)為了給出反射接收特性函數(shù)，采用等效分析的方法。首先，給出接收光纖關(guān)于反射體的鏡像，并求出相應(yīng)鏡像坐標(biāo)值。然后利用光纖接收公式（2）直接計(jì)算出該鏡像接收光纖在光源光纖纖端光場(chǎng)中所接收到的光強(qiáng)值。最后，將該值乘以反射體的反射率R，作為實(shí)際系統(tǒng)的等效結(jié)果。如圖2所示。rrRI2Id12d1OXxx圖2 補(bǔ)償式光纖傳感位移測(cè)量原理考慮平行放置的3為x，光源光纖傳出的光射向反射面，接收光纖所接收到的由反射面反射回來的光強(qiáng)可表示為SRI

d2 I(d1 1及

,2x)

0 exp 1 (4) x 2(2) x SRI

d2 I(d2 2

,2x) 0 exp 2 (5) x 2(2) x 式中，I和I分別近鄰接收光纖和次近鄰光纖所接收到的光強(qiáng)， d 和d分別1 2 1 2為兩光纖到發(fā)射光纖軸心間的距離；x是三光纖與反射面之間的距離；1 1

,2x）及I(d,2x)為兩接收光纖輸出的特性調(diào)制函數(shù)，它與光纖芯徑、光纖數(shù)值孔徑2 20及出射光的分布模式有關(guān)，如圖3（a）S表示光纖接收光面；R面的反射系數(shù)。I為光源耦合到光纖中的光強(qiáng)。于是兩接收光強(qiáng)之比為0I (d2d2)2exp 2 1 （6）I 2(2x)1式中 (x)a(x/a)3/2]0 0300300）m250（U值出輸自各收接路兩200近鄰接收光纖次近鄰接收光纖1501005000123456光纖探頭端面與反射器之間的間距x（mm）（a）兩接收光纖輸出的位移光強(qiáng)特性曲線1.41.4)v1.2m(UU比壓電出輸10.80.60.40.200123x456（b）位移與兩接收光纖輸出光強(qiáng)比值的特性曲圖3 補(bǔ)償式光纖傳感探頭的位移傳感特性曲線式（17）標(biāo)明，比值I/I 與距離x，光纖的芯徑a ，以及兩接收光纖與光源2 1 0光纖的傳輸軸之間的距離的平方差（

d2d2）有關(guān)。對(duì)于光纖傳感器設(shè)計(jì)2 1統(tǒng)的補(bǔ)償式傳感探頭，光纖芯徑a0

，距離平方差d2

d22均為1定值，因此I1

/I隨位移x單調(diào)增加，如圖3（b）所示。即比值I/I2 2

僅是距離x的函數(shù)，而與光源的性質(zhì)，反射體的反射率等因素?zé)o關(guān)，補(bǔ)償了上述因素對(duì)光強(qiáng)的影響。強(qiáng)度型光纖溫度傳感器強(qiáng)度型光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)思想是利用光纖傳感探頭的位移敏感特性，利用溫度敏感元件，將溫度轉(zhuǎn)化成位移，從而對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。最長(zhǎng)用的常用的溫度—機(jī)械量轉(zhuǎn)換元件為雙金屬片。兩面的熱脹冷縮程度不同，因此在不同的溫度下，其彎曲程度發(fā)生改變。如圖4所示，當(dāng)雙金屬片受熱變形時(shí)，其端部產(chǎn)生的位移量x由下式給出xKl2Th

（7）式中：T——溫度變化，l——雙金屬片長(zhǎng)度，K——由兩種金屬熱膨脹系之差、彈性系數(shù)之比和寬度比所決定的常數(shù)， h——為雙金屬片的厚度。hhxl圖4雙金屬片受熱引起形變的示意圖當(dāng)溫度變化時(shí)，利用雙金屬片的反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，將雙金屬片的彎曲變形轉(zhuǎn)換為自由端的線性位移，從而帶動(dòng)反射鏡在水平方向上移動(dòng)，調(diào)制反射接收光纖的光信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)了反射式光纖溫度的測(cè)量。光纖探頭I光纖探頭I自由端0I1I反射體固定端2x雙金屬片溫度場(chǎng)圖5雙金屬片受熱引起形變的示意圖強(qiáng)度型光纖壓力傳感器強(qiáng)度型光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)思想是利用光纖傳感探頭的位移敏感特性，尋找一種壓力敏感元件，能夠?qū)毫D(zhuǎn)化成位移，從而對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量。比較常用的壓力—機(jī)械量轉(zhuǎn)換元件為膜片、波登管。C─型波登管式壓力表是工業(yè)上用得最多最普通的壓力表。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)?？梢灾苯訙y(cè)蒸汽、油、水和氣體等介質(zhì)的壓力。這種儀表是根據(jù)虎克定律，利用彈性敏感元件受壓后產(chǎn)生彈性形變，并將形變轉(zhuǎn)換成位移放大后，用指針指示出被測(cè)壓力的。當(dāng)彈簧管受壓后，管端的位移量由下式給出xkP （8）其中k為一與彈簧管的材料及尺寸有關(guān)的系數(shù)。彈簧管彈簧管XX0壓力接口光纖定位器壓力接口光纖傳感設(shè)計(jì)系統(tǒng)三光纖探頭圖6利用光纖傳感設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成的壓力測(cè)量裝置示意圖在彈簧管的自由端固接一反射裝置，該反射裝置的位移與壓力關(guān)系由式（8）確定。正對(duì)反射裝置的反射面，將光纖傳感實(shí)驗(yàn)儀的雙光纖反射探頭作為光源和光信號(hào)通道，并與光纖定位器一起固定在壓力表的殼體上，如圖 6所示。彈簧管受壓力作用時(shí)，將發(fā)生變形，帶動(dòng)反射器產(chǎn)生一個(gè)位移，這樣就改變了反射器與光纖之間的距離，從而使光纖接收到的光信號(hào)受到調(diào)制。通過對(duì)光信號(hào)大小的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)壓力的大小。強(qiáng)度型光纖液位傳感器利用強(qiáng)度光纖傳感原理，可以借助液體高度和的壓力的關(guān)系，通過壓力測(cè)量液位，而壓力又可以通過角度的轉(zhuǎn)換關(guān)系測(cè)出。該光纖差動(dòng)液位的工作原理如圖7所示。光纖探頭由三根大芯徑光纖組成，三光纖沿膜片徑向一字排列，中間的光纖為光源光纖，由該光纖傳送來的光照射到反射膜片上，反射回來光由平行放置在光源光纖兩側(cè)的光纖接收。彈性反射膜片的四周緊固在殼體中部?jī)蓚?cè)對(duì)中固接二個(gè)性能和尺寸完全相同的彈性波紋管． 波紋管直接與壓力源相通，在兩端壓力差作用下，使彈性膜片發(fā)生變曲形變，從反射到兩接收光微機(jī)計(jì)算與顯示H微機(jī)計(jì)算與顯示H(PP)k(I/I)2 1 1 2VV(H)P1光纖傳感器設(shè)計(jì)系統(tǒng)主機(jī)光纜油罐H光電轉(zhuǎn)換P2光纖差壓傳感器圖7利用光纖傳感設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成光纖液位傳感器四．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、強(qiáng)度型光纖傳感的補(bǔ)償特性實(shí)驗(yàn)光罩等，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置。位移在0~6mm比值，繪制特性曲線，觀察其變化趨勢(shì)，說明特點(diǎn)。使光纖傳感探頭與鏡面的距離為 1mm，2mm，5mm，7mm，10mm時(shí)，光強(qiáng)從初始光強(qiáng)，下降到10%時(shí)，光強(qiáng)比值與位移的變化趨勢(shì)，說明特點(diǎn)。2、光纖溫度傳感器的測(cè)量：（1）將光纖探頭旋入光纖探頭接口，在旋入過程中觀察“光纖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的數(shù)碼管示數(shù)。當(dāng)左側(cè)數(shù)碼管示數(shù)由大變小時(shí)，將手?jǐn)Q螺絲擰緊，鎖緊“光纖探頭”；（2）將溫度傳感器的加溫按鈕按下，加溫裝置啟動(dòng)，，記錄溫度從700C~350C變化時(shí)，光強(qiáng)比值的變化，繪制光纖溫度傳感器的調(diào)制特性曲線3、光纖壓力傳感器的測(cè)量：將光纖傳感探頭插入探頭接口中，然后鎖緊加壓螺絲，通過氣囊緩慢的增加壓力，同時(shí)觀察測(cè)量主機(jī)的光強(qiáng)比值是否隨壓力變化； 并且調(diào)整壓探頭的插入深度，使壓力變化時(shí)，光強(qiáng)比值