光纖傳感器設(shè)計與應(yīng)用

強度型光纖傳感的補償特性實驗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?；谘a償式光纖強度傳感原理的光纖傳感實驗系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，穩(wěn)定性好，切換方便，應(yīng)用范圍廣等特點。光纖傳感設(shè)計實驗系統(tǒng)可以非常方便的構(gòu)造反射式光纖微位移傳感器， 測量分辨率可以達到數(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)，可以進一步提高位移傳感器的探測靈敏度；此外，通過巧妙地物理量或者能量轉(zhuǎn)換，還可以測量多種諸如溫度、壓力、液位、形變等物理量 。一．實驗?zāi)康?、了解光纖纖端光場的分布特性，以及光纖強度傳感原理；2、掌握光纖傳感器實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)造和原理，學習其使用方法。3、掌握光纖傳感器的強度補償機理及其方法，驗證補償效果。4、了解溫度敏感元件、壓力敏感元件的測量原理；5、掌握光纖傳感器設(shè)計實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)造和原理，學習其使用方法。6、掌握強度性光纖溫度傳感器、強度型光纖壓力傳感器、強度型光纖液位傳感器的基本原理和設(shè)計方法。二．實驗儀器光纖傳感設(shè)計實驗系統(tǒng)，補償式光纖傳感探頭，光纖位移標定器，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．實驗原理光纖傳感器采用強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，通過檢測反射光的強度變化，就能測出反射體的位移。為了減少光強起伏，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，反射目標的位移就由兩接收光纖所接收到的光強之比來確定。由于這是一個比的過程，因此這種傳感技術(shù)就是自動補償了光源強度的變化，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，其光強響應(yīng)特性曲線是這類傳感器的設(shè)計依據(jù)。該特性調(diào)制函數(shù)可借助于光纖端出射光場的場強分布函數(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；(rx為纖端光場中位置(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)探測器(PIN)1探測器(PIN)2圖1三光纖補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中作為探測接收器時，所接收到的光強可表示為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在纖端出射光場的遠場區(qū)，為簡便計，可用接收光纖端面中心點處的光強到的光強公式為：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)鏡像坐標值。然后利用光纖接收公式（2）直接計算出該鏡像接收光纖在光源光纖纖端光場中所接收到的光強值。最后，將該值乘以反射體的反射率R，作為實際系統(tǒng)的等效結(jié)果。如圖2所示。rrRI2Id12d1OXxx圖2 補償式光纖傳感位移測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， 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。于是兩接收光強之比為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比值的特性曲圖3 補償式光纖傳感探頭的位移傳感特性曲線式（17）標明，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)。對于光纖傳感器設(shè)計2 1統(tǒng)的補償式傳感探頭，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無關(guān)，補償了上述因素對光強的影響。強度型光纖溫度傳感器強度型光纖溫度傳感器的設(shè)計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，從而對溫度進行測量。最長用的常用的溫度—機械量轉(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，當雙金屬片受熱變形時，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溫度變化時，利用雙金屬片的反轉(zhuǎn)對稱性，將雙金屬片的彎曲變形轉(zhuǎn)換為自由端的線性位移，從而帶動反射鏡在水平方向上移動，調(diào)制反射接收光纖的光信號。從而實現(xiàn)了反射式光纖溫度的測量。光纖探頭I光纖探頭I自由端0I1I反射體固定端2x雙金屬片溫度場圖5雙金屬片受熱引起形變的示意圖強度型光纖壓力傳感器強度型光纖壓力傳感器的設(shè)計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，從而對壓力進行測量。比較常用的壓力—機械量轉(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)簡單、使用方便等特點?？梢灾苯訙y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，用指針指示出被測壓力的。當彈簧管受壓后，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)計系統(tǒng)三光纖探頭圖6利用光纖傳感設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)成的壓力測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。正對反射裝置的反射面，將光纖傳感實驗儀的雙光纖反射探頭作為光源和光信號通道，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，將發(fā)生變形，帶動反射器產(chǎn)生一個位移，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受到調(diào)制。通過對光信號大小的檢測，便可確定相應(yīng)壓力的大小。強度型光纖液位傳感器利用強度光纖傳感原理，可以借助液體高度和的壓力的關(guān)系，通過壓力測量液位，而壓力又可以通過角度的轉(zhuǎn)換關(guān)系測出。該光纖差動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兩側(cè)對中固接二個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計算與顯示H微機計算與顯示H(PP)k(I/I)2 1 1 2VV(H)P1光纖傳感器設(shè)計系統(tǒng)主機光纜油罐H光電轉(zhuǎn)換P2光纖差壓傳感器圖7利用光纖傳感設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)成光纖液位傳感器四．實驗內(nèi)容1、強度型光纖傳感的補償特性實驗光罩等，構(gòu)成實驗裝置。位移在0~6mm比值，繪制特性曲線，觀察其變化趨勢，說明特點。使光纖傳感探頭與鏡面的距離為 1mm，2mm，5mm，7mm，10mm時，光強從初始光強，下降到10%時，光強比值與位移的變化趨勢，說明特點。2、光纖溫度傳感器的測量：（1）將光纖探頭旋入光纖探頭接口，在旋入過程中觀察“光纖實驗設(shè)計系統(tǒng)”的數(shù)碼管示數(shù)。當左側(cè)數(shù)碼管示數(shù)由大變小時，將手擰螺絲擰緊，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，，記錄溫度從700C~350C變化時，光強比值的變化，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，同時觀察測量主機的光強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，光強比值