第8章光纖傳感器2

第8章

光纖傳感器2《傳感器原理》北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測(cè)控系第8章光纖傳感器2

光釬光纖傳感器的應(yīng)用一、馬赫-琴特相位干涉型溫度傳感器二、光偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器三、光頻率調(diào)制型光纖傳感器四、熒光-光纖傳感器五、光纖傳感液位監(jiān)控儀原理六、光彈性式光纖壓力傳感器傳感器原理一、馬赫-澤特相位干涉型溫度傳感器馬赫-澤特相位干涉型溫度傳感器所用的光纖單模光纖，芯徑小，包層的折射率小。當(dāng)光沿著單模光纖傳播時(shí)，表征光特性的某些參數(shù)，如：振幅、相位、偏振等，會(huì)因外界溫度、壓力、加速度、振動(dòng)和電磁場(chǎng)等改變而變化。用兩根同樣材質(zhì)，且長度基本相同的單模光纖，入端射入同一光源，出射端兩束光平行交匯，它們出射光就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋-光的干涉現(xiàn)象。一根光纖為測(cè)量用光纖，直接感受被測(cè)溫度的變化，另一根光纖為參考用光纖，使它置于恒定的溫度場(chǎng)內(nèi)；當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)，測(cè)量光纖出射光的相位將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光干涉條紋的移動(dòng)（相位變化2π，干涉條紋移動(dòng)一條）,通過計(jì)算干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目，得出被測(cè)溫度的變化。馬赫-澤特相位干涉溫度傳感器是根據(jù)此原理工作的。一束經(jīng)參考臂用布拉格調(diào)制器產(chǎn)生頻移或用光纖延伸器和集成光學(xué)相移器來調(diào)制相位；圖為馬赫-澤特相位干涉型溫度傳感器原理圖光源采用（He-Ne）氦氖激光器波長：λ=0.6328μm的單色光另一束經(jīng)暴露于被測(cè)場(chǎng)合中的測(cè)量光纖來傳輸；測(cè)量光纖感受被測(cè)量（環(huán)境溫度）；兩束光在分光鏡2處重新匯合，為光電器件接收。分光鏡1把激光束一分為二，光電器件用以檢測(cè)干涉條紋的移動(dòng)。分光鏡1光源馬赫-澤特相位干涉型溫度傳感器原理圖調(diào)制器光接收器光電器件PIN透鏡4透鏡6透鏡5分光鏡2透鏡1透鏡3透鏡2測(cè)量光纖參考光纖當(dāng)測(cè)量光纖周圍的溫度發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量光纖中的光會(huì)產(chǎn)生一定的相移Δφ，相移的大小與測(cè)量光纖的長度L光纖的折射率n光纖的橫截面積S的變化有關(guān)（這些量均是溫度的函數(shù)），式中：ΔL=(L/T)ΔTΔn=(n/n)ΔTeeee對(duì)于玻璃光纖ΔL=5×10-7/℃，Δn=10-5/℃，可見在此Δn起主要作用。在測(cè)量其它參數(shù)時(shí)，可能ΔL較大，如果是這樣可增加光纖的長度。光電器件PIN分光鏡1光源馬赫-澤特相位干涉型溫度傳感器原理圖調(diào)制器光接收器透鏡4透鏡6透鏡5分光鏡2透鏡1透鏡3透鏡2測(cè)量光纖參考光纖由于光纖直徑受溫度變化影響很小，可忽略，相移可表示為：在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量光纖通過一個(gè)浸入熱水中的銅管，當(dāng)水溫改變時(shí)，從銅套中心通過的光纖的長度、折射率發(fā)生改變，兩者的共同作用，從監(jiān)視器中可觀測(cè)到干涉條紋的移動(dòng)。測(cè)量光纖和參考光纖中光的位相差有如下關(guān)系：式中：L為接受溫度場(chǎng)作用的光纖的長度n為光纖的折射率λ為光波長單位溫度變化ΔT引起單位長度光纖中的相位變化如果感溫的光纖長度為L，溫度變化ΔT，干涉條紋移動(dòng)了N條，則溫度分辨率為：靈敏度為：對(duì)石英光纖來說溫度靈敏度的理論值約17條/℃.mN/ΔTN/LΔT偏振光（Polarizedlight）-光的偏振性偏振是指波的振動(dòng)方向相對(duì)于波的傳播方向的一種空間取向作用。光波的電磁振動(dòng)相對(duì)于轉(zhuǎn)播方向具有不對(duì)稱性的光稱為偏振光。光波是電磁波麥克斯韋從理論上證明了光波的電矢量E和磁矢量H都垂直于光波的傳播方向，即光是橫波。光在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量E有各種各樣的振動(dòng)狀態(tài)，這些狀態(tài)稱為光的偏振狀態(tài)。常見的偏振狀態(tài)有5種：自然光平面偏振光部分偏振光圓偏振光橢圓偏振光偏振面：偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向組成的面二、光偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器光波是原子或分子內(nèi)部能量狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)輻射出來的電磁波。原子自發(fā)輻射具有獨(dú)立性、間歇性和隨機(jī)性，原子發(fā)光的特點(diǎn)：發(fā)光的持續(xù)時(shí)間一般為10-8秒左右，只有在該時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光波是電矢量E和磁矢量H具有確定振動(dòng)方向的平面偏振光發(fā)光是間歇式的，在停止發(fā)光后，經(jīng)歷一段時(shí)間間隔，它又能重新發(fā)光，但每次發(fā)出的平面偏振光的電矢量E

和磁矢量H

具有不同的振動(dòng)方向。光源是由大量發(fā)光的原子和分子組成的，它們?cè)谕粫r(shí)間發(fā)出的光波各自具有不同的初位相和不同的振動(dòng)方向，它們的振動(dòng)方向可分布在一切可能的方位。yz光的傳播方向與光傳播方向垂直的平面x由于自然光中各個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)稱分布，它們沿任何方向的分量產(chǎn)生的透射強(qiáng)度相同，等于入射光強(qiáng)度的一半。分量表示自然光（naturallight）定義：光的電矢量E在與光線垂直的平面內(nèi)，電矢量振動(dòng)各個(gè)方向機(jī)會(huì)均等，振幅相等。電振動(dòng)對(duì)傳播方向具有對(duì)稱性的光波。從光源發(fā)出的光是具有與傳播方向相互垂直的一切可能的振動(dòng)，這些振動(dòng)方向同時(shí)存在，而且在迅速地、無規(guī)則地改變著，它們的總和，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，以光的傳播方向?yàn)閷?duì)稱軸，這種光稱為自然光。平面偏振光（線偏振光）（Planepolarizedlight）定義：光在傳播過程中，若其電矢量E的振動(dòng)始終保持在一個(gè)確定的平面內(nèi)，這樣的光稱為平面偏振光。由于平面偏振光的電矢量E在與傳播方向垂直的平面上的投影為一直線，故又稱為直線偏振光。平面偏振光的獲得方法：自然光通過起偏器用檢偏器檢驗(yàn)平面偏振光時(shí)，檢偏器透光方向每旋轉(zhuǎn)90°，透射光的強(qiáng)度出現(xiàn)一次極大和一次極?。óa(chǎn)生消光）。這表明，當(dāng)檢偏器的透振方向與平面偏振光的振動(dòng)方向平行時(shí)，透射光的強(qiáng)度是極大值；當(dāng)檢偏器的透振方向與平面偏振光的振動(dòng)方向垂直時(shí)，透射光的強(qiáng)度為零。yxz馬呂實(shí)驗(yàn)馬呂實(shí)驗(yàn)證實(shí)光波是橫波的重要實(shí)驗(yàn)之一。馬呂在1808年應(yīng)用如圖的實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)現(xiàn)，使一束自然光以57°左右的入射角射在普通玻璃板G1上，反射光線以同樣的入射角射在玻璃G2上，當(dāng)玻璃板G2繞此反射光線旋轉(zhuǎn)時(shí)，從G2產(chǎn)生的反射光線的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。馬呂實(shí)驗(yàn)揭示：G1產(chǎn)生的反射光是平面偏振光，它的振動(dòng)方向與入射面相互垂直，即玻璃板G1對(duì)振動(dòng)方向與入射方向相互垂直的光有強(qiáng)烈的反射，對(duì)振動(dòng)方向與入射面相平行的光不反射。G1G2在G1和G2的入射面相互平行時(shí)，從G2產(chǎn)生的反射光最強(qiáng)。在G1和G2的入射面相互垂直時(shí)，從G2產(chǎn)生的反射光的強(qiáng)度幾乎為零。光偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器工作原理典型應(yīng)用的例是根據(jù)磁旋效應(yīng)做成的用于測(cè)量高壓傳輸線路中電流的光纖電流傳感器。計(jì)算機(jī)輸出IV1IV2沃拉斯特棱鏡磁場(chǎng)激光器輸電導(dǎo)體光纖電流傳感器工作原理圖偏振方向偏振方向起偏器光纖外界因素使光纖中的光發(fā)生偏振態(tài)變化，并能加以檢測(cè)的光纖傳感器屬于光偏振態(tài)調(diào)制型。從激光器發(fā)出的光通過起偏器產(chǎn)生偏振光，偏振光進(jìn)入單模光纖中，單模光纖繞大電流I導(dǎo)體N圈，在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，處在磁場(chǎng)（磁場(chǎng)強(qiáng)度為H）中的光纖會(huì)使其中傳播的光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度θ與磁場(chǎng)沿N

圈光纖的線積分成正比，即式中:KV光纖材料的磁光常數(shù)H磁場(chǎng)強(qiáng)度N光纖的圈數(shù)l

光路長度根據(jù)安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律：磁感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度矢量沿任意閉合路徑一周的線積分等于真空磁導(dǎo)率乘以穿過閉合路徑所包圍面積的電流代數(shù)和（∮Hdl=μ∑I）。計(jì)算機(jī)輸出IV1IV2沃拉斯特棱鏡磁場(chǎng)激光器輸電導(dǎo)體光纖電流傳感器工作原理圖偏振方向偏振方向起偏器光纖式中:KV光纖材料的磁光常數(shù)H

磁場(chǎng)強(qiáng)度N光纖的圈數(shù)l

光路長度根據(jù)安培環(huán)路定律因此可見，當(dāng)N確定后，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度θ只與導(dǎo)體中的電流I

成正比，而與光纖繞圈的大小、形狀無關(guān)、導(dǎo)體在光纖圈中的位置無關(guān)。計(jì)算機(jī)輸出IV1IV2沃拉斯特棱鏡磁場(chǎng)激光器輸電導(dǎo)體光纖電流傳感器工作原理圖偏振方向偏振方向起偏器光纖經(jīng)過光纖輸出的偏振面旋轉(zhuǎn)光，經(jīng)沃拉斯特棱鏡將光束分成振動(dòng)方向互相垂直的兩束偏振光，將它們分別送入兩個(gè)光電接收器，接收光信號(hào)的強(qiáng)度分別為IV1、IV2，將IV1、IV2之差和它們的和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到一個(gè)與偏振面的旋轉(zhuǎn)角度θ成正比的參數(shù)式中:K與光纖本身特性有關(guān)的參數(shù)根據(jù)上兩式可求出流過導(dǎo)線的電流I，由于進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，測(cè)量結(jié)果不受絕對(duì)光強(qiáng)、激光漂移、光纖衰減的影響。計(jì)算機(jī)輸出IV1IV2沃拉斯特棱鏡磁場(chǎng)激光器輸電導(dǎo)體光纖電流傳感器工作原理圖偏振方向偏振方向起偏器光纖如果采用硅光纖，則其材料的磁光常數(shù)KV=3.3×10-4（°）/（安.匝）沃拉斯特棱鏡有0.1°的分辨力則傳感器的分辨力為300安/匝可測(cè)電流達(dá)10kA可見這種測(cè)量方法量程大、靈敏度高，且無接觸測(cè)量計(jì)算機(jī)輸出IV1IV2沃拉斯特棱鏡磁場(chǎng)激光器輸電導(dǎo)體光纖電流傳感器工作原理圖偏振方向偏振方向起偏器光纖用光纖測(cè)量電流（東京電力展示試制測(cè)量?jī)x）東京電力與橫川電機(jī)聯(lián)合開發(fā)成功了使用光纖的電流測(cè)量?jī)x（光纖電流傳感器），并在“TECHNO-FRONTIER2005”（2005年日本電子工業(yè)博覽會(huì)，2005年4月20～22日，東京幕張Messe國際會(huì)展中心）上展出了試制品。所謂的法拉第效應(yīng)就是通過磁場(chǎng)中的透明物質(zhì)的光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（偏振旋轉(zhuǎn)）。旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比、磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比。因此，測(cè)出通過磁場(chǎng)的光的偏振面的旋轉(zhuǎn)角，就可以計(jì)算出電流強(qiáng)度。比如，測(cè)量線圈的電流時(shí)，只需在線圈內(nèi)部穿過一條光纖即可。

利用的是強(qiáng)磁場(chǎng)可使光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的法拉第效應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)：體積小、便于在現(xiàn)有設(shè)備中安裝、抗電磁噪音能力強(qiáng)以及可實(shí)現(xiàn)長距離信號(hào)傳輸?shù)鹊取?/p>

磁光效應(yīng)光和處在外磁場(chǎng)中的媒質(zhì)發(fā)生相互作用所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象。通常所說的磁光效應(yīng)有：法拉第效應(yīng)塞曼效應(yīng)佛克脫效應(yīng)克頓-穆頓效應(yīng)克爾磁光效應(yīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器（Faradayrotator）又稱磁光旋轉(zhuǎn)器基于法拉第效應(yīng)使線偏振（平面偏振）光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的一種光學(xué)儀器。結(jié)構(gòu)通常用含鉛量很大的燧石玻璃作法拉第介質(zhì)，外面繞以能產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)的電流線圈。光磁光旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)原理圖θ初始偏振通過旋轉(zhuǎn)器后偏振線圈燧石玻璃燧石玻璃磁場(chǎng)法拉第旋轉(zhuǎn)器（Faradayrotator）沿場(chǎng)強(qiáng)方向傳播的線偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過的角度θ與光路長度l及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比（θ∝lB），比例系數(shù)稱為費(fèi)爾德常數(shù)。法拉第旋轉(zhuǎn)器具有累加作用，旋轉(zhuǎn)方向只取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，與入射光的傳播方向無關(guān)，故旋轉(zhuǎn)角度和通過器件的次數(shù)成正比。大多數(shù)介質(zhì)使光波振動(dòng)面沿磁體線圈纏繞方向旋轉(zhuǎn)，稱為正旋體。光磁光旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)原理圖θ初始偏振通過旋轉(zhuǎn)器后偏振線圈燧石玻璃燧石玻璃磁場(chǎng)原理光纖電流傳感器的實(shí)用化方面，一直存在兩大課題。一是光纖承受的應(yīng)力會(huì)造成偏振旋轉(zhuǎn)（光彈性效應(yīng)）。這樣一來，測(cè)量到的偏轉(zhuǎn)角中，就很難確定到底有多大程度是因?yàn)榉ɡ谛?yīng)或者光彈性效應(yīng)。再一個(gè)就是光纖本身的三維曲線形狀（曲率變化）也會(huì)導(dǎo)致偏振旋轉(zhuǎn)的發(fā)生。即光纖在某個(gè)位置的曲率的線積分值會(huì)成為旋轉(zhuǎn)角。

對(duì)于第一個(gè)問題，通過將光纖材料由普通的石英玻璃改為鉛玻璃得到了解決。鉛玻璃的光彈性系數(shù)相當(dāng)小，只有0.45×10-9cm2/kg，大約僅為石英玻璃（350×10-9cm2/kg）的1/770。這樣，就將光彈性效應(yīng)引起的偏振旋轉(zhuǎn)降低到了實(shí)用水平。

后一個(gè)問題，通過將偏振角的測(cè)量由透過型改為反射型得到了解決。在光纖的末端裝上鏡子，以此來測(cè)量反射光。由于曲線形狀引起的偏振旋轉(zhuǎn)是曲率的線積分，所以在反射的情形下，去路的旋轉(zhuǎn)部分就會(huì)被來回路所抵消。由于法拉第效應(yīng)引起的偏振旋轉(zhuǎn)只有在光線通過磁場(chǎng)方向時(shí)才產(chǎn)生，因此在反射型中沒有變化。

從傳輸用的光纖射入測(cè)量用光纖中的光通過鏡子反射、再次回到傳輸用的光纖中

光纖穿過線圈。所需空間不大。如圖，穿過2根光纖時(shí)，偏振旋轉(zhuǎn)也增至2倍，這樣就可以測(cè)出相當(dāng)于原來2倍的測(cè)量值

測(cè)量線圈的電流（320A）結(jié)果顯示在紅色圈內(nèi)部分

三、光頻率調(diào)制型光纖傳感器光頻率調(diào)制是基于物體的入射光頻率與其反射光的多普勒效應(yīng)。若頻率f0

的光照射在相對(duì)速度為v

的運(yùn)動(dòng)物體上，則從該物體反射光頻率f1

變?yōu)椋焊鶕?jù)這種原理可構(gòu)成光纖多普勒測(cè)速儀、測(cè)振儀。例如用He-Ne激光器做光源1m/s速度的頻移可達(dá)1.6MHz測(cè)量范圍為：1-100m/s圖中：S

光源N運(yùn)動(dòng)物體M觀察者所處的位置υ

若物體N的運(yùn)動(dòng)速度φ1

物體N運(yùn)動(dòng)方向與光源S的夾角φ2

觀察者M(jìn)與物體N運(yùn)動(dòng)方向的夾角f0

光源S發(fā)出的光頻率fl

觀察者在M處觀察到的運(yùn)動(dòng)物體反射光的頻率c

光速根據(jù)多普勒效應(yīng)，它們之問有如下關(guān)系：φ1φ2S光源N運(yùn)動(dòng)物體υ物體的運(yùn)動(dòng)速度M觀察者多普勒效應(yīng)示意圖頻率調(diào)制，利用外界作用改變光纖中光的波長或頻率，通過檢測(cè)光纖中光的波長或頻率的變化來測(cè)量各種物理量，這兩種調(diào)制方式分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。波長調(diào)制技術(shù)比強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)用得少，其原因是解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜頻率調(diào)制技術(shù)目前主要利用多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。光纖常采用傳光型光纖。光學(xué)多普勒效應(yīng)告訴我們：當(dāng)光源S發(fā)射出的光，經(jīng)運(yùn)動(dòng)的物體散射后，觀察者所見到的光波頻率f

l相對(duì)于原頻率f0發(fā)生了變化，如圖所示φ1φ2S光源N運(yùn)動(dòng)物體υ物體的運(yùn)動(dòng)速度M觀察者多普勒效應(yīng)示意圖公式的推導(dǎo)M點(diǎn)觀測(cè)到從運(yùn)動(dòng)物體N上發(fā)出的光波頻率：證明：設(shè)在運(yùn)動(dòng)的物體N上觀測(cè)到的光波頻率為f’，則與機(jī)械波不同，光波（電磁波）存在橫向多普勒效應(yīng)。將上兩式代入，有由于c>>υ，所以可以忽略式中的平方項(xiàng)，有光纖多普勒流量計(jì)原理-方法一v從激光器發(fā)出光以頻率f0

，經(jīng)透鏡4、光纖1、分光鏡3、分光鏡2、透鏡1，照射到被測(cè)物體；從被測(cè)物體反射光以頻率f1，經(jīng)透鏡1、分光鏡1、透鏡3、光纖2，傳送到探測(cè)器，最后由頻譜儀接收。由頻譜分析儀處理，得到發(fā)出光頻率f0和反射光頻率f1的頻率差。該頻率差與被測(cè)物體的流速度有關(guān)Δf∝（v）光纖多普勒流量計(jì)原理圖光纖2探測(cè)器頻譜分析儀透鏡3分光鏡1f1激光器分光鏡2分光鏡3透鏡1透鏡2透鏡4f0光纖1根據(jù)上述的近似公式，可以設(shè)計(jì)出激光多普勒光纖流速測(cè)量系統(tǒng)，如下圖所示。下圖為光纖多普勒流量計(jì)原理圖。光纖多普勒流量計(jì)原理-方法二v起偏器激光器檢偏器探測(cè)器分析器平面鏡透鏡透鏡光纖光纖多普勒流量計(jì)原理圖設(shè)激光光源頻率為f0，經(jīng)半反射鏡和聚焦透鏡進(jìn)入光纖射入到被測(cè)物流體，當(dāng)流體以速度υ運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，其向后散射光的頻率為f0+Δf或f0-Δf（視流向而定），向后散射光與光纖端面反射光（參考光）經(jīng)聚焦透鏡和半反射鏡，由檢偏器檢出相同振動(dòng)方向的光，探測(cè)器檢測(cè)出端面反射光f0與向后散射光f0+Δf或f0-Δf的差拍的拍頻Δf，由此可知流體的的流速。四、熒光-光纖傳感器某些熒光物質(zhì)在紫外光激勵(lì)作用下，其原子產(chǎn)生能級(jí)躍遷，處于受激狀態(tài)；受激狀態(tài)原子不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)地躍遷到能級(jí)較低的狀態(tài)，當(dāng)受激原子恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，發(fā)出可見光（熒光）。其強(qiáng)度與入射光子的能量成正比。這一現(xiàn)象稱為光致發(fā)光效應(yīng)。利用這一原理可制成熒光光纖溫度傳感器熒光光纖液位傳感器1、熒光光纖溫度傳感器熒光物質(zhì)在紫外光激勵(lì)下能發(fā)出可見光，其發(fā)射光譜與溫度有關(guān)。某些波長的熒光光強(qiáng)對(duì)溫度有明顯的依存關(guān)系，某些波長的熒光光強(qiáng)不受溫度變化的影響。通過檢測(cè)特定波長熒光強(qiáng)度，可測(cè)出溫度的變化。光纖摻有熒光物質(zhì)的玻璃球光纖包層熒光光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖圖為利用上述原理制成的熒光光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。光纖探頭的端部裝有熒光物質(zhì)（鎘Cd0.99銪Eu0.01）2O2S，紫外光由光纖導(dǎo)向熒光物質(zhì)，受激發(fā)射的熒光（可見光）也由該光纖導(dǎo)出。激勵(lì)光源的光譜激發(fā)光源的光譜激勵(lì)光源的光譜激發(fā)光源的光譜因此，若用干涉濾光片分別檢測(cè)出這兩條譜線的熒光強(qiáng)度，取其比值（曲線c）作為輸出，則可以有效地消除激勵(lì)光源強(qiáng)度不穩(wěn)定及光纖耦合、傳輸損耗變化等因素的影響。傳感器中使用的光纖應(yīng)具有較大的紫外光透過率，最好使用紫外光纖。下圖為磷光物質(zhì)受激發(fā)射光譜。其中波長510nm的譜線強(qiáng)度隨著溫度的升高而急劇下降（曲線b）波長630nm的譜線強(qiáng)度幾乎不受溫度變化的影響（曲線a）熒光譜線強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線波長510nm波長630nm熒光光纖溫度傳感器原理從光源L發(fā)出紫外光，經(jīng)濾光鏡F1（或多個(gè)分色鏡）除去激勵(lì)光中的可見光。經(jīng)透鏡L2聚集射入光纖，再經(jīng)過光纖投射到熒光物質(zhì)P（感溫元件）上，熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。LP感溫元件光纖光脈沖電源L1

透鏡L2

透鏡F1

濾光鏡光源S分光鏡放大處理電路L3

透鏡F2

濾光鏡Φ光電探測(cè)器計(jì)算機(jī)熒光光纖溫度傳感器原理圖從光纖返回的熒光（熒光的強(qiáng)度與被測(cè)的溫度有關(guān)），經(jīng)透鏡L2變成平行光，再經(jīng)過分光鏡S（半透明半反光鏡）照射到濾光鏡F2上，通過濾光鏡F2分出熒光光束中特定波長的譜線該普線光的強(qiáng)度與被測(cè)的溫度有關(guān)例如：濾出630nm、510nm的光。熒光光纖溫度傳感器原理該特定波長的光通過透鏡L3聚集到固體光探測(cè)器φ上。由光探測(cè)器把光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大處理電路后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，得到被測(cè)溫度值。LP感溫元件光纖光脈沖電源L1

透鏡L2

透鏡F1

濾光鏡光源S分光鏡放大處理電路L3

透鏡F2

濾光鏡Φ光電探測(cè)器計(jì)算機(jī)熒光光纖溫度傳感器原理圖五、光纖傳感液位監(jiān)控儀原理-槽車灌裝高位報(bào)警實(shí)施方案根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)罐裝平臺(tái)實(shí)際情況采用“光纖傳感液位監(jiān)控儀”作為罐裝高位報(bào)警，該產(chǎn)品采用紅外光檢測(cè)，以光纖作為光的傳輸載體。光纖敏感頭可以在<0.1mm液位變化條件下觸發(fā)信號(hào)輸出，精度很高。由于檢測(cè)傳感部分采用無電檢測(cè)技術(shù)，儀器具有本質(zhì)防爆及抗電磁、氣相物質(zhì)干擾的特性，在易燃易爆、強(qiáng)腐蝕等各種惡劣環(huán)境中使用，其物理性能穩(wěn)定，工作安全可靠。光纖傳感液位監(jiān)控儀在受到人為或意外損壞時(shí)自動(dòng)斷開控制電路，杜絕溢罐現(xiàn)象的發(fā)生，從而使生產(chǎn)真正達(dá)到“安全、環(huán)?！钡哪康摹９饫w傳感液位監(jiān)控儀原理傳感器工作原理●當(dāng)光纖敏感頭處在氣態(tài)環(huán)境中時(shí)，來自光纖A的光在光敏頭內(nèi)進(jìn)行兩次全反射（光纖的折射率大于氣體的折射率），將光折射到光纖B?！癞?dāng)光纖敏感頭處在液體環(huán)境中時(shí)，光纖A送來的光到光纖敏感頭時(shí)，因其光傳播媒質(zhì)發(fā)生變化（光纖敏感頭的折射率等于或小于液體的折射率），折射角發(fā)生了變化而射入液體中，光纖B則無法接收來自光纖A送來的光?！窆饫wB將接收到的不同信號(hào)輸送到光接收系統(tǒng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸送給電路處理系統(tǒng)，經(jīng)電路處理后，輸出根據(jù)用戶所需要的控制、顯示和報(bào)警信號(hào)。

液體紅外光發(fā)射器紅外光接受器光纖A光纖B光纖敏感頭紅外光發(fā)射器紅外光接受器光纖A光纖B氣體氣體液體光纖敏感頭如所示。光纖敏感頭與兩根光纖相連，紅外光持續(xù)供給光纖A，B紅外光接受光纖。光纖傳感液位監(jiān)控儀均采用A、B雙路控制（現(xiàn)場(chǎng)、控制室）A路控制系統(tǒng)安裝在罐裝點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)B路控制系統(tǒng)集中安裝在儀表控制室內(nèi)的防爆總控制柜內(nèi)操作人員可選用A、B任何一路進(jìn)行操作控制（手動(dòng)優(yōu)先）總控制柜內(nèi)另配有大功率直流開關(guān)電源（DC24V/6A～8A），具有自動(dòng)斷路（保護(hù)）和自動(dòng)快速恢復(fù)功能

當(dāng)罐裝到設(shè)定值時(shí)，傳感器發(fā)出停止罐裝信號(hào)使執(zhí)行系統(tǒng)自動(dòng)停止罐裝，同時(shí)指示燈亮。如果沒有執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)，信號(hào)指示聲光報(bào)警器工作，提示操作人員關(guān)閉閥門，停止罐裝。每個(gè)罐裝點(diǎn)均安裝一套液位監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際要求和條件可選擇罐裝高位報(bào)警或灌裝高位報(bào)警控制。

控制系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表總監(jiān)控罐A罐B罐N光纖液位傳感器光纖液位傳感器光纖液位傳感器光的雙折射（birefringence）當(dāng)自然光投射在各向異性媒質(zhì)（如石英）上時(shí)，除了反射光線以外，一般還存在兩條折射光線，這種現(xiàn)象稱為雙折射。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有一條折射光線始終在入射面內(nèi)，且滿足折射定律。這條光線稱為尋常光線，簡(jiǎn)稱o光；另一條折射光線，除了入射面與主截面相重合的情況以外，不位于入射面內(nèi)，不滿足折射定律，這條光線稱為非尋常光線，簡(jiǎn)稱e光。o光電矢量E的振動(dòng)方向垂直于o光的主平面，e光電矢量E的振動(dòng)方向在e光的主平面內(nèi)。六、光彈性式光纖壓力傳感器雙折射現(xiàn)象一束光在各向同性介質(zhì)（如玻璃）的表面所產(chǎn)生的折射光只有一束，這是一般的常識(shí)。然而，對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體（各向異性介質(zhì)），一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象，這就是雙折射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不是因?yàn)椴煌l率的光在介質(zhì)中的折射率不同而產(chǎn)生的，而是由于各向異性介質(zhì)的折射率對(duì)不同入射角的光不是常數(shù)而產(chǎn)生的。通過各向異性介質(zhì)折射的光，若對(duì)于任意的入射角，其入射角的正弦與折射角的正弦值比為一常數(shù)（即通常所說的折射率）時(shí)，這種光稱為尋常光，簡(jiǎn)稱為o光；若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨入射角的不同而變化時(shí)，這種光稱為非尋常光，簡(jiǎn)稱為e光。雙折射晶體o光和e光示意圖e

光o

光雙折射現(xiàn)象e

光o

光雙折射晶體o光和e光示意圖在光彈性效應(yīng)和普克爾效應(yīng)中所說的相位變化，實(shí)際上是指這