光纤传感器的应用

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1、9.4 9.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用例例9-1 9-1 光纤温度开关光纤温度开关1 12 23 34 4图图9-9 9-9 水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关 1 1 浸液；浸液；2 2 自聚焦透镜；自聚焦透镜；3 3 光纤；光纤；4 4 水银水银图图9-10 9-10 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关 1 1 遮光板；遮光板； 2 2 双金属片双金属片接收接收光源光源1 12 2例例9-2 9-2 遮光式光纤温度计遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输带动遮光板在垂直方向产生位

2、移从而使输出光强发生变化。出光强发生变化。 例例9-3 9-3 透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的EgEg有关，而有关，而EgEg却随温度的不同而不同。却随温度的不同而不同。EgEg与温度与温度t t的关系的关系可表示为：可表示为：半导体材料的半导体材料的E Eg g随温度的上升而减小，亦随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长即其本征吸收波长 g g随温度的上升而增大随温度的上升而增大。 这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。温度升高时，其透

3、射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的若采用发射光谱与半导体的 g g（t t）相匹配的发光）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度变化。相相 对对 发发 光光 强强 度度透透 射射 率率LEDLED发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1 T T2 2波长波长图图9-12 9-12 半导体透射测量原理半导体透射测量原理光纤光纤环氧胶环氧胶半导体半导体反射膜

4、反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。随温度的变化而变化。例例9-4 9-4 膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器光源光源接收接收Y Y形光纤束形光纤束 壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器

5、如图。在在Y Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。从而使输出光强受到调制。 光纤被夹在一对锯光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤齿板中间，当光纤不受力时，光线从不受力时，光线从光纤中穿过，没有光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿能量损失。当锯齿板受外力作用而产板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中传输的光在微弯处有部分散射到包层中. . 例例9-5 9-5 微弯光

6、纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器光纤光纤d d原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角 C C的角度的角度 1 1在纤芯内传输在纤芯内传输为全反射；但在微弯处为全反射；但在微弯处 2 2 1 1，一部分光将逸出，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压层的光功率，就能测

7、得引起微弯的压力、声压，或检测力、声压，或检测由压力引起的位移由压力引起的位移等物理量。等物理量。 1 1 n n0 0n n2 2 n n1 1 2 2 3 3例例9-6 9-6 光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器图图9-17 9-17 光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器1 1、7 7 起偏器；起偏器；2 2、8 1/48 1/4波长板；波长板；3 3、9 9 光弹性元光弹性元件；件；4 4、10 10 检偏器；检偏器；5 5 光纤；光纤；6 6 自聚焦透镜自聚焦透镜线偏振光线偏振光光源光源1 12 23 34 4P P圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光从光源发出的光经起偏

8、器后成为直线偏振光。当从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈有与入射光偏振方向呈4545的压力作用于晶体时，的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与由检偏器检测出与入射光偏振方向相入射光偏振方向相垂直方向上的光强垂直方向上的光强，即可测出压力的，即可测出压力的变化。其中变化。其中1/41/4波长波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。 P P5 56 67 78 8 9 91010(b) (b) 传感器结构传感器结构例例9-7 9-7 球面光纤液位

9、传感器球面光纤液位传感器 图图9-19 9-19 球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器(a)(a)探头结构探头结构 LEDLEDPDPD1 12 2将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。烧结成球形。光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入, ,在球状对折端部一部分光在球状对折端部一部分光透射出去透射出去, ,另一部分光反射回来另一部分光反射回来, ,由光纤的另一由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近越接近, ,反射

10、光强度反射光强度越小。显然越小。显然, ,传感器传感器处于空气中时比处处于空气中时比处于液体中时的反射于液体中时的反射光强要大。光强要大。 (b) )(b) )检测原理检测原理空气空气液体液体例例9-8 9-8 斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器图图9-20 9-20 斜面反射式光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤光纤(a) (b)(a) (b)光纤光纤棱镜棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。光纤的光强减小。 例例9-9 9-9 单光纤液位传感器单光纤液位传感器图图9-21 9-21 单光纤液位传感器结构单光纤液位传感器结

11、构1 1 光纤；光纤；2 2 耦合器耦合器1 12 2当光纤处于空气中时，入射光的大部分能当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用利用X X形耦合器即可构成具有两个探头的形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安装多液位报警传感器。若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。个探头，

12、则能连续监视液位的变化。 为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。探头上，传感器不能立即响应，可作一些改变。将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这将光纤端部的尖顶略微磨平，并镀上反射膜。这样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变样，即使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。另外可在顶部镀的反另外可在顶部镀的反射膜外粘上一突出物射膜外粘上一突出物，将附着的液体导引，将附着的液体导引向突出物的下端。可向突出物的下端。可保证探头在离开液位时也能快速地响应。保证探头在离开液位时也能快速地响应。 例例9-10 9-

13、10 光纤涡街流量计光纤涡街流量计 图图9-23 9-23 光纤涡街流量计光纤涡街流量计光源光源探测器探测器光纤夹光纤夹 密封胶密封胶液体流管液体流管光纤光纤张紧重物张紧重物 频谱频谱 分析记录分析记录当流体受到一个垂直于流动方向的非当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的流线体阻碍时，在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡将使物体受到一侧向力。

14、周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，便会一个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比产生振动，振动频率近似地与流速成正比。 因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率的流速，由上式可知，流体的流速与涡流频率呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原呈线性关系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，理制成的， 在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，当液体或气体流经与其垂直的光纤时, ,光纤受

15、光纤受到流体涡流的作用而振动到流体涡流的作用而振动, ,其振动频率近似与流其振动频率近似与流速成正比。速成正比。例例9-11 9-11 光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计由激光光源由激光光源( (氢氢- -氦激光氦激光) )发出的光发出的光( (频率为频率为f fi i) )导入光导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体物体，由于振动物体 ( (被测体被测体) )振动，产生散射振动，产生散射( (频率为频率为f fs s) )，被测物体的运动速度与多普勒频率之，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为间的关系为式中式中f fi i为入射光频率，为入射光频率，f fs s为散射光频率；为散射光频率；n n为发生散射介质的折射率；为发生散射介质的折射率； 为入射光在空气中的波长；为入射光在空气中的波长； 为被测物体的运动速度。为被测物体的运动速度。作 业P194习题： 3、4、5、8、9、13 共6题