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1、光纤维传感器的应用第1页，共23页，编辑于2022年，星期四图图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接收接收光源光源光源光源1 12 2例例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，带当温度升高时，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出光动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。强发生变化。第2页，共23页，编辑于2022年，星期四例例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Eg有
2、关，而有关，而Eg却却随温度的不同而不同。随温度的不同而不同。Eg与温度与温度t的关系可表的关系可表示为：示为：半导体材料的半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长征吸收波长g随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。第3页，共23页，编辑于2022年，星期四这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温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。若采度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的用发射光谱与半导体的g（t）相匹配的发光二极管）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随作为光源，则
3、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。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长图图9-12 半导体透射测量原理半导体透射测量原理第4页，共23页，编辑于2022年，星期四光纤光纤光纤光纤环氧胶环氧胶环氧胶环氧胶半导体半导体半导体半导体反射膜反射膜反射膜反射膜利用半导体的吸收特
4、性制作的光纤温度传感器的单端式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顶部的反射膜探头结构如图。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敏感的半导体薄片对反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。第5页，共23页，编辑于2022年，星期四例例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光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y形光纤束的膜片
5、反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，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，从而使输出光强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。受到调制。第6页，共23页，编辑于2022年，星期四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，这时在纤芯中传生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输
6、的光在微弯处有部分散射到包层中输的光在微弯处有部分散射到包层中.例例9-5 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微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d第7页，共23页，编辑于2022年，星期四原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角C的角度的角度1在纤芯内传输为全在纤芯内传输为全反射；但在微弯处反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，散射入，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄包层中。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，纤芯输出的光强度相应漏到包层的散射光随之增加，纤芯
7、输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 2n n1 1 2 2 3 3第8页，共23页，编辑于2022年，星期四例例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 光弹性元件；光弹性元件；4 4、10 10 检偏器；检偏器；5 5
8、 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第9页，共23页，编辑于2022年，星期四从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有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与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶体时，使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，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1/4波长波长板用
9、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第10页，共23页，编辑于2022年，星期四例例9-7 球面光纤液位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)探头结构探头结构 LEDLEDPDPD1 12 2将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。球形。第11页，共23页，编辑于2022年，星期四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透射在球状对折端部一部分光透射出去出
10、去,另一部分光反射回来另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探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质的折射率。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越接近被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射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)检测原理检测原理检测原理检测原理空气空气空气空气液体液体液体液体第12页，共23页，编辑于2022年，星期四例例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
11、面反射式光纤液位传感器光纤光纤光纤光纤(a)(b)(a)(b)光纤光纤光纤光纤棱镜棱镜棱镜棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤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。的光强减小。第13页，共23页，编辑于2022年，星期四例例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构1 1 光纤；光纤；2 2 耦合器耦合器1 12 2第14页，共23页，编辑于2022年，星期四当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端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。当传感器接触部满足全反射条件而返回光纤。当
12、传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部液体时，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折射入液体中，返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。利用回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构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个探头，则能连续监视液位的变的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。化。第15页，共23页，编辑于2022年，星期四为了防止当探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，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。将光纤
13、端部的尖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。这样，即使有液体附着在顶略微磨平，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。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。第16页，共23页，编辑于2022年，星期四例例9-10 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光源光源探测器探测器探测器探测器光纤
14、夹光纤夹光纤夹光纤夹密封胶密封胶密封胶密封胶液体流管液体流管液体流管液体流管光纤光纤光纤光纤张紧重物张紧重物张紧重物张紧重物频谱频谱频谱频谱分析记录分析记录分析记录分析记录第17页，共23页，编辑于2022年，星期四 当流体受到一个垂直于流动方向的非流线体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下游两侧产阻碍时，在某些条件下会在流体的下游两侧产生有规则的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体生有规则的旋涡。这种旋涡将会在该非流线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。周期产生的旋涡会在物体壁上产生一侧向
15、力。周期产生的旋涡将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹将使物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，便会产生振动，振动频率近似地与流速成性，便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。正比。第18页，共23页，编辑于2022年，星期四因此，通过检测物体的振动频率便可测出流体的流因此，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呈线性关速，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理制成的，系。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当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
16、与其垂直的光纤时液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡光纤受到流体涡流的作用而振动流的作用而振动,其振动频率近似与流速成正比。其振动频率近似与流速成正比。第19页，共23页，编辑于2022年，星期四例例9-11 光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计第20页，共23页，编辑于2022年，星期四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)导入光导导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由纤维，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，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为物体的运动速度与多普勒频率之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。第21页，共23页，编辑于2022年，星期四第22页，共23页，编辑于2022年，星期四作作 业业P194习题：习题：3、4、5、8、9、13共共6题题第23页，共23页，编辑于2022年，星期四