光纖維傳感器的應用第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日圖9-10熱雙金屬式光纖溫度開關1遮光板；2雙金屬片接收光源12例9-2遮光式光纖溫度計當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-3透射型半導體光纖溫度傳感器半導體的吸收光譜與材料的Eg有關，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關系可表示為：半導體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度的上升而增大。第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日這個性質反映在半導體的透光性上則表現(xiàn)為：當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的λg（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。相對發(fā)光強度透射率LED發(fā)光光譜半導體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長圖9-12半導體透射測量原理第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日光纖環(huán)氧膠半導體反射膜利用半導體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結構如圖。光纖中的入射光線經探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導體薄片對光進行吸收，則出射光強將隨溫度的變化而變化。第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-4膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調制。第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?例9-5微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ3第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-6光彈式光纖壓力傳感器圖9-17光彈性式光纖壓力傳感器1、7起偏器；2、81/4波長板；3、9光彈性元件；4、10檢偏器；5光纖；6自聚焦透鏡線偏振光光源1234P圓偏振光橢圓偏振光第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日從光源發(fā)出的光經起偏器后成為直線偏振光。當有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。P5678910(b)傳感器結構第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-7球面光纖液位傳感器圖9-19球面光纖液位傳感器(a)探頭結構LEDPD12將光纖用高溫火焰燒軟后對折，并將端部燒結成球形。第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日光由光纖的一端導入,在球狀對折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導向探測器。反射光強的大小取決于被測介質的折射率。被測介質的折射率與光纖折射率越接近,反射光強度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。(b))檢測原理空氣液體第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-8斜端面光纖液位傳感器圖9-20斜面反射式光纖液位傳感器光纖(a)(b)光纖棱鏡當傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-9單光纖液位傳感器圖9-21單光纖液位傳感器結構1光纖；2耦合器12第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日當光纖處于空氣中時，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構成具有兩個探頭的液位報警傳感器。若在不同的高度安裝多個探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日為了防止當探頭離開液體時，由于有液滴附著在探頭上，傳感器不能立即響應，可作一些改變。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。另外可在頂部鍍的反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導引向突出物的下端?？杀ＷC探頭在離開液位時也能快速地響應。第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-10光纖渦街流量計圖9-23光纖渦街流量計光源探測器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日當流體受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在某些條件下會在流體的下游兩側產生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開。當每個旋渦產生并瀉下時，會在物體壁上產生一側向力。周期產生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，便會產生振動，振動頻率近似地與流速成正比。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日因此，通過檢測物體的振動頻率便可測出流體的流速，由上式可知，流體的流速與渦流頻率呈線性關系。光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原理制成的，在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當液體或氣體流經與其垂直的光纖時,光纖受到流體渦流的作用而振動,其振動頻率近似與流速成正比。第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日例9-11光纖多普勒流速計第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導入光導纖維，經過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體(被測體)振動，產生散射(頻率為fs)，被測物體的運動速度與多普勒頻率之間的關系為式中fi為入射光頻率，fs為散射光頻率；n為發(fā)生散