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1第一节 光纤传感器第二节 气敏传感器第三节 湿度传感器其他种类的传感器2 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的用光作为敏感信息的载体载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。具有光纤及光学测量的特点。 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第一节光纤传感器第一节光纤传感器3一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波光是一种电磁波, ,一般采用波动理论来分析导光的基一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间折射率变化缓慢的空间, ,可以用可以用“光线光线”即即几何光学几何光学的方的方法来分析光波的传播现象法来分析光波的传播现象, ,这对于光纤中的这对于光纤中的多模光纤多模光纤是完是完全适用的。为此全适用的。为此, , 采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。 1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时发生折射，入射至光疏物质时发生折射，如图如图(a)(a)，其折射角大于入射角，即，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。 n1n2ri(a)光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 4当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90 ，这时便发生全反射，这时便发生全反射现象，如图现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图 当当r=90 时，时，i仍仍90，此时，此时，出射光线沿界面传播如图（出射光线沿界面传播如图（b），），称为临界状态。这时有称为临界状态。这时有5 2 2、光纤结构、光纤结构分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯( (纤芯纤芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包层包层) )两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率心折射率n1比包层折射率比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构6 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入射光线入射光线AB与纤维轴线与纤维轴线OO相交角为相交角为i，入射后折射，入射后折射( (折折射角为射角为j) )至纤芯与包层界面至纤芯与包层界面C点，与点，与C点界面法线点界面法线DE成成k角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sinn0为入射光线为入射光线AB所在所在空间的折射率，一般空间的折射率，一般为空气，故为空气，故n1，nl为纤芯折射率，为纤芯折射率，n2为包为包层折射率。当层折射率。当n=1时时7上式上式sini0为为“数值孔径数值孔径” NA(NumericalAperture)。由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 rinn22221sinsin22210sinnni2sin10ni=(n1-n2)/n1称为相对折射率差称为相对折射率差 当当r=90的临界状态时，的临界状态时，i=i0当当rNA，iarcsin NA，光线消失。，光线消失。这说明这说明arcsinNA是一临界角是一临界角, ,凡入射角凡入射角iarcsinNA的的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反, ,只有只有入射角入射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播 当当r=90时时当当r90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA8二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的光纤或非光纤的)、光、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线由光发送器发出的光经源光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。得到所期待的被测量。9可见可见, ,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机机电测量电测量为基础，而光纤传感器则以为基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远到极远紫外线的紫外线的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化学作用生物化学作用主要因其主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量的电矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可见，只要使光的可见，只要使光的强度强度、偏振态偏振态( (矢量矢量A的方向的方向) )、频率频率和和相位相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。信息。 tAEsin10传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非 干 涉 型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类11 （1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。三大类。 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏光强、相位、偏振态等振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器12 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。纤温度传感器等。 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象13 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型强度调制型、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。 1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；各物质的；各物质的吸吸收特性收特性；振动膜或液晶的；振动膜或液晶的反射光强度反射光强度的变化；物质因各的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。14 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、流速、振动、的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散喇曼散射射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用以及利用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。 15 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。度检测系统，因此成本高。 16三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1234水银柱式光纤温度开关1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银17 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂温度升高时，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强发生变化。这种形式的直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。应时间较长，一般需几分钟。 光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板 2 双金属片18 2 2、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 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长长g的光将被半导体吸收的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为称为半导半导体的本征吸收波长体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收。电子从价带激发到导带引起的吸收称为称为本征吸收本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时。当一定波长的光照射到半导体上时,电电子吸收光能从价带跃迁入导带子吸收光能从价带跃迁入导带,显然显然,要发生本征吸收要发生本征吸收,光光子能量必须大于半导体的禁带宽度子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即，即gEhggEhc因因c/v，则产生本征吸收条件，则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因此，对于波长大于因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长的光，能透过半导体，而波长小于小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 长 ， 图具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 长 ， 图 为为 在 室 温在 室 温 ( ( 2 0 ) )时时,120m厚的厚的GaAs材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。 19由图看出，由图看出，GaAs在室温时在室温时的 本 征 吸 收 波 长 约 为的 本 征 吸 收 波 长 约 为880nm左右左右，半导体的吸，半导体的吸收光谱与收光谱与Eg有关，而半导有关，而半导体材料的体材料的Eg随温度的不同随温度的不同而不同，而不同，Eg与温度与温度t的关系的关系可表示为可表示为 ttEtEgg20式中：式中：E Eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的禁带宽度； 经验常数经验常数(eVeVK K)；经验常数经验常数(K)(K)。 850800900 950 1000010203040t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%) eVEg522. 10 对于对于GaAs材料，由实验得到材料，由实验得到 =5.810-4eV/K =300K20由此可见，半导体材料的由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波透光特性上，即当温度升高时，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方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理PI2I1I02(外圈)1 (内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23 (输入)24可见，输出光强比可见，输出光强比I2Il与膜片的与膜片的反射率反射率、光源强度光源强度等等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 将上式两边取对数且满足将上式两边取对数且满足(Ap)21时时,等式右边展开后等式右边展开后取第一项，得到取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性对数呈线性关系。因此，关系。因此，若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。可得到线性的输出。 若选用的光纤束中每根光纤的芯径为若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度包层厚度为为3.5m,纤芯和包层折射率分纤芯和包层折射率分别为别为1.52和和1.62, ,则该传感则该传感器可获得器可获得115dB的动态范围的动态范围, ,线性度为线性度为0.25。采用不同。采用不同的尺寸、材料的膜片的尺寸、材料的膜片, ,即可获得不同的测量范围。即可获得不同的测量范围。 ApApII1112ApII2ln12两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。25 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射双折射的现的现象称为象称为光弹性效应光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶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，体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中即可测出压力的变化。其中1/ /4波长板用于提供一偏置，波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。使系统获得最大灵敏度。 (b)传感器结构12345P(a)检测原理 P6789 10111 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光26 为了提高传感器的精度和稳定性，下图为了提高传感器的精度和稳定性，下图为为另一种检另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相相互垂直互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为该传感器的测量范围为10103 3PaPa10106 6PaPa，精度为，精度为1 1，理，理论上分辨力可达论上分辨力可达1.4Pa1.4Pa。 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。也可用于测量振动、加速度。 输出前置放大前置放大I2I1I2+I1驱动123 4 56I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长板 5 偏振分光镜 6 反射镜 p27 （三）液位、流量、流速的检测（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术、液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 12(a)探头结构 (b) )检测原理空气液体LEDPD光由光纤的一端导入光由光纤的一端导入,在球状在球状对折端部一部分光透射出去对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来而另一部分光反射回来,由光由光纤的另一端导向探测器。反纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近射率与光纤折射率越接近,反反射光强度越小。显然射光强度越小。显然,传感器传感器处于空气中时比处于液体中处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此时的反射光强要大。因此,该该传感器可用于液位报警。若传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时强度为基准，则当接触水时反射光强变化反射光强变化6dB7dB,接接触油时变化触油时变化25dB30dB。28 （2）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器 下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤同样，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。这种形式的探头在空气中和水中时，反射的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在光强度差约在20dB以上。以上。 斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2 光纤 3 棱镜29 （3）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光单光纤液位传感器的结构如图，将光纤的端部抛光成成45 的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分的圆锥面。当光纤处于空气中时，入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液能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气大，使一部分光不能满体时，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，返回光纤的光强就减小。足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监器。同样，若在不同的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化。视液位的变化。 单光纤液位传感器结构121 光纤 2 耦合器30 上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开上述探头在接触液面时能快速响应，但在探头离开液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。液体时，由于有液滴附着在探头上，故不能立即响应。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。为了克服这个缺点，可将探头的结构作一些改变，如图。将光纤端部的尖顶略微将光纤端部的尖顶略微磨平磨平，并镀上反射膜。这样，即，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。进一步的改使有液体附着在顶部，也不影响输出跳变。进一步的改进是在顶部镀反射膜外粘上一进是在顶部镀反射膜外粘上一突出物突出物，将附着的液体导，将附着的液体导引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时引向突出物的下端。这样，可以保证探头在离开液位时也能快速地响应。也能快速地响应。 改进的光纤液位探头31 2、流量、流速的检测、流量、流速的检测 （1）光纤涡街流量计）光纤涡街流量计 当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在当一个非流线体置于流体中时，在某些条件下会在液流的下游产生有规律的旋涡。这种旋涡将会在该非流液流的下游产生有规律的旋涡。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，会线体的两边交替地离开。当每个旋涡产生并泻下时，会在物体壁上产生一侧向力。这样，周期产生的旋涡将使在物体壁上产生一侧向力。这样，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，它便会产物体受到一个周期的压力。若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即生振动，振动频率近似地与流速成正比。即 式中：式中：v v流体的流速；流体的流速； d d物体相对于液流方向的横向尺寸；物体相对于液流方向的横向尺寸； s s与流体有关的无量纲常数与流体有关的无量纲常数。 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。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，其结构速。光纤涡街流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图。如图。 fsvd32纹稳定。当光纤振动时纹稳定。当光纤振动时, ,输出光斑亦发生移动。对于处于输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器光斑中某个固定位置的小型探测器, ,光斑花纹的移动反映光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析, ,即可即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值, ,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。 光纤涡街流量计特点：可靠性好光纤涡街流量计特点：可靠性好, ,无任何可动部分和联无任何可动部分和联接环节接环节, ,对被测体流阻小对被测体流阻小, ,基本不影响流速。但在流速很基本不影响流速。但在流速很小时小时, ,光纤振动会消失光纤振动会消失, ,因此存在一定的测量下限。因此存在一定的测量下限。 在横贯流体管道的中间装在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时体流动时, ,光纤就发生振动光纤就发生振动, ,其其振动频率近似与流速成正比。振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤由于使用的是多模光纤, ,故当光故当光源采用源采用相干光源相干光源( (如激光器如激光器) )时时, ,其输出光斑是模式间干涉的结其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时果。当光纤固定时, ,输出光斑花输出光斑花光源频谱分析记录探测器123451 夹具2 密封胶3 液体流管4 光纤5 张力载荷33 （2）光纤多普勒流速计）光纤多普勒流速计 下图下图为为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的大功率的Ar激光器（出射光功率为激光器（出射光功率为2W，=514.5nm）以提高信噪比。以提高信噪比。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。 光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器；分束器；2 反射镜；反射镜；4 透镜；透镜；5 流体管道；流体管道；6 窗口；窗口；7、8 光纤光纤34第二节第二节 气敏传感器气敏传感器 l接触燃烧式气敏元件l金属氧化物半导体气敏元件l氧化锆气敏元件工作原理、主要类型及应用35一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器 1 1、检测原理、检测原理 可燃性气体可燃性气体( (H2、CO、CH4等等) )与空气中的氧接触，与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热发生氧化反应，产生反应热( (无焰接触燃烧热无焰接触燃烧热) )，使得作，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高( (低于低于10) )，可燃性气体可以完全燃烧，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓其发热量与可燃性气体的浓度有关度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应( (燃烧燃烧) )产生的反应热量产生的反应热量( (燃烧热燃烧热) )愈多，铂丝的温度变化愈多，铂丝的温度变化( (增高增高) )愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值感件的铂丝的电阻变化值(R) )，就可检测空气中可燃，就可检测空气中可燃性气体的浓度。性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。 36接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检是检测元件；测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在差。工作时，要求在F1和和F2上保持上保持100mA200mA的电的电流通过，以供可燃性气体在检测元件流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应上发生氧化反应( (接触燃烧接触燃烧) )所需要的热量。当检测元件所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用接触时，由于剧烈的氧化作用( (燃烧燃烧) )，释放出热量，使，释放出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在再平衡，在A、B间产生电位差间产生电位差E。 AF2F1MR1R2CBDW2W1E02110211RRRRRRRREEFFFFFFFFFFRRRRRRRREE12212110因为RF很小，且RF1R1=RF2R2 37这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示 212110FFRRRRREkFFFRRRkE12CQmCHTRF如果令则有检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量； C检测元件的热容量； Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。38，C和和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则因而，在一定条件下，都是确定的常数。则CQbA、B间的电位差间的电位差E，并由此，并由此求得空气中可燃性气体的浓求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线报警信号，其感应特性曲线如图。如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL)E=kmb即即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。成比例。如果在如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以两点间连接电流计或电压计，就可以测得测得39 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝用高纯的铂丝, ,绕制成线圈绕制成线圈, ,为了使线圈具有适当的为了使线圈具有适当的阻值阻值( (12),),一般应绕一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂涂覆层覆层, ,干燥后在一干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球, ,放在贵放在贵金属铂、钯等的盐溶液中金属铂、钯等的盐溶液中, ,充分浸渍后取出烘干。然后充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理经过高温热处理, ,使在氧化铝使在氧化铝( (氧化铝一氧化硅氧化铝一氧化硅) )载体上载体上形成贵金属触媒层形成