光纖傳感器在測量技術(shù)中的應(yīng)用

作者:吳 康 摘要：本文主要介紹由光纖傳感器與基于can總線網(wǎng)絡(luò)組成本的油庫油罐液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，由此分析出光纖傳感器在測量技術(shù)中的應(yīng)用以及光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器佳結(jié)構(gòu)特點與使用。 關(guān)鍵詞：光源、光導(dǎo)纖維、調(diào)制機(jī)構(gòu) 光電探測器 can總線網(wǎng)絡(luò)1、 前言-光纖傳感器與測量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向 由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無法比擬的特點，所以近幾年來，光纖傳感器與測量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點：* 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，目前損耗能達(dá)到≤0.2 db/km的水平。* 光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。* 光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量。 還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點。同時，它還便于與計算機(jī)相連，實現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)展提高的作用，不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的仟務(wù)。 正是由于光纖傳感器具有許多獨特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題，故自從它問世以來，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個領(lǐng)域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用，即油庫油罐液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計方案(見圖0所示)。正因該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器.為此先對此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)作一介紹。2、光纖傳感器組成與類型 光纖傳感器一般是由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測器和信號處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進(jìn)入光纖，然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個重要部件，見圖1所示。 光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量；而傳感型光纖傳感器，是利用被測對象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。3、測量用的光纖傳感技術(shù)3.1光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器 位圖2(a)為半導(dǎo)體吸光型(傳光型)光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導(dǎo)纖維裝在細(xì)鋼管內(nèi)，光纖兩端面間夾有一塊半導(dǎo)體感溫薄片(如gaas或inp)，這種半導(dǎo)體感溫薄片透射光強(qiáng)隨被測溫度而變化。因此，當(dāng)光纖一端輸入一恒定光強(qiáng)的光時，由于半導(dǎo)體感溫薄片透射能力隨溫度變化，光纖另一端接收元件所接受的光強(qiáng)也隨被測溫度而改變。于是通過測量光探測器輸出的電量，便能遙測到感溫探頭2(b)處的溫度。 探頭中，半導(dǎo)體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖2(c)所示，當(dāng)溫度升高時，其透過率曲線向長波長方向移動。顯然，半導(dǎo)體材料的吸收率與其禁帶寬度eg有關(guān)，禁帶寬度又隨溫度而變化，多數(shù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小，對應(yīng)于半導(dǎo)體的透過率特性曲線邊沿的波長λg隨溫度升高向長波方向位移。當(dāng)一個輻射光譜與λg相一致的光源發(fā)出的光，通過此半導(dǎo)體時，其透射光的強(qiáng)度隨溫度丁的升高而減少。那何為傳光型光纖傳感器？ 傳光型光纖傳感器中的光纖僅作為傳輸光的介質(zhì)，只起傳輸光波的作用，對外界信息的“感覺”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來完成的，因此必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。這樣，傳感器中的光纖中間是中斷的、不連續(xù)的，中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件，如圖1所示。 調(diào)制器是敏感元件，置于入射光纖和接收光纖之間，在被測對象的作用下，使敏感元件的光路遮斷或使敏感元件的光穿透率發(fā)生變化，這樣，光探測器所接收的光量便成為被測對象調(diào)制后的信號，經(jīng)放大、解凋后，就可得到被測對象。3.2光纖液位傳感器 基于全內(nèi)反射原理，可以設(shè)計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成：*接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件；*傳輸光信號的雙芯光纖；*發(fā)光、受光和信號處理的接收裝置。 圖3(a)所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點。 光纖液位傳感器的工作原理如圖3(b)所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來。當(dāng)敏感元件與液體相接