过程检测技术及仪表光纤传感器详解.pptVIP

12.5 光纤传感器 12.5.3.5 光纤流速、流量传感器 1．激光多普勒（Doppler）测速传感器 图12-27是光纤激光多普勒测速传感器示意图，把光纤探头以与管中心 线夹角?的方向插入管道中，由光纤梢端发出的激光被运动流体中微粒 散射，产生多普勒频移的散射光信号，再由同一光纤耦合回传，并与原 信号光重叠产生差拍。 多普勒频移 式中，n—运动微粒折射率； v—微粒运动速度；?—激光波长。 图12-27 光纤激光测速系统原理图 12.5 光纤传感器 2．光纤旋涡流量计 涡街现象：流体通过障碍物，在障碍物后会形成两列旋 涡，呈交替平行状，犹如“街灯”，故称“涡街”，或“卡曼 （Kamrman）涡街”，如图12-28所示。障碍物在涡街作用 下，产生横向振动，其振动频率为 （12-5） 式中，v—流体流速；d—光纤（障碍物）直径；St—斯特劳 哈尔常数。 图12-28 卡曼涡街形成原理 12.5 光纤传感器 从式（12-5）可见f 与v成正比。测得流速v后便可测流体 的流量Q=S v（S为流管截面积）。图12-29为光纤旋涡流量计 结构示意图。 图12-29 光纤旋涡流量计 第12章 光导纤维传感器 12．1 光导纤维概述 12．2光纤传感器的特点、组成及分类 12．3 光纤传感器的应用 12.1 光导纤概述 12.1.1 光导纤维导光的基本原理 1．光导纤维的结构 光纤结构如图12-1所示。 纤芯，玻璃或石英，直径Φ为几十微米，折射率n1； 包层，玻璃或塑料，Φ=100~200?m , 折射率n2； 保护层，塑料，折射率n3； 其中n2n3n1，故称为阶跃型光纤，光在纤芯中传播。 此外还有一种梯度型光纤，其断面折射率分布从中央高折射率逐步变 化到包皮的低折射率。 图12-1 光纤的基本结构 12.1光导纤概述 2．光导纤维的导光原理 光纤导光是利用光传输的全反射原理，如图12-2所示。 图12-2 光纤导光示意图 12.1光导纤概述 由几何光学的折射定律可得出 n0sin?i=n1sin?j (12-1) n1sin?k=n2sin?r (12-2) 由以上两式可以推出 (12-3) 12.1光导纤概述 当?r=?/2临界状态时，?i=?c，折射光线CK变为CG，式 （12-3）变为 （12-4） 纤维光学中把sin?c定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）。由于n1与n2相差较小，即n1+n2?2n1，则式（12- 4）又变为 式中，?=(n1?n2)/n1，称为相对折射率差。由此可得： ??r=90?时，sin?i=sin?c=NA， ?c=arcsinNA； ??r90?时，光线发生全反射，?i?c =arcsinNA； ??r90?时，式（12-3）成立，可以看出sin?isin?c =NA， ?iarcsinNA，光线散失。 12.1光导纤概述 ?c是入射光线在纤芯中全反射传输的临界角，只要入射 角小于?c，全反射条件成立。NA越大，?c也越大，满足全 反射条件的入射光的范围也越大。因此，NA是光纤的一个 重要参数。 传感器所用光纤一般要求： 0.2?NA?0.4(11.5?? ?c ?23.6?)；传输损耗?10dB/km。 光纤的“模” 光纤中能传输的光波是其横向分量在光纤中 形成驻波的光线组。这样一些光线组称为“模”。通信技术上 常用的光纤模式： ?单模（基模）光纤：?5~10?m纤芯，只能传输一个模 式（基模）的光波； ?多模光纤：?50~150?m纤芯，传输多种模式的光波。 12.2 光纤传感器结构和类型 12.2.1 光纤传感器的结构和类型 结构：光纤传感器一般由光源、敏感元件、光纤、光敏元 件（光电接收）和信号处理系统组成。 类型： ?按工作原理分类： 1．功能型光纤传感器 利用光纤本身的某种特性或功能制 成的传感器，如图12-