第八章光纤传感器课件.pptVIP

第 八 章 光 纤 传 感 器 光纤传感器可以探测的物理量很多，已经实现的光纤传感器能够探测的物理量达七十余种。 本章只对几种典型的加以系统介绍。 §8.1 光 纤 温 度 传 感 器 温度检测在工业中占需要检测量的百分之五十，虽有很多温度计，却难以解决某些特殊环境下的测温问题: 例如高压变压器内部线圈温度的测试，由于高压及电磁场的干扰，至今未能很好地解决。 又如石油化工行业中某些易燃、易爆环境中的温度检测问题，也难以进行。 光纤温度传感器则能解决上述难题，因为它可弯曲，电绝缘，不会产生电火花等优点，故发展相当快。 光 纤 温 度 传 感 器几种类型 一、变折射率型温度传感器 大量的物理参数可以引起材料的折射率变化，其中温度和压力最为典型。 其它类型例如：多孔材料折射率强烈地依赖于周围介质的化学成分。 如果光纤的纤芯材料和包层材料的折射率温度系数不同，在某一特定温度时，纤芯和包层的折射率相等，光纤就失去了光波导的作用。 由于光纤的传输特性是逐渐变化的，所以光波导完全截止所处的温度可以是非常准确的。准确地选用纤芯和包层材料，可以设计成高温或低温的报警系统。 利用这种原理制成的测温系统有液化天然气存储罐及环境防火报警系统等。 1、液芯型光纤温度传感器 液芯型光纤温度传感器测温原理 激光器的光经分束器 2 和透镜 3 进入输入光纤 7； 液芯型光纤温度传感器测温原理 （3）测 温 中 的 技 术 细 节 在测温过程中，为保证可靠性，必须保证在整个测量装置中没有导入液芯光纤的光不进入到输出光纤 8 中去。 采用的办法是用吸光材料将液芯光纤包复起来，或者将液芯光纤浸入折射率更高的透明液体中; 为了消除未导入液芯的光线，应使液光纤做得长一些，使进入液芯光纤包层的光损耗掉，一般达几厘米长。 这种传感结构简单，制作容易，成本低，测量精度通常在±1℃以内，响应时间常数约为 2 秒，可用于高压电力装置的温度测量中。 2、液包层型光纤温度传感器 用一根无包层的光纤芯，浸在透明的起包层作用的液体中组成测温装置，该液体的折射率随温度而变化。 其测温范围对应的折射率范围为 二、马赫－泽德光纤温度传感器 相位调制光纤干涉仪制成的温度传感器以马赫－泽德光纤干涉仪和法布里－珀罗光纤干涉仪最为典型。 马赫－泽德光纤温度传感器是最早用于温度传感的一种光纤干涉仪。 马赫－泽德光纤温度传感器 马赫－泽德光纤温度传感器的温度灵敏度 三、液晶光纤温度传感器 在光纤的一个端面上配置液晶片，三种液晶材料以适当比例混合，在10 - 45℃的范围变化，液晶的颜色从绿色向深红色变化。 液晶光纤传感器就是利用由液晶的颜色变化而产生的液晶反射率变化这样一个性质制成的。 四、 光纤扫描温度计 仅通过一维扫描温度计加以说明，如图所示。 光纤扫描温度计 其象元数目由光纤总数决定。采用直径较小的光纤，其根数较多，并对 z 型光导管选择适当转速，能够得到相当好的分辨率和足够高的扫描速度。 对于组合的光纤元件同入射图像保持相对静止，静态成像质量与光纤排列方式有关。 正方形排列如图 (a) 所示，两行纤维之间中心距离最大为 d，四根相邻纤维之间空隙较大。 五、半导体晶格吸收温度传感器 该传感器的结构是把半导体晶体制成面积为1 平方毫米、厚度为 0.2 - 0.5 mm 的薄片，在片子的两侧固定上光纤，用不锈钢管保护。 半导体吸收特性与温度关系曲线 六、双金属型光纤温度传感器 其工作原理是利用双金属片因温度变化而弯曲，因而改变了光路遮断程度进行测温。 该系统在 10 – 5 0℃ 范围内， 测温精度达 0.5 度。 七、荧光辐射型光纤温度计 当物体受到光或放射线照射时，其原子便处于受激状态。 当原子回复至初始状态时随即发射出荧光，且荧光的强度和辐射光的能量成比例，并与温度有关。 这种温度计的特点是探测部分和敏感端连成一体，没有导电物质； 在感温部分，光纤的端部装有能发生荧光的物质，该物质受激发后即发出荧光，根据荧光的强度可检测温度。 敏感部分直径φ为0.8mm、长5mm，光纤长2—100m，耐热310℃； 用于-50 ~ +250℃检测，精度为0.1℃，响应时间1/4 ~ 4s。 荧光辐  射型光 纤温度 计系统 框 图 §8.2 光纤表面粗糙度传感器 用光纤测量表面粗糙度，主要是利用它对光信号的传输特性。 当一束光以α角入射到被测表面时，如果表面是理想光滑的，入射光将沿镜反射方向全部反射；如果表面是粗糙的，入射光的一部分或全部会