光纤传感器在测量技术中的应用

作者:吴 康 摘要：本文主要介绍由光纤传感器与基于can总线网络组成本的油库油罐液位、温度信号实时监测系统的设计方案，由此分析出光纤传感器在测量技术中的应用以及光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器佳结构特点与使用。 关键词：光源、光导纤维、调制机构 光电探测器 can总线网络1、 前言-光纤传感器与测量技术是仪器仪表领域新的发展方向 由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向，而新型光纤传感器不外乎有以下特点：* 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到≤0.2 db/km的水平。* 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。* 光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。 还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的仟务。 正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。值此，将讨论光纤传感器在石油化工领域应用，即油库油罐液位、温度信号实时监测系统中的设计方案(见图0所示)。正因该监测系统应用了光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器.为此先对此有关的光纤传感器技术作一介绍。2、光纤传感器组成与类型 光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件，见图1所示。 光纤传感器一般分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。3、测量用的光纤传感技术3.1光纤温度传感器-传光型光纤温度传感器 位图2(a)为半导体吸光型(传光型)光纤温度传感器示意图。将一根切断的光导纤维装在细钢管内，光纤两端面间夹有一块半导体感温薄片(如gaas或inp)，这种半导体感温薄片透射光强随被测温度而变化。因此，当光纤一端输入一恒定光强的光时，由于半导体感温薄片透射能力随温度变化，光纤另一端接收元件所接受的光强也随被测温度而改变。于是通过测量光探测器输出的电量，便能遥测到感温探头2(b)处的温度。 探头中，半导体材料的透过率与温度的特性曲线如图2(c)所示，当温度升高时，其透过率曲线向长波长方向移动。显然，半导体材料的吸收率与其禁带宽度eg有关，禁带宽度又随温度而变化，多数半导体材料的禁带宽度eg随温度丁的升高几乎线性地减小，对应于半导体的透过率特性曲线边沿的波长λg随温度升高向长波方向位移。当一个辐射光谱与λg相一致的光源发出的光，通过此半导体时，其透射光的强度随温度丁的升高而减少。那何为传光型光纤传感器？ 传光型光纤传感器中的光纤仅作为传输光的介质，只起传输光波的作用，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物质的敏感元件来完成的，因此必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。这样，传感器中的光纤中间是中断的、不连续的，中断部分要接上其它介质的敏感元件，如图1所示。 调制器是敏感元件，置于入射光纤和接收光纤之间，在被测对象的作用下，使敏感元件的光路遮断或使敏感元件的光穿透率发生变化，这样，光探测器所接收的光量便成为被测对象调制后的信号，经放大、解凋后，就可得到被测对象。3.2光纤液位传感器 基于全内反射原理，可以设计成光纤液位传感器。光纤液位传感器由以下三部分组成：*接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件；*传输光信号的双芯光纤；*发光、受光和信号处理的接收装置。 图3(a)所示为光纤液位传感器的基本结构。这种传感器的敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成，故有绝缘性能好和抗电磁噪声等优点。 光纤液位传感器的工作原理如图3(b)所示。发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接