光纖傳感器組成與類型

光纖傳感器一般是由光源

、接口

、光導纖維、光調製機構
、光電探測器和信號處理係統等部分組成。來自光源的光線，通過接口進入光纖，然後將檢測的參數調製成幅度、相位、色(se)彩(cai)或(huo)偏(pian)振(zhen)信(xin)息(xi)

，最(zui)後(hou)利(li)用(yong)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)處(chu)理(li)。概(gai)括(kuo)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)由(you)三(san)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)
，除(chu)光(guang)纖(xian)之(zhi)外(wai)

，還(hai)必(bi)須(xu)有(you)光(guang)源(yuan)和(he)光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)部(bu)件(jian)
，見(jian)圖(tu)1所示。

 
圖1：光纖傳感器組成

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，是利用被測對象調製或改變光纖的特性，所以隻能用單模光纖。

測量用的光纖傳感技術

光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器

位圖2(a)為半導體吸光型(傳光型)光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導纖維裝在細鋼管內，光纖兩端麵間夾有一塊半導體感溫薄片(如GaAs或InP)
，這zhe種zhong半ban導dao體ti感gan溫wen薄bo片pian透tou射she光guang強qiang隨sui被bei測ce溫wen度du而er變bian化hua。因yin此ci，當dang光guang纖xian一yi端duan輸shu入ru一yi恒heng定ding光guang強qiang的de光guang時shi，由you於yu半ban導dao體ti感gan溫wen薄bo片pian透tou射she能neng力li隨sui溫wen度du變bian化hua，光guang纖xian另ling一yi端duan接jie收shou元yuan件jian所suo接jie受shou的de光guang強qiang也ye隨sui被bei測ce溫wen度du而er改gai變bian。於yu是shi通tong過guo測ce量liang光guang探tan測ce器qi輸shu出chu的de電dian量liang
，便bian能neng遙yao測ce到dao感gan溫wen探tan頭tou2(b)處的溫度。

 
圖2：傳光型光纖溫度傳感器

探頭中，半導體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖2(c)所示，當溫度升高時，其透過率曲線向長波長方向移動。顯然
，半導體材料的吸收率與其禁帶寬度Eg有關
，禁帶寬度又隨溫度而變化，多數半導體材料的禁帶寬度Eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小
，對應於半導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。當一個輻射光譜與λg相一致的光源發出的光，通過此半導體時，其透射光的強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，隻起傳輸光波的作用
，對外界信息的“感覺”功(gong)能(neng)是(shi)依(yi)靠(kao)其(qi)它(ta)物(wu)質(zhi)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)來(lai)完(wan)成(cheng)的(de)，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)在(zai)光(guang)纖(xian)端(duan)麵(mian)或(huo)中(zhong)間(jian)加(jia)裝(zhuang)其(qi)它(ta)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)才(cai)能(neng)構(gou)成(cheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)樣(yang)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)中(zhong)的(de)光(guang)纖(xian)中(zhong)間(jian)是(shi)中(zhong)斷(duan)的(de)、不連續的，中斷部分要接上其它介質的敏感元件
，如圖1所示。

調(tiao)製(zhi)器(qi)是(shi)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)，置(zhi)於(yu)入(ru)射(she)光(guang)纖(xian)和(he)接(jie)收(shou)光(guang)纖(xian)之(zhi)間(jian)
，在(zai)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)

，使(shi)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)光(guang)路(lu)遮(zhe)斷(duan)或(huo)使(shi)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)光(guang)穿(chuan)透(tou)率(lv)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)
，這(zhe)樣(yang)，光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)所(suo)接(jie)收(shou)的(de)光(guang)量(liang)便(bian)成(cheng)為(wei)被(bei)測(ce)對(dui)象(xiang)調(tiao)製(zhi)後(hou)的(de)信(xin)號(hao)，經(jing)放(fang)大(da)、解凋後，就可得到被測對象。

光纖液位傳感器

基於全內反射原理，可以設計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成：

接觸液體後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
；

發光
、受光和信號處理的接收裝置。

圖3(a)所(suo)示(shi)為(wei)光(guang)纖(xian)液(ye)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)結(jie)構(gou)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)和(he)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)的(de)光(guang)纖(xian)均(jun)由(you)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)構(gou)成(cheng)，故(gu)有(you)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)好(hao)和(he)抗(kang)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)等(deng)優(you)點(dian)。

 
圖3：光纖液位傳感器結構

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光纖液位傳感器的工作原理如圖3(b)所(suo)示(shi)。發(fa)光(guang)器(qi)件(jian)射(she)出(chu)來(lai)的(de)光(guang)通(tong)過(guo)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纖(xian)送(song)到(dao)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)，在(zai)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)球(qiu)麵(mian)上(shang)
，有(you)一(yi)部(bu)分(fen)透(tou)過(guo)，而(er)其(qi)餘(yu)的(de)光(guang)被(bei)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)。當(dang)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)與(yu)液(ye)體(ti)相(xiang)接(jie)觸(chu)時(shi)
，與(yu)空(kong)氣(qi)接(jie)觸(chu)相(xiang)比(bi)
，球(qiu)麵(mian)部(bu)的(de)光(guang)透(tou)射(she)量(liang)增(zeng)大(da)，而(er)反(fan)射(she)量(liang)減(jian)少(shao)。因(yin)此(ci)，由(you)反(fan)射(she)光(guang)量(liang)即(ji)可(ke)知(zhi)道(dao)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)是(shi)否(fou)接(jie)觸(chu)液(ye)體(ti)。反(fan)射(she)光(guang)量(liang)決(jue)定(ding)於(yu)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)玻(bo)璃(li)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)和(he)被(bei)測(ce)定(ding)物(wu)質(zhi)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)。被(bei)測(ce)物(wu)質(zhi)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)越(yue)大(da)，反(fan)射(she)光(guang)量(liang)越(yue)小(xiao)。來(lai)自(zi)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)反(fan)射(she)光(guang)，通(tong)過(guo)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纖(xian)由(you)受(shou)光(guang)器(qi)件(jian)的(de)光(guang)電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)進(jin)行(xing)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)後(hou)輸(shu)出(chu)。敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)反(fan)射(she)光(guang)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)，若(ruo)以(yi)空(kong)氣(qi)的(de)光(guang)量(liang)為(wei)基(ji)準(zhun)
，在(zai)水(shui)中(zhong)則(ze)為(wei)-6-—7dB
，在油中為-25—30dB。可對反射光量差別很大的水和油等進行物質判別。

 
圖4：光纖液麵探測器工作原理

用微光檢測液位的光纖液位傳感器有如下特點：

能用於易燃、易爆物等設施中；

敏感元件的尺寸小
，可用於檢測微量液體；

從檢測液體開始到檢測信號輸出為止的響應時間短；

敏感元件是玻璃的
，故有抗化學腐蝕性

；

能檢測兩種(油
、水等)液體界麵：

價格低廉。

在實際應用中應注意


，光纖液麵傳感器不宜用於檢測粘附在敏感元件玻璃表麵的物質。如何檢測液位？

在zai裝zhuang有you液ye體ti的de槽cao內nei。將jiang敏min感gan元yuan件jian安an裝zhuang在zai液ye麵mian下xia預yu定ding檢jian測ce的de高gao度du。當dang液ye麵mian低di於yu這zhe一yi高gao度du時shi
，從cong敏min感gan元yuan件jian產chan生sheng的de反fan射she光guang量liang就jiu增zeng加jia，根gen據ju這zhe時shi
，發fa生sheng的de信xin號hao就jiu能neng檢jian測ce出chu液ye麵mian位wei置zhi。若ruo在zai不bu同tong高gao度du安an裝zhuang敏min感gan元yuan件jian
，則ze可ke檢jian測ce液ye麵mian的de高gao度du。

光纖傳感器與基於CAN總線網絡組成的油庫油罐的液位、溫度信號實時監測係統設計方案。

監測係統組成。

 
圖5：溫度監控係統設計方案

圖5所示可知，監測係統分別由中央控製式的中央監控單元和現埸采集單元(或數據采集單元)組成。現埸采集單元對油罐的液位、溫度信號進行數據的實時采集，同時完成數據統計、存貯；中央監控單元可以定期或不定期地從現埸采集單元獲取數據並完成圖像監測、數據統計、報表、打印及數據庫管理。而中央監控單元和現埸采集單元之間通過CANzongxianlianjiezaiyiqi

，zaizhegewangluozhong，zhongyangjiankongdanyuanchuyuzhukongweizhi，erxianyicaijidanyuankeyisuishixiangyingzhongyangjiankongdanyuandemingling。qixianyicaijidanyuanyoudanpianji8C552及采集、存儲

、顯示
、遙控和通信模塊組成，每個現埸采集單元可與光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器等16個設備相接。之所以應用CAN總線網絡結構是內由於CAN網絡具有的方便靈活、突出特性
，抗幹擾性、可靠性、實時性等特點。所有的光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器都可以通過一對雙絞線串接在一起，節省了空間
、簡化了布線。

關於數據采集

油罐液位信號的檢測采用光纖液位計。光纖液位計應用於油田油庫處理，主要是依靠光纖本身的某些傳感功能和光傳輸信息的特征：

可以實現非接觸槍測
，對被測對象無幹擾、無汙染
；

實現非電檢測，本質安全，防爆，解決了石油、石化等易燃易爆危險場合多種參量的安全檢測和生產過程
；

具有高精度
、高絕緣性
，抗電磁幹擾、抗雷電幹擾。

采用光纖溫度傳感器(或光纖光柵溫度傳感器更好
，但成本高)，適用於各種惡劣環境的溫度測量
，測量精度高，本身安全防爆，可靠性好、lingmindugao，shilixiangdeyizhongwenduceliangyi。gongzuoshi，guangyuanfachudelianxukuandaiguang
，jingchuanshuguanglanchuansongliangxianchang，ganwentantouneiceliangguangzhaduigaikuandaiguangyouxuanzexingdifanshefuyizhaidaiguang，jingtongyichuanshuguanglanchuansongdaotiaozhijietiaoqi，tongguojieshouxitongjinxingjietiao，cedingzhaidaiguangdezhongxinbochang，congercedingxianchangwendu。

采cai用yong光guang纖xian液ye位wei報bao警jing器qi，該gai光guang纖xian液ye位wei報bao警jing器qi是shi根gen據ju光guang折zhe射she和he反fan射she原yuan理li
，研yan製zhi而er成cheng的de定ding點dian液ye位wei檢jian測ce儀yi器qi，適shi用yong液ye位wei定ding點dian檢jian測ce和he控kong製zhi，耐nai高gao壓ya，抗kang汙wu染ran、安全方便、使用壽命長。

關於軟件，其操作係統可采用Windows糸列平台

；監測軟件可用組態監控軟件。

該監測係統實現自動監測
、顯示
、報警、dayindenggongneng
，weiyoukuguanqudexiandaihuaguanlidaxialejichu。xitongrenjiduihuafangbianjianjie，xitonggouchenglinghuoyikuozhan，xitongkekaoxinggao
，yinggaishuoxitongkekaoxinggao，juyoujiaohaodetuiguangjiazhi。

充分應用CAN網絡和光纖傳感器的特點，將整個係統的擴展-遠程油庫油罐的液位
、溫度信號實時監測係統。

結束語

因yin為wei光guang纖xian傳chuan感gan器qi與yu測ce量liang技ji術shu是shi當dang今jin儀yi器qi儀yi表biao領ling域yu新xin的de發fa展zhan方fang向xiang，其qi測ce量liang用yong的de光guang纖xian傳chuan感gan器qi有you很hen多duo種zhong類lei，有you很hen多duo種zhong工gong作zuo方fang式shi。要yao仔zai細xi地di考kao慮lv項xiang目mu的de具ju體ti的de應ying用yong要yao求qiu
，作zuo好hao選xuan擇ze。