光纤传感器设计与应用

强度型光纤传感的补偿特性实验

功能型光纤传感器已逐渐渗透到各研究领域，其应用范围日益广泛。基于补偿式光纤强度传感原理的光纤传感实验系统，它具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，切换方便，应用范围广等特点。

光纤传感设计实验系统可以非常方便的构造反射式光纤微位移传感器，其测量分辨率可以达到数十微米，通过更换不同芯径的光纤或者改变光纤的排列结构，可以进一步提高位移传感器的探测灵敏度；此外，通过巧妙地物理量或者能量转换，还可以测量多种诸如温度、压力、液位、形变等物理量。

一．实验目的

1、了解光纤纤端光场的分布特性，以及光纤强度传感原理；

2、掌握光纤传感器实验系统的基本构造和原理，学习其使用方法。

3、掌握光纤传感器的强度补偿机理及其方法，验证补偿效果。

4、了解温度敏感元件、压力敏感元件的测量原理；

5、掌握光纤传感器设计实验系统的基本构造和原理，学习其使用方法。

6、掌握强度性光纤温度传感器、强度型光纤压力传感器、强度型光纤液位传感器的基本原理和设计方法。

二．实验仪器

光纤传感设计实验系统，补偿式光纤传感探头，光纤位移标定器，遮光罩，光纤温度传感器，光纤压力传感器，光纤液位传感器。

三．实验原理

光纤传感器采用强度型光纤传感的方式，反射式调制原理。反射调制方式的光纤探头由两根光纤组成，一根用于发射光，一根用于接收反射镜的反射光。光源光纤发出的光照射到反射器上，其中一部分反射光由接收光纤接收，通过检测反射光的强度变化，就能测出反射体的位移。

为了减少光强起伏，光纤微弯损耗以及反射面反射率变化所带来的影响，采用一种依赖于双接受光纤的相对光强，而不是单一光纤绝对光强的通用型光纤传感探头。在该设计中，采用了3根大芯径光纤，一字型并排排列，如图1

所示。光通过左边的光纤照射到反射面上。从反射面反射回来的光由光源发射光纤一侧的两接收光纤所接收，这样，反射目标的位移就由两接收光纤所接收到的光强之比来确定。由于这是一个比的过程，因此这种传感技术就是自动补偿了光源强度的变化，输入光纤损耗的变化以及反射面反射率的变化。

就反射式光纤传感器而言，其光强响应特性曲线是这类传感器的设计依据。该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出

r2(r,x)22exp （1） 23/2223/22a0[1(x/a0)]a0[1(x/a0)]I0

式中，I0为由光源耦合入发送光纤中的光强；(r,x)为纤端光场中位置(r,x)处的光通量密度；为一表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，；a0为光纤芯半径； 为与光源种类、光纤的数值孔径及光源与光纤耦合情况有关的综合调制参数。

光 源

探测器探测器图1 三光纤补偿式光纤传感探头结构

如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为

r2I0I(r,x)(r,x)dsexp2ds （2） 2(x)SS(x)

式中

这里，S为接收光面，即纤芯面。 (x)a0[1(x/a0)3/2]

在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为：

SI0r2I(r,x)exp2 （3） 2(x)(x)

为了给出反射接收特性函数，采用等效分析的方法。首先，给出接收光纤关于反射体的镜像，并求出相应镜像坐标值。然后利用光纤接收公式（2）直接计算出该镜像接收光纤在光源光纤纤端光场中所接收到的光强值。最后，将该值乘以反射体的反射率R，作为实际系统的等效结果。如图2所示。

图2 补偿式光纤传感位移测量原理

考虑平行放置的3根光纤与反射面垂直的情况，光纤与反射面之间的距离为x，光源光纤传出的光射向反射面，接收光纤所接收到的由反射面反射回来的光强可表示为

2SRI0d1I1(d1,2x)exp2 (4) 2(2x)(2x)

及

2SRI0d2I2(d2,2x)exp2 (5) 2(2x)(2x)

式中，I1和I2分别近邻接收光纤和次近邻光纤所接收到的光强，d1和d2分别为两光纤到发射光纤轴心间的距离；x是三光纤与反射面之间的距离；I（1d1,2x）

及I2(d2,2x)为两接收光纤输出的特性调制函数，它与光纤芯径、光纤数值孔径及出射光的分布模式有关，如图3（a）所示。S表示光纤接收光面；R为反射面的反射系数。I0为光源耦合到光纤中的光强。于是两接收光强之比为

(d22d12)I2exp （6） 2I1(2x)

式中

(x)a0[1(x/a0)3/2]

（a）两接收光纤输出的位移光强特性曲线

（b）位移与两接收光纤输出光强比值的特性曲线

图3 补偿式光纤传感探头的位移传感特性曲线

式（17）标明，比值I2/I1与距离x，光纤的芯径a0，以及两接收光纤与光源

2d2d12）有关。对于光纤传感器设计系光纤的传输轴之间的距离的平方差（

2统的补偿式传感探头，光纤芯径a01mm，距离平方差d2d123mm2均为

定值，因此I1/I2随位移x单调增加，如图3（b）所示。即比值I2/I1仅是距离x的函数，而与光源的性质，反射体的反射率等因素无关，补偿了上述因素对光强的影响。

1．强度型光纤温度传感器

强度型光纤温度传感器的设计思想是利用光纤传感探头的位移敏感特性，利用温度敏感元件，将温度转化成位移，从而对温度进行测量。最长用的常用的温度—机械量转换元件为双金属片。

双金属片的工作原理是，双金属片在温度改变时，由于热膨胀系数不同，两面的热胀冷缩程度不同，因此在不同的温度下，其弯曲程度发生改变。如图4所示，当双金属片受热变形时， 其端部产生的位移量x由下式给出

Kl2T x （7） h

式中：T——温度变化，l ——双金属片长度，K ——由两种金属热膨胀系数之差、弹性系数之比和宽度比所决定的常数，h ——为双金属片的厚度。

当温度变化时，利用双金属片的反转对称性，将双金属片的弯曲变形转换为自由端的线性位移，从而带动反射镜在水平方向上移动，调制反射接收光纤的光信号。从而实现了反射式光纤温度的测量。

图4 双金属片受热引起形变的示意图

测温基体温度场

图5 双金属片受热引起形变的示意图

2．强度型光纤压力传感器

强度型光纤压力传感器的设计思想是利用光纤传感探头的位移敏感特性，寻找一种压力敏感元件，能够将压力转化成位移，从而对压力进行测量。比较常用的压力—机械量转换元件为膜片、波登管。

C─型波登管式压力表是工业上用得最多最普通的压力表。它具有结构简单、使用方便等特点。可以直接测蒸汽、油、水和气体等介质的压力。这种仪表是根据虎克定律，利用弹性敏感元件受压后产生弹性形变，并将形变转换成位移放大后，用指针指示出被测压力的。当弹簧管受压后，管端的位移量由下式给出

xkP （8）

其中k为一与弹簧管的材料及尺寸有关的系数。

图6 利用光纤传感设计系统构成的压力测量装置示意图

在弹簧管的自由端固接一反射装置，该反射装置的位移与压力关系由式

（8）确定。正对反射装置的反射面，将光纤传感实验仪的双光纤反射探头作为光源和光信号通道，并与光纤定位器一起固定在压力表的壳体上，如图6所示。弹簧管受压力作用时，将发生变形，带动反射器产生一个位移，这样就改变了反射器与光纤之间的距离，从而使光纤接收到的光信号受到调制。通过对光信号大小的检测，便可确定相应压力的大小。

3．强度型光纤液位传感器

利用强度光纤传感原理，可以借助液体高度和的压力的关系，通过压力测量液位，而压力又可以通过角度的转换关系测出。该光纤差动液位的工作原理如图7所示。光纤探头由三根大芯径光纤组成，三光纤沿膜片径向一字排列，中间的光纤为光源光纤，由该光纤传送来的光照射到反射膜片上，反射回来的光由平行放置在光源光纤两侧的光纤接收。弹性反射膜片的四周紧固在壳体中部，两侧对中固接二个性能和尺寸完全相同的弹性波纹管．波纹管直接与压力源相通，在两端压力差作用下，使弹性膜片发生变曲形变，从反射到两接收光纤中的光强，使压力信号转变为光强信号。由于弹性膜片的弯曲倾角由两接收光纤的接收光强之比来确定．因此，当光源强度发生变化时，两接收光纤所接收到的光强值将会发生等比例变化，因而这种传感技术就自动补偿了光源强度的变化、光纤传输过程中的光功率损耗以及反射膜片反射率的变化对传感器的影响。

图7利用光纤传感设计系统构成光纤液位传感器

四．实验内容

1、强度型光纤传感的补偿特性实验

（1）利用光纤传感设计实验系统、光纤传感探头、光纤位移标定器、遮光罩等，构成实验装置。

（2）位移在0~6mm变化时，记录光纤传感探头的两路接收光强以及光强比值，绘制特性曲线，观察其变化趋势，说明特点。

（3）使光纤传感探头与镜面的距离为1mm，2mm，5mm，7mm，10mm时，光强从初始光强，下降到10%时，光强比值与位移的变化趋势，说明特点。

2、光纤温度传感器的测量：

（1）将光纤探头旋入光纤探头接口，在旋入过程中观察“光纤实验设计系统”的数码管示数。当左侧数码管示数由大变小时，将手拧螺丝拧紧，锁紧“光纤探头”；

（2）将温度传感器的加温按钮按下，加温装置启动，，记录温度从700C~350C变化时，光强比值的变化，绘制光纤温度传感器的调制特性曲线

3、光纤压力传感器的测量：

（1）将光纤传感探头插入探头接口中，然后锁紧加压螺丝，通过气囊缓慢的增加压力，同时观察测量主机的光强比值是否随压力变化；并且调整压力探头的插入深度，使压力变化时，光强比值变化最灵敏，锁紧探头锁紧螺丝；

（2）通过气囊增加压力，记录压力在0.9kPa~0.05kPa变化时，光强比值的变化，绘制光纤压力传感器的压力测量特性曲线。

4、光纤液位传感器的测量：

（1）将光纤传感探头插入探头接口中，锁紧加压螺丝，通过气囊缓慢的增加压力，同时观察测量主机的光强比值是否随液位变化；并且调整压力探头的插入深度，使压力变化时，光强比值变化最灵敏，锁紧探头锁紧螺丝。

（2）通过气囊增加压力，记录液位和光强比值的变化，绘制光纤液位传感器的液位测量特性曲线。

五．注意事项：

光纤传感探头勿触碰到镜面。