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光纖傳感器在測量技術(shù)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-06-28

中心議題:

  • 光纖傳感器的特點(diǎn)、組成與類型
  • 測量用的光纖傳感器技術(shù)
  • 光纖傳感器在油庫油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

解決方案:

  • 采用光纖液位器檢測油庫液位信號(hào)
  • 采用光纖溫度傳感器測定現(xiàn)場溫度


由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無法比擬的特點(diǎn),所以近幾年來,光纖傳感器與測量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向,而新型光纖傳感器不外乎有以下特點(diǎn):
a 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能,傳光損耗很小,目前損耗能達(dá)到≤0.2 dB/km的水平。
b 光纖傳感器頻帶寬,可進(jìn)行超高速測量,靈敏度和線性度好。
c 光纖傳感器體積很小,重量輕,能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量。

還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾,抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點(diǎn)。同時(shí),它還便于與計(jì)算機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對(duì)傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)展提高的作用,不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的仟?jiǎng)?wù)。

正是由于光纖傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)勢,可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題,故自從它問世以來,就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。值此,將討論光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用,即油庫油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案。正因該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器。為此先對(duì)此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)作一介紹。

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(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線,通過接口進(jìn)入光纖,然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息,最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成,除光纖之外,還必須有光源和光探測器兩個(gè)重要部件,見圖1所示。

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(shù)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(duì)象調(diào)制或改變光纖的特性,所以只能用單模光纖。

測量用的光纖傳感技術(shù)

光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器

位圖2(a)為半導(dǎo)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(dǎo)纖維裝在細(xì)鋼管內(nèi),光纖兩端面間夾有一塊半導(dǎo)體感溫薄片(如GaAs或InP),這種半導(dǎo)體感溫薄片透射光強(qiáng)隨被測溫度而變化。因此,當(dāng)光纖一端輸入一恒定光強(qiáng)的光時(shí),由于半導(dǎo)體感溫薄片透射能力隨溫度變化,光纖另一端接收元件所接受的光強(qiáng)也隨被測溫度而改變。于是通過測量光探測器輸出的電量,便能遙測到感溫探頭2(b)處的溫度。
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探頭中,半導(dǎo)體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖2(c)所示,當(dāng)溫度升高時(shí),其透過率曲線向長波長方向移動(dòng)。顯然,半導(dǎo)體材料的吸收率與其禁帶寬度Eg有關(guān),禁帶寬度又隨溫度而變化,多數(shù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小,對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)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(dāng)一個(gè)輻射光譜與λg相一致的光源發(fā)出的光,通過此半導(dǎo)體時(shí),其透射光的強(qiáng)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(zhì),只起傳輸光波的作用,對(duì)外界信息的“感覺”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來完成的,因此必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。這樣,傳感器中的光纖中間是中斷的、不連續(xù)的,中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件。

光纖液位傳感器

基于全內(nèi)反射原理,可以設(shè)計(jì)成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成:
a 接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件;
b 傳輸光信號(hào)的雙芯光纖;
c 發(fā)光、受光和信號(hào)處理的接收裝置。

圖3(a)所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號(hào)的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成,故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

光纖液位傳感器的工作原理如圖3(b)所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件,在敏感元件的球面上,有一部分透過,而其余的光被反射回來。當(dāng)敏感元件與液體相接觸時(shí),與空氣接觸相比,球面部的光透射量增大,而反射量減少。因此,由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測定物質(zhì)的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大,反射光量越小。來自敏感元件的反射光,通過傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。敏感元件的反射光量的變化,若以空氣的光量為基準(zhǔn),在水中則為-6--7dB,在油中為-25-30dB??蓪?duì)反射光量差別很大的水和油等進(jìn)行物質(zhì)判別。

光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成的油庫油罐的液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖0所示可知,監(jiān)測系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元(或數(shù)據(jù)采集單元)組成?,F(xiàn)埸采集單元對(duì)油罐的液位、溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,同時(shí)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存貯;中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)埸采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。而中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元之間通過CAN總線連接在一起,在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,中央監(jiān)控單元處于主控位置,而現(xiàn)埸采集單元可以隨時(shí)響應(yīng)中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)埸采集單元由單片機(jī)8C552及采集、存儲(chǔ)、顯示、遙控和通信模塊組成,每個(gè)現(xiàn)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(bào)警器等16個(gè)設(shè)備相接。之所以應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是內(nèi)由于CAN網(wǎng)絡(luò)具有的方便靈活、突出特性,抗干擾性、可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。所有的光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器都可以通過一對(duì)雙絞線串接在一起,節(jié)省了空間、簡化了布線。

油罐液位信號(hào)的檢測采用光纖液位計(jì)

光纖液位計(jì)應(yīng)用于油田油庫處理,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:
a 可以實(shí)現(xiàn)非接觸槍測,對(duì)被測對(duì)象無干擾、無污染;
b 實(shí)現(xiàn)非電檢測,本質(zhì)安全,防爆,解決了石油、石化等易燃易爆危險(xiǎn)場合多種參量的安全檢測和生產(chǎn)過程;
c 具有高精度、高絕緣性,抗電磁干擾、抗雷電干擾。

采用光纖溫度傳感器

適用于各種惡劣環(huán)境的溫度測量,測量精度高,本身安全防爆,可靠性好、靈敏度高,是理想的一種溫度測量儀。工作時(shí),光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光,經(jīng)傳輸光纜傳送量現(xiàn)場,感溫探頭內(nèi)測量光柵對(duì)該寬帶光有選擇性地反射附一窄帶光,經(jīng)同一傳輸光纜傳送到調(diào)制解調(diào)器,通過接收系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào),測定窄帶光的中心波長,從而測定現(xiàn)場溫度。

結(jié)語

因?yàn)楣饫w傳感器與測量技術(shù)是當(dāng)今儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向,其測量用的光纖傳感器有很多種類,有很多種工作方式。要仔細(xì)地考慮項(xiàng)目的具體的應(yīng)用要求,作好選擇。

 

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