0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04
0.12
0.1
0.08
0.06
0.03 0.02 100
0.04 0.9
1
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5 wavelength(um)
1.6
1.7
150
200 250 300 diameter of the fiber core(um)
包层长度灵活可变的小探头光纤传感器
裴 丽
北京交通大学全光网与现代通信网教育部 重点实验室 2010-07-02
1
Key Lab of all Optical Network & Advanced Telecommunication Network, Ministry of Education, China
6
前 言
光纤传感器是光、电子技术的新 结晶，它具有抗化学腐蚀，精确度高、 电绝缘、抗电磁干扰、可用在有毒有 害、强电磁干扰等恶劣环境中等常规 传感器无法比拟的优点。在科研、工 业、特别是国防等广阔领域中存在着 巨大的应用潜力。
7
前言 利用汞包层光波导作探头的光纤 液位传感器和光纤温度传感器，它的 突出特点是探头线性度好，强度调制， 测量动态范围大，精确度高，结构简 单，性能可靠，使用安全。在油库的 液位和温度测量中存在着巨大的应用 前景。
8
目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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汞包层光波导的特性
汞是唯一在常温下呈液 态的金属，由于金属导体的 电导率很大，而且由于电磁 波在金属表面发生强烈的反 射，进入导体的能量远小于 入射波的能量，其结果是金 属表面的电场切向分量很小， 因此在求解汞包层光波导中 的场分布时，如果把金属表 面用完纯导体代替并不会引 起显著的误差, 而计算却得到 简化。
2
Ultra clean laboratory
3
4
目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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汞包层光波导光纤液位传感器
设计要点：
汞容器材料的选择（铜）：确保传动装置能够灵敏的传递 液位变化的信息，并能抵抗很强的压力，汞虽然对铜具有 腐蚀性，但是很快会形成一层汞化铜，形成保护。 液位变化的实时反应（连通器粗端的精密可移动活塞的设 计）：实现被测液体与汞的分离，避免其与汞和待测液体 发生反应，活塞移动量由待测液体的液压来控制。 探头体积的减小：在连通器的细端上方进行了密封，避免 汞蒸汽的挥发，同时根据预测液位高度设计细管上方空气 的容积，对减小探头体积非常有益。
11
汞包层光波导的特性
第五步：获得金属包层光波导的衰减常数, 设Ai为第i 个 TE模或TM模单独传输时的衰减常数(Jm+1为m+1阶贝 塞尔函数；Jm’为阶贝塞尔函数的导数；Kz为传输常数 的Z向分量) 。可得：
ATMmn
ATEmn
2 PlTMmn Rs J m 1 ( K cTMmn a) ' 2 PTMmn K z aJ m ( K cTMmn a)
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信号探测终端
光探测器 10K本振
I/U转换
对数放大 模 /数
10K滤波
整流滤波 比较器
8098微机
光源A/D
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测试获得的液位与实际液位的关系
1000 900
10 8 6 4
Measured liquid level (cm)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 200 400 600 Actual liquid level H (cm) 800 1000
Zero plane
Hg Heat source
Optical fiber
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汞包层光波导光纤温度传感器工作原理
设计要点： 基于汞毛细管温度计测温原理：汞泡是 测量探头的探测点, 在毛细管的中心垂 直放置一根裸光纤, 其两端从毛细管中 穿出, 并与普通单模光纤连接。 封装工艺上提出了更高的要求。
350
衰耗系数与入射光波长的关系
衰耗系数与波导芯子直径的关系
汞包层光波导芯径一定的情况下，随着传输 光波长的增加，衰耗系数减小；波长一定的情况 下，波导越细，则衰耗系数越大。
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汞包层光波导的特性
70 60 50 40
loss(dB)
30 20 10 0 -10 0 10 20 30 40 50 Length of metal cladding fiber(cm) 60 70
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目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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基于连通器原理的光纤液位传感器
液位传感器按照探头的工作原理主要 分为三大类： 浮筒类 电子类 液压类
18
基于连通器原理的光纤液位传感器
浮筒类液位传感器
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结 论
汞包层光波导特有的衰耗特性，在光纤传感中具有重要 的作用。 光纤液位传感器，安全、测量精度高, 将计算机与其配 合检测油面高度将会为油库的监测管理现代化提供一条 有效的途径。 光纤温度传感器，探头体积小、重量轻、特性偏差小， 具有优良的转换功能。适用于易燃易爆以及油库等危险 环境的温度测量，有着极大的应用前景。 信号检测系统中，如果选用最好的LD作光源，高灵敏 度的PIN作探测器，采用高精度的电子处理电路，高位 数的A/D变换器等，相对测量精度可达0.02%。
总体设计: 采用信号调制的方法，并加入比较电路，有效消 除测量起始点和外界杂散光的干扰,具有优良的测量重 复性。采用10位A/D转换，相对分辨率0.2%，消除外 界杂散光的高斯噪声干扰，并能实时地对采样数据进 行计算处理，实现六位数码显示。 特点： 该信号检测系统可以实现最小接收光功率为50dBm的微弱光信号检测，分辨率为0.02dB，准确性 好，可靠性高。该检测终端同样适用于其它光通信系 统中微弱光信号的实时、准确测量。
特点：利用传动装置把与液位同高度的浮筒高 度信息转换成脉冲或连续信号进行检测，其可 以进行连续测量。
不足：积聚在传动机械臂上的污物会限制浮筒 运动，从而产生故障。
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基于连通器原理的光纤液位传感器
电子类液位传感器 电容式液位计: 结构简单， 但由于对电缆中的干扰和寄 生电容很敏感，精度较差。 电阻式液位计：测量精度 受液体污染情况的影响很大， 易产生错误，且响应速度慢。
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测试获得的温度与实际温度的关系
终 端 显 示 温 度
实际温度 (℃）
汞包层温度传感器在0~100℃温度范围的测量精 度为0.1℃，理论分析的相对测量精度可达0.02%。
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目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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汞包层光波导光纤液位传感器工作原理
Naked fiber P0 Wide duct A A Liquid level H H P1 Hg Thin duct B B
Air
f(x) Modulated optical signal
Detection terminal Comparer
Piston
36
37
400 600 Liquid level H (cm)
800
1000
液位越高，接收到的光功率越小。
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目 录
前言 汞包层光波导的特性 基于连通器原理的光纤液位传感器 基于汞毛细管温度计测温原理的光纤 温度传感器 信号探测终端 结论
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汞包层光波导光纤温度传感器工作原理
FC connecter Naked fiber Optical cable Light source and detection terminal
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基于连通器原理的光纤液位传感器
液压类液位传感器
气泡式液位计、差压式液 位计-将被测液位值转换成空 气压力值，通过测定压力大 小获得液位，不足是检测方 式十分复杂。 膜式液位计-通过测量薄膜 受力来检测液位信息，其安 装简单，但是测量范围很小。
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基于连通器原理的光纤液位传感器
光纤液位传感器用光而不是 用电作为敏感信息的载体，用光 纤而不用金属导线来传递敏感信 息，具有常规传感器无法比拟的 诸多优点。
Delt H (mm)
2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 200 400 600 Actual liquid level H (cm) 800 1000
测试获得的液位10m之内的最大误差为5.2mm， 引起误差的原因很多，例如测试仪表的精度，汞的纯 度等，理论上的最大测试精度可达0.02%。
汞包层光波导长度与光功率衰耗的关系
功率衰减常数分别为0.095dB/mm， 0.088dB/mm和0.06dB/mm。即波导直径和光波长一定的情况下，汞 包层光波导引起光功率的衰耗随着波导的长度增加作线性增加。
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2a 125m,150m,200m
汞包层光波导的特性
以汞为包层的光波导具有很好的 衰减特性，且包层的液体汞长度 灵活可变，因此将外界参量的变 化通过汞包层光波导的长度变化 来体现，测量光功率的改变，即 可得出待测量。
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液位与接收光功率的关系
0
0
-10
(a)优化设计前
Received power(dBm)