教學(xué)設(shè)備傳感技術(shù)研究：光纖傳感器

◆孫永偉

作者：孫永偉，中學(xué)一級(jí)教師，山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院在職碩士，山東省淄博市工業(yè)學(xué)校從事機(jī)電教學(xué)與研究（255400）。

學(xué)校新購置的教學(xué)設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床）先進(jìn)，精度高，很多方面都用到信息采集處理方面的新技術(shù)，很多教育工作者對該方面了解很少。本文重點(diǎn)敘述新設(shè)備中用到的一項(xiàng)新技術(shù)產(chǎn)品——光纖傳感器。光傳感是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的，影響越來越明顯。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，可塑性強(qiáng)，靈敏度高，質(zhì)量輕，不受電磁干擾，耐腐蝕，電絕緣及防爆性好，易于微機(jī)連接，便于遙控。本文重點(diǎn)論述光纖傳感器在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用。

1 光傳感器與普通電類傳感器的不同

從表1中看出，光纖傳感器與電類傳感器的調(diào)制參量、敏感材料、傳輸信號(hào)、傳輸介質(zhì)都有本質(zhì)區(qū)別。電類傳感器易受干擾、精度不高、線性不好，阻礙了傳感器的應(yīng)用，光纖傳感器則彌補(bǔ)了電類傳感器的這些缺點(diǎn)。

表1

2 光纖傳感器由于它的獨(dú)特性而受到廣泛的重視，其應(yīng)用正在逐步發(fā)展

下面介紹幾種常見的用途。

光纖傳感器用在易燃易爆的場合 如圖1所示，在各類油罐、壓力容器等易燃易爆場合，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過光纖傳遞計(jì)算機(jī)，之間沒有了電的聯(lián)系，杜絕了因測量帶來的安全隱患。

光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場干擾場合的應(yīng)用 如圖2所示，在高電壓、強(qiáng)電磁干擾、微波設(shè)備上，通過光的傳輸把被測參數(shù)傳遞給計(jì)算機(jī)，解決了因高電壓不易測量，強(qiáng)磁場、微波易干擾測量誤差大的難題。

圖1

圖2

圖3

光纖傳感器在實(shí)時(shí)在線監(jiān)測中的應(yīng)用 如圖3所示，傳統(tǒng)的光譜儀測量，監(jiān)測時(shí)先取樣，再送檢，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測被測物質(zhì)的狀態(tài)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用光纖傳感器測量，直接把測量的數(shù)據(jù)通過光纖光譜儀，直接讀出數(shù)據(jù)。

圖4

3 光纖傳感器的分類

主要分為兩大類：一類是傳輸型，該類光纖只傳遞信號(hào)，不起敏感作用；另一類是傳感型，該類光纖既傳遞信號(hào)，又是敏感元件。

傳輸型 如圖4所示，光纖只起到傳遞信號(hào)的作用，特點(diǎn)是傳輸量大、傳輸距離遠(yuǎn)、不怕電磁干擾、接口方式靈活。

傳感型 該類用途較廣，下面逐一介紹。

1）光纖轉(zhuǎn)速傳感器（圖5）。工作原理是LED發(fā)射光信號(hào)至齒輪，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)反射形成方波信號(hào)傳至PIN，PIN轉(zhuǎn)換成電信號(hào)隨之改變，這樣就可以根據(jù)方波頻率信號(hào)計(jì)算出反射面轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪時(shí)速度。

2）點(diǎn)式光纖液位傳感器（圖6）。該設(shè)備使用于高低液位控制。光纖液位傳感器LED發(fā)射出來的光到達(dá)液體表面，液體表面的光一部分透過，而其余的光被反射回來。光纖與液體表面的距離不同，發(fā)射的光不同，距離越近發(fā)射的光越大，反射的光到PIN轉(zhuǎn)變成隨光纖信號(hào)變化的電信號(hào)到控制電路，根據(jù)要求作出相應(yīng)的控制。

3）光纖閥位回訊器（圖7）。光纖閥位回訊器是由LED發(fā)出的光進(jìn)入光纖，通過一組凸透鏡射向反光鏡，反光鏡將光束按原路返回，經(jīng)反射回來的光信號(hào)回到光敏管PIN轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在透鏡與反射鏡之間，安裝一個(gè)隨閥門狀態(tài)移動(dòng)的阻光物體，即可通過光的“通/斷”獲得閥位回訊信號(hào)控制閥門的開啟。

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13

4）光纖溫度傳感器分阻光型、折光型和光譜型。阻光型（圖8）是在光纖上加裝敏感元件 砷化鎵構(gòu)成新型傳感器的傳輸型傳感器；折光型（圖9）和光譜型（圖10）是利用光纖本身具有的敏感功能而使光纖起到測量溫度的作用，光纖既感知信息，又傳遞信息。

5）光纖氣體成分傳感器（圖11）。每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，LED發(fā)射的光到達(dá)測定區(qū)域后，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)變成隨之的電信號(hào)，處理后就可以測出氣體的成分。

6）反射式光纖位移傳感器。如圖12所示，根據(jù)被測目標(biāo)距離不同，表面反射回來的光也不同，來測量被測物體的位移。該設(shè)備可用于數(shù)控機(jī)床測量工件的位移。圖13所示為光纖位移傳感器的位移—輸出信號(hào)曲線：在前坡區(qū)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非常快，這一區(qū)域可以用來進(jìn)行微米級(jí)的位移測量，適合0～5 mm內(nèi)測量。在后坡區(qū)，信號(hào)的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。

4 小結(jié)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)水平的不斷提高，推動(dòng)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。自動(dòng)化程度愈高，系統(tǒng)對傳感技術(shù)依賴性就愈大。以上介紹的新型傳感器應(yīng)用只限測量微米級(jí)的系統(tǒng)，要檢查納米級(jí)系統(tǒng)，就要用激光監(jiān)測。