光纖在各行各業(yè)的應(yīng)用及光纖傳感器的設(shè)計(jì)

崔中慧

摘 要：光纖在石油探測(cè)器方面，油中含水檢測(cè)傳感器及測(cè)量裝置，及油、氣、水、油水界面都廣泛的應(yīng)用光纖技術(shù)。文章闡述了光纖的基本原理、光纖的特性，光纖在石油、機(jī)械、醫(yī)療、制造等各行各業(yè)的應(yīng)用。石油檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)；差動(dòng)式光纖光柵壓力表設(shè)計(jì)，其中油水氣三項(xiàng)流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)是一場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的革命。

關(guān)鍵詞：光纖；傳感器設(shè)計(jì)；應(yīng)用

光在光纖行業(yè)中傳播的基本原理，光纖分為單膜光纖及多膜光纖，單膜光纖非常細(xì)：5～10μm，而且傳遞的模式多，折射率分布不一樣，光走的方向不同。光纖的特性：波長(zhǎng)與光路垂直方向散發(fā)能量最小干涉型用單膜光纖包括電氣特性，物質(zhì)特性，結(jié)合特性及其圖像特性。

光纖應(yīng)用于石油探測(cè)器方面，油中含水檢測(cè)傳感器及測(cè)量裝置，及油、氣、水，及油水界面部都廣泛的應(yīng)用光纖技術(shù)。例如立式罐光源電路；光纖光柵壓力表利用LED探測(cè)器PIN。臥式罐激光器電路原理，當(dāng)激光器發(fā)光的光強(qiáng)提高，探測(cè)器接收的光強(qiáng)增加。強(qiáng)度型光纖傳感器應(yīng)用中國(guó)石油行業(yè)，測(cè)油罐的工作溫度，它的工作條件，抗震且耐腐蝕，不受油罐中雜質(zhì)的影響，并能自動(dòng)清除雜質(zhì)，且溫度誤差修正為正負(fù)1攝氏度。反射式光纖傳感器也應(yīng)用于加油站貯罐檢測(cè)系統(tǒng)。

光纖應(yīng)用于各種傳感器的設(shè)計(jì)中，光纖光柵壓力表，差壓傳感器。汽車(chē)水箱溫度報(bào)警器差壓式光纖光柵壓力表，利用的不是差壓光纖光柵壓力表，是質(zhì)量密度，重力加速度的概念，必須測(cè)溫度，校正質(zhì)量密度求出Gt，比重計(jì)直接測(cè)出Gt，初始安裝的位置表示兩種液體的界面，表示液位的變化值。液體的分界面測(cè)量原理（利用壓差表，壓力表，正負(fù)壓室及受力狀態(tài)）。例如大慶某公司利用的壓力表流量計(jì)。

光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用于家用燃?xì)鈭?bào)警器，其檢測(cè)對(duì)象：人工煤氣、天然氣、液化石油氣，一氧化碳?xì)饧安煌耆紵a(chǎn)物，主要功能是聲光報(bào)警，故障診斷報(bào)警，報(bào)警輸出控制主要利用單膜光纖及耦合器電源等等。

光纖適用于儀表技術(shù)；電膜測(cè)與儀表，傳感器技術(shù)等。它的精度非常高。向各行各業(yè)提供測(cè)量?jī)x器。光纖技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于服裝鞋帽等，其中包括鞋業(yè)制造，測(cè)量等。光纖還適用于機(jī)械行業(yè)中。比如測(cè)量?jī)?nèi)螺紋垂直度，表面粗糙度。在醫(yī)療，計(jì)劃生育，美容及化妝品行業(yè)得到廣泛利用。

根據(jù)國(guó)內(nèi)單模的光纖可以拉，多模的光纖不能拉，所以，一般敏感型選擇單模的光纖，依據(jù)光纖的特性：傳輸特性，波長(zhǎng)，光斑尺寸，激光傳播的距離，垂直方向損耗最小，是用透鏡無(wú)法比的，而且光纖越粗損耗越大，電絕緣，不受磁場(chǎng)干擾，耐高壓及核輻射。光纖的物質(zhì)特性抗拉（2公斤），彎曲不折（環(huán)境：-20至100度）特性不改變，結(jié)合的特性；光纖有接頭，有耦合和電纜一樣，溫度敏感光纖，壓力敏感光纖，應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)防盜、文物保護(hù)、國(guó)家機(jī)密、銀行、證券、大型商場(chǎng)、航空航天等行業(yè)。

圖像的特性，解決了機(jī)械行業(yè)的小孔測(cè)量問(wèn)題，內(nèi)螺紋測(cè)量問(wèn)題，利用光纖技術(shù)做防水人體秤、彩票機(jī)、用光纖制造公路鐵路與交通部門(mén)聯(lián)系，光纖的優(yōu)點(diǎn)是省電。

反射式光纖傳感器的總體應(yīng)用；加油站儲(chǔ)罐檢測(cè)系統(tǒng)，接觸介質(zhì)材料熔化液體加保護(hù)套不銹鋼，接口尺寸；徑向；應(yīng)用于臥式罐檢測(cè)系統(tǒng)，加油站檢測(cè)壓力傳感器。利用光纖理論、光纖排列、結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成。

光纖的排列誤差，帶來(lái)系統(tǒng)誤差靠標(biāo)定，分別對(duì)幾個(gè)溫度量及幾個(gè)壓力值進(jìn)行運(yùn)算。

光纖傳感器：干涉型的百分之三十應(yīng)用于工業(yè)。光強(qiáng)型：形成產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)力，馬赫干涉儀；光纖陀螺儀和制導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用；利用溫度，容量、過(guò)程控制，它用于國(guó)防科技。光纖科技應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上也是很常見(jiàn)的，用于計(jì)劃生育、優(yōu)生、優(yōu)育；用光纖小鏡檢測(cè)準(zhǔn)備懷孕的婦女排卵是否健康。光纖測(cè)量應(yīng)用于鞋業(yè)制造、制衣等行業(yè)；可測(cè)量出人腳的每一個(gè)截面的尺寸組合起來(lái)組成一個(gè)曲面、準(zhǔn)確的做出鞋來(lái)。例如：內(nèi)高跟鞋等等。制衣也同上理論，可以做立體設(shè)計(jì)、裁剪。

單光源推動(dòng)多回路參數(shù)巡回檢測(cè)：光耦合器——光纖——光耦合器——激光光源115/系列差動(dòng)電容——微功耦合電路——LED——O/E——計(jì)算機(jī)——為PPM調(diào)制系統(tǒng)。

光纖鏈、光纖通信、光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與信息傳輸?shù)膽?yīng)用；光纖鏈：由信息采集E/O、信息傳輸OF、信息處理OE組成；分為單功能、雙功能。

光纖總線：本地監(jiān)控中心——過(guò)程控制中心——分控中心——隨時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。建設(shè)總線程序包括任務(wù)來(lái)源、設(shè)計(jì)階段、施工圖紙、準(zhǔn)備階段、施工階段、竣工階段。

1 光纖傳感器的設(shè)計(jì)

油中含水檢測(cè)傳感器及測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)主要包括含油多少、含氣多少，若油含水百分之二或者含水更多就擊穿了，油、水、氣三相流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)是一場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的革命。

濃度計(jì)：光纖濃度計(jì)的設(shè)計(jì)：反射式：利用給的后像散射原理，相變點(diǎn)隨液體性質(zhì)而改變、根據(jù)不同的液體：一個(gè)探頭一探，就知道油、氣、水，油水界面（應(yīng)用光纖）用什么方法檢測(cè)油包水或水包油呢利用光纖界面、角位移；線位移變成角位移，軸帶著碼盤(pán)運(yùn)動(dòng)。

2 差動(dòng)式光纖光柵壓力表設(shè)計(jì)

2.1 差壓式傳感器

模合位移：50·40·4=8000（8米）

50·40·5MM加0、01的壓力模合位移0、5%；

2.2 光編機(jī)O/E、E/O

2.3 計(jì)算機(jī)、單片機(jī)

差壓的概念：P1>P2，壓力P=BGH B：密度 G：重力加速度 H：液位 用三塊表求出液位。

H=（P1-P3/P1-P2）BG P=BGH □P=（P1-P2）=BGH

h=（P1-P3）/（P1-P2）

光纖光柵壓力表（與大氣壓或壓差A(yù)P）

顯示壓力值P1、、、、、、Pn（實(shí)測(cè)值）

顯示溫度值T1、、、、、、Tn（實(shí)測(cè)值）

計(jì)算體積：Vt=質(zhì)量/體積·密度=M/GT M=Vt[1-r/B20（t-20）]B20F 則M=VtGt

式中：M-液體石油產(chǎn)品在空氣中的重量；B20-液體石油產(chǎn)品在20度時(shí)的密度；r-液體石油產(chǎn)品溫度系數(shù)；Vt-液體石油產(chǎn)品在20度時(shí)的體積；Gt-液體石油產(chǎn)品在t度時(shí)單位體積的重量；F-在真空中質(zhì)量換算成空氣中重量的換算系數(shù)。H=P/Gt+h0（初始電裝位移）。

反射式光纖傳感器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：臥式罐檢測(cè)系統(tǒng)，加油站檢測(cè)壓力傳感器：光纖排列光橋理論，啟動(dòng)LED1工作PD1、PD2全收到信號(hào)。

啟動(dòng)LED2： X1=P1·K1·I2·M2 Y1=P1·K1·I11·M1

得出兩個(gè)電流和兩個(gè)透射率，P1D1發(fā)射的光要耦合到PD2的上面

X2=P2·K2·I22·M2 Y2=P2·K2·I12·M1 S=X1·Y2/Y1·X2=P1·K1·I21·M2·P2·K2·I12·M1/P1·K1·I11·M1·P2·K2·I22·M2=I21·I12/I11·I22

分別對(duì)四個(gè)溫度量及四個(gè)壓力值進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，光纖可以在石油、機(jī)械、醫(yī)療、制造等各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。其中在油水氣三項(xiàng)流傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中產(chǎn)生一場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的革命。