波长调制型光纤传感器剖析
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0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 w avelength(um)
衰耗系数与入射光波长的关系
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
100
150
200
250
300
350
diameter of the fiber core(um)
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。
21
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。
22
汞包层光波导光纤液位传感器工作原理
Modulated optical signal
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。
(K
cTMmna)
ATEmn
PlTEmn 2 PTEmn
aRs
K
4 cTEmn
m2 K z
1
m
2
K
2 z
K
a 4
cTEmn
2
12
汞包层光波导的特性
第六步：获得功率衰减常数(其中，Z为波导长度，Pi为 光纤的输入光功率，PO为光纤的输出光功率，Li为第i 个TE模或TM模的功率占总功率的比重系数 dB/mm):
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。
14
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
60
70
Length of metal cladding fiber(cm)
汞包层光波导长度与光功率衰耗的关系
2a 125m,150m,200m 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。
15
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。
2
Ultra clean laboratory
3
4
wenku.baidu.com
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
5
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
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
PlTMmn 2 PTMmn
Rs
J
2 m1
(
K
cTMmna)
K
z
aJ
' m
10
汞包层光波导的特性
第一步：假定波导的金属壁面是完纯的，计算完纯波导 壁情况下，同轴波导中TM波和TE波的各场分量分布。
第二步：由场分布获得壁面表面电流密度的大小。
第三步：根据计算获得的表面电流密度和壁面电阻，获 得TM波与TE波的损耗功率。
第四步：获得金属包层波导中TM波与TE波的传输功 率。
16
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
17
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 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。
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
9
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。
通过数值解法，即可获得不同参数
1Z情常0 况l数g 下。PPoi ，汞1Z0包lg层Pi光ePi波2AZ导的20功lg率e衰减Li Ai
13
汞包层光波导的特性
attenuation(dB/mm) attenuation(dB/mm)
0.16 0.14 0.12
0.1 0.08 0.06 0.04
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
19
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。
20
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。
衰耗系数与入射光波长的关系
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
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0.04
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0.02
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200
250
300
350
diameter of the fiber core(um)
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。
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汞包层光波导光纤液位传感器工作原理
Modulated optical signal
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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。
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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。
(K
cTMmna)
ATEmn
PlTEmn 2 PTEmn
aRs
K
4 cTEmn
m2 K z
1
m
2
K
2 z
K
a 4
cTEmn
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汞包层光波导的特性
第六步：获得功率衰减常数(其中，Z为波导长度，Pi为 光纤的输入光功率，PO为光纤的输出光功率，Li为第i 个TE模或TM模的功率占总功率的比重系数 dB/mm):
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
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loss(dB)
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-10
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10
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Length of metal cladding fiber(cm)
汞包层光波导长度与光功率衰耗的关系
2a 125m,150m,200m 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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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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Ultra clean laboratory
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wenku.baidu.com
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
PlTMmn 2 PTMmn
Rs
J
2 m1
(
K
cTMmna)
K
z
aJ
' m
10
汞包层光波导的特性
第一步：假定波导的金属壁面是完纯的，计算完纯波导 壁情况下，同轴波导中TM波和TE波的各场分量分布。
第二步：由场分布获得壁面表面电流密度的大小。
第三步：根据计算获得的表面电流密度和壁面电阻，获 得TM波与TE波的损耗功率。
第四步：获得金属包层波导中TM波与TE波的传输功 率。
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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 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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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。
通过数值解法，即可获得不同参数
1Z情常0 况l数g 下。PPoi ，汞1Z0包lg层Pi光ePi波2AZ导的20功lg率e衰减Li Ai
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汞包层光波导的特性
attenuation(dB/mm) attenuation(dB/mm)
0.16 0.14 0.12
0.1 0.08 0.06 0.04
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
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Key Lab of all Optical Network & Advanced Telecommunication Network, Ministry of Education, China
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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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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。