教学设备传感技术研究：光纤传感器

◆孙永伟

作者：孙永伟，中学一级教师，山东理工大学机械学院在职硕士，山东省淄博市工业学校从事机电教学与研究（255400）。

学校新购置的教学设备（如数控机床）先进，精度高，很多方面都用到信息采集处理方面的新技术，很多教育工作者对该方面了解很少。本文重点叙述新设备中用到的一项新技术产品——光纤传感器。光传感是20世纪70年代发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，影响越来越明显。光纤传感器的优点是体积小，可塑性强，灵敏度高，质量轻，不受电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘及防爆性好，易于微机连接，便于遥控。本文重点论述光纤传感器在工业设备中的应用。

1 光传感器与普通电类传感器的不同

从表1中看出，光纤传感器与电类传感器的调制参量、敏感材料、传输信号、传输介质都有本质区别。电类传感器易受干扰、精度不高、线性不好，阻碍了传感器的应用，光纤传感器则弥补了电类传感器的这些缺点。

表1

2 光纤传感器由于它的独特性而受到广泛的重视，其应用正在逐步发展

下面介绍几种常见的用途。

光纤传感器用在易燃易爆的场合 如图1所示，在各类油罐、压力容器等易燃易爆场合，传感器采集的数据通过光纤传递计算机，之间没有了电的联系，杜绝了因测量带来的安全隐患。

光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用 如图2所示，在高电压、强电磁干扰、微波设备上，通过光的传输把被测参数传递给计算机，解决了因高电压不易测量，强磁场、微波易干扰测量误差大的难题。

图1

图2

图3

光纤传感器在实时在线监测中的应用 如图3所示，传统的光谱仪测量，监测时先取样，再送检，不能实时监测被测物质的状态，且费时费力。采用光纤传感器测量，直接把测量的数据通过光纤光谱仪，直接读出数据。

图4

3 光纤传感器的分类

主要分为两大类：一类是传输型，该类光纤只传递信号，不起敏感作用；另一类是传感型，该类光纤既传递信号，又是敏感元件。

传输型 如图4所示，光纤只起到传递信号的作用，特点是传输量大、传输距离远、不怕电磁干扰、接口方式灵活。

传感型 该类用途较广，下面逐一介绍。

1）光纤转速传感器（图5）。工作原理是LED发射光信号至齿轮，齿轮的转动反射形成方波信号传至PIN，PIN转换成电信号随之改变，这样就可以根据方波频率信号计算出反射面转动齿轮时速度。

2）点式光纤液位传感器（图6）。该设备使用于高低液位控制。光纤液位传感器LED发射出来的光到达液体表面，液体表面的光一部分透过，而其余的光被反射回来。光纤与液体表面的距离不同，发射的光不同，距离越近发射的光越大，反射的光到PIN转变成随光纤信号变化的电信号到控制电路，根据要求作出相应的控制。

3）光纤阀位回讯器（图7）。光纤阀位回讯器是由LED发出的光进入光纤，通过一组凸透镜射向反光镜，反光镜将光束按原路返回，经反射回来的光信号回到光敏管PIN转换成电信号。在透镜与反射镜之间，安装一个随阀门状态移动的阻光物体，即可通过光的“通/断”获得阀位回讯信号控制阀门的开启。

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

4）光纤温度传感器分阻光型、折光型和光谱型。阻光型（图8）是在光纤上加装敏感元件 砷化镓构成新型传感器的传输型传感器；折光型（图9）和光谱型（图10）是利用光纤本身具有的敏感功能而使光纤起到测量温度的作用，光纤既感知信息，又传递信息。

5）光纤气体成分传感器（图11）。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，LED发射的光到达测定区域后，光源的发射谱只有在与气体吸收重叠的部分才产生吸收，吸收后光强的变化转变成随之的电信号，处理后就可以测出气体的成分。

6）反射式光纤位移传感器。如图12所示，根据被测目标距离不同，表面反射回来的光也不同，来测量被测物体的位移。该设备可用于数控机床测量工件的位移。图13所示为光纤位移传感器的位移—输出信号曲线：在前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量，适合0～5 mm内测量。在后坡区，信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。

4 小结

科学技术的发展促进了科学水平的不断提高，推动了生产的自动化。自动化程度愈高，系统对传感技术依赖性就愈大。以上介绍的新型传感器应用只限测量微米级的系统，要检查纳米级系统，就要用激光监测。