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传感器知识

一、吸收型光纤液位传感器

    吸收型光纤液位传感器的结构由阻抗电容放电电路驱动的两个 LED 产生指数衰减光信号,经耦合器混合后进入两路直径均为 1000μm 的塑料芯光纤,其中一路连接到探测器,另一路作为光 源光纤。

    探测器/反馈电路不仅能使两路光强相等,还用来补偿高电流LED 放大器中和 LED 中的非线性,使每个 LED 输出光强为指数衰减信号,其误差约为 2%。  

    光源光纤将双波长模拟光信号传送到高 25cm、直径为 23cm的燃料容器,保证光纤连接器和光纤弯曲损失所引起的误差最小。在容器底部光纤端传出的光功率约 6μW,通过准直透镜送到装在容 器顶部的探测器电路。光纤的数值孔径(NA=0.53)和透镜的位置 确定了光锥的发散角。当容器不装燃料(空的)时,容器顶部 0.1cm2硅探测器接收的光功率约 40nW。燃料容器顶部的接收器由大面积探测器、放大器和比较器以及与返程光纤相耦合的LED组成,这种接收器电路不易受燃料表面振动的影响。

   吸收型传感器的优点是近红外(925nm)吸收峰值,位于喷气式飞机的燃料光谱内,这是由燃料的碳氢键的振动跃迁引起的。对于大部分上述燃料,近红外(925nm)峰值吸收系数α=0.06cm 。因此,可利用中心频率位于吸收基线(810nm)和近吸收峰 (940nm)的宽带发光二极管(LED)来获得差分吸收系数。光的吸收服从 Beer-Lambert 定律,利用该吸收定律可估算传感器的灵敏度和动态范围。

二、数字编码液位传感器

  实验用数字编码液位传感器为长40cm的6线(64位)结构,源波导是宽25mm厚1mm的耐热玻璃。接收光纤由6根直径为1000μm的梯折折射率硅光纤组成,用环氧树脂将光纤固定起来使其与玻璃基片相距3mm。光纤的裸露表面抛光成“D”形截面。在传感器顶部,这些硅光纤与塑料光纤平接耦合起来,后者将光信号送到探测电路。波导与光纤间的反射阵列由许多位于两塑料片间的细平行反射金属丝组成,金属丝向上反射入射光使源波导与光纤发生耦合。数字掩码是光刻薄膜。波导与光纤间的间隔为3mm,反射器与数字掩码就位于这个空间内。

    传感器光源是激光二极管,功率为 10mW,工作波长 830nm。激光束斩波后经直径为 200μm 的长硅光纤耦合到传感器。由这根光纤传来的光以 45°角耦合到源波导,使达到液面的光较强。每个信道的探测电路由一个硅探测器、运算放大器和工作于斩波频率的带通滤波器组成。电压比较器确定与参考信号相比,信号是“高”还是“低”,然后将所得灰度编码语句送到解码电路,再进行显示。参考光纤与信号光纤所经历的环境条件是相同的,因此传感器的数字输出不受噪声源的影响。 

     数字传感器的正常工作取决于在液体表面两波导间的耦合。如果在两波导间放置一不透明的隔离片,可使给定液位处两波导间的光耦合中断,数字编码液位传感器就是利用这种效应制造的。数字编码传感器的源波导是由塑料制成的平板条形波导,平行于源波导的是一些光纤。在液面离开源波导的光有选择地耦合到相邻的光纤。为了实现有效地光耦合,在源波导与光纤之间装一排反射器。

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