波长调制型光纤传感器

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光纤传感器的原理是

光纤传感器的原理是

光纤传感器的原理是光纤传感器是一种利用光学原理来进行物体检测和测量的设备。

它利用光纤中的光信号与外界物理量的相互作用,通过测量光的特性变化来获取物理量的信息。

光纤传感器具有高精度、快速响应、不受电磁干扰等优点,广泛应用于工业、生活、医疗等领域。

一、基本原理光纤传感器的基本原理是利用光的传输和载波调制技术。

通常,光纤传感器由光源、光纤、检测元件和信号处理模块组成。

光源产生光信号后,通过光纤传输至检测元件,光信号在物理量作用下发生变化,最后由信号处理模块将光信号转化为电信号输出。

二、工作原理光纤传感器的工作原理可以分为干涉型、散射型和吸收型。

1. 干涉型干涉型光纤传感器利用光的干涉现象来测量物理量。

它通过将光信号分为两个相干波束,一个作为参考光束,另一个经过检测元件后与参考光束发生干涉。

当外界物理量作用于光束时,光的相位和振幅会发生变化,通过测量干涉光信号的强度或相位差,获得物理量的信息。

2. 散射型散射型光纤传感器利用光在纤芯中的散射现象来测量物理量。

它通过纤芯中的光散射来判断外界物理量的变化。

光纤中的散射分为弹性散射和非弹性散射两种,其中弹性散射主要受到光纤材料的缺陷、晶格振动等因素影响,非弹性散射则由于外界物理量的作用引起光纤材料中电子的激发和产生。

通过测量散射光信号的强度、频谱等特性,可以获取物理量的信息。

3. 吸收型吸收型光纤传感器利用光在特定介质中的吸收现象来测量物理量。

它通过在光纤中引入吸收介质,当外界物理量作用于吸收介质时,吸收介质中的光吸收发生变化。

通过测量光的强度变化,可以获得物理量的信息。

三、应用领域光纤传感器在诸多领域有着广泛的应用。

1. 工业领域在工业自动化控制中,光纤传感器可用于测量温度、压力、液位、流量等物理量。

通过光纤传感器的应用,可以实现高精度、实时的物理量检测和测量,从而提高生产效率、保证产品质量。

2. 生活领域光纤传感器在生活中也有着广泛的应用,如煤气检测、火灾报警、安全防范等。

光纤传感器的传光原理

光纤传感器的传光原理

光纤传感器的传光原理
光纤在传输中可以传播多种方式的光波,如单模或多模光纤、光纤光
栅等。

其中,单模光纤由于波长调制调制技术的发展,成为了利用最为广
泛的光纤类型之一。

对于单模光纤中的模式,其传输路径是不同的。

基本上,单模光纤中
只有一个传输模式可以传输,并且沿着单一的轴向传输,它被称为单个轴
模式,也被称为基础模式。

基础模式的传输可以被描述为在整个光纤长度
中发生的相互作用,其中光波被作为一条完整的线路沿着轴向传播。

在光纤中,光与物质之间的交互是通过折射和反射来实现的。

在光纤
传感器中,当光纤传感器的长度发生变化时,光的传输路径也发生变化,
会产生相应的光路差,从而改变光的相位。

相位的改变会导致光强的变化,这就是基于相位敏感的光纤传感器的
工作原理,也被称为干涉型光纤传感器。

在传感器的测试区域内,两个光
纤的光线相遇并创建干涉图案。

当光线的波长很短时,它们将会非常接近,使得干涉图案中呈现出极
为细微的变化。

如果对这种微小变化进行监测,就可以检测出被测量的物
理量的变化。

在光纤传感器的测量中,需要通过多种方式来提高其灵敏度和测量精度。

例如,可以采用微纳加工制备特定结构的光纤,或使用光纤光栅技术,通过改变光纤中的光反射或折射来实现测量物理量。

总之,光纤传感器的传光原理是利用光在传输过程中的相互作用来实
现物理量的测量。

在这个过程中,光波的相位和干涉图案的变化是测量物
理量的关键。

通过不断优化光纤的结构和使用新的技术,光纤传感器在各种应用领域中获得了广泛的应用。

光纤传感器的波长定制

光纤传感器的波长定制

光纤传感器的波长定制
光纤传感器的波长定制是指根据用户的需求,针对不同应用场景,对光纤传感器进行波长定制,以获得更加准确、可靠的测量结果。

一般来说,光纤传感器的波长定制可分为以下几种:
1. 单波长定制:将光纤传感器的操作波长锁定在一个特定波长上,以提高测量精度和稳定性。

常见的单波长定制波长包括850nm、1300nm、1310nm和1550nm等。

2. 双波长定制:将光纤传感器的操作波长设置为两个不同的波长,以进行双波长测量,对一些环境、材料的影响进行更加全面的检测。

3. 多波长定制:将光纤传感器的操作波长设置为不止两个波长,以覆盖更广泛的测量范围和应用场景。

4. 波长范围定制:将光纤传感器的波长范围进行定制,以适应特定应用场景的需要,如红外、紫外等特定波长范围的测量。

光纤传感器基本原理1

光纤传感器基本原理1

式中,a为光纤芯的半径; 第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟(应变效应); 第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟(光隙效应); 第三项表示光纤的半径改变所产生的相位延迟(泊松效应)。
纵向应变引起的相位变化 径向应变引起的相位变化 光弹效应引起的相位变化 一般形式的相位变化
实现纵向、径向应变最简便的方法是采用一个空心的 压电陶瓷圆柱筒(PZT),在这个圆柱筒上缠绕一圈或多圈 光纤,并在其径向或轴向施加驱动信号,由于PZT筒的直 径随驱动信号变化,故缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光 纤承受到应力,光波相位随之变化。
由反射系数的菲涅尔公式知道, 当光波以大于临界面(θc=sin-1n)的θ角 入射到n1、n3介质的界面上时,若n3 介质由于压力或温度的变化引起n3的 微小改变,相应会引起反射系数的变 化,从而导致反射光强的改变,利用 这一原理可以设计出压力或温度传感 器。
5.光吸收系数强度调制
(1)利用光纤的吸收特性进行强度调制 X射线、γ 射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加, 使光纤的输出功率降低,从而构成强度调制辐射量传感器。
1.反射式强度调制
调制机理:输入光纤将光源的光射向被测物体表面,再 从被测面反射到另一根输出光纤中,其光强的大小随被测表 面与光纤间的距离而变化。
▲当d <a/2T,即a>2dT( dT为发射光锥的底面积半径,且T = tg(sin-1NA))时, 耦合进输出光纤的光功率为零; 当d>(a十2r)/2T时,输出光纤与输入光纤的像发出的光锥底端相交,其相交 的截面积恒为πr2,此光锥的底面积为π(2dT)2,故在此范围内间隙的传光系数 为(r/2dT)2; 当a/2T≤d≤(a+2r)/2T时,耦合到输出光纤的光通量由输入光纤的像发出的光 锥底面与输出光纤相重叠部分的面积所决定,重叠部分如下图所示。

光纤传感器及其应用技术

光纤传感器及其应用技术

和民用两大应用领域, 其中包括: 国土安全防卫系统、 大型构件的健康诊断系统、 电力工业的 安全检测系统以及用于石油化工、 生物医学和环境等领域的光纤检测系统。 我国虽然早已 园世纪 苑 园年代末期开始了光纤传感技术的研究工作 , 于圆 但是由于受到制造工艺、 器件和配 园年, 套电子技术的制约, 一直未能进入大规模工程应用阶段。 直到最近 员 随着光纤技术的
光纤传感器及其应用技术
黎敏 摇 廖延彪 摇 编著
武汉大学出版社
内 容 简 介
作为现代传感技术的重要分支,光纤传感技术在许多领域具有替代传统传感器、 弥补 传感领域空白的先天优势。本教材以光纤传感器为核心,着重详细讨论了强度调制型、 相 位调制型、 波长调制型和偏振态调制型四大类型传感器以及分布式光纤传感器的原理 、 技术 — —网络技术和封装技术; 和设计方法; 有选择地介绍了光纤传感的两项核心技术 — 首次将光 — —聚合物光纤传感器、 纤传感最新研究方向新材料光纤传感器 — 光子晶体光纤传感器以及 微米和纳米光电传感器纳入教材。 教材内容覆盖了光纤传感领域的方方面面 ,特别是对传感器的讨论细致、 深入,并列 举了大量的应用设计实例。由于有教学科研的相辅相长,对学科最新技术和进展的介绍全 面、 贴近工程应用实际。可作为电子信息类相关专业的教材,同时对相关领域的科研及实 际工作者了解学科的前沿动态、 启发创新思维有较高的参考价值 。
摇摇员 援 源 援 缘 摇光调制器 ………………………………………………………………………… 源 猿 摇摇员 援 缘 援 员 摇光纤传感器的定义和分类 ……………………………………………………… 源 苑 摇摇员 援 缘 援 圆 摇光纤传感器的特点 ……………………………………………………………… 源 愿 摇习题与思考 ………………………………………………………………………………… 源 愿 园 第 圆章摇强度调制型光纤传感器 …………………………………………………………… 缘 摇圆 援 员 摇摇强度调制传感原理 ………………………………………………………………… 缘 园 摇员 援 缘 摇摇光纤传感器的定义、 苑 分类及特点 ………………………………………………… 源

光纤传感技术研究论文

光纤传感技术研究论文

光纤传感技术研究论文光纤传感技术研究论文范文【论文关键词】:光纤传感器;光纤光栅;光纤传感技术;光纤通信【论文摘要】:介绍了光纤传感器的基本构成及原理,综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展,对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。

1.光纤传感器的基本构成和组成原理光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成,光源发出的光耦合进光纤,经光纤进入调制区,在调治区内,外界被测参数作用于进入调区内的光信号,是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器而获得被测参数,光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成,纤芯和包层具有不同的折射率,树脂涂层对光纤起保护作用,光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤;按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。

光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播,具有感测和传输的双重功能,是一种非常重要的智能材料。

2.光纤传感器的类型及特点光纤传感器的类型很多,按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器,主要使用单模光纤,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点,使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。

因此,这一类光纤传感器又分为光强调制型,偏振态调制型和波长调制型等几种。

对于传感型光纤传感器,由于光纤本身是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器,它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。

在这类传感器中,光纤仅作为传光元件,必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3.光纤传感器的应用光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用,解决了许多行业多年来一直存在的技术难题,具有很大的市场需求。

光纤传感技术全

光纤传感技术全

图10 反射系数式强度型光纤传感器
2021/2/10
某种特选的膨化材料在潮湿的空气中会发生膨胀 并由于附加了水分子而表现出折射率的减小。利用这 种效应,可以制成简单、快速响应和高灵敏度的光纤 湿度传感器。
该种传感器的感 应主部的包层由 PVA, Starch, PVDF三种材料 以3:3:2制成。
2021/2/10
◇对象广泛,可用于所有影响光程的物理量 传感
◇采用单模光纤,获得较好的干涉效应
●几种光纤干涉仪的讨论 根据传统的光学干涉原理,目前已研制成
迈克尔逊式、马赫-泽德式、法布里-珀罗式全 光纤干涉仪以及光纤环形腔干涉仪等,并且都 已用于光纤传感。下面分别予以介绍。
图 基于折射率改变的湿度传感 器的感应主部
2021/2/10
图 感应主部在两种不同的环境中的传光情况
2021/2/10
◎倏逝波耦合调制 如图11所示,d,L或n稍变化,光探测器的接受光 强就有明显的变化。据此,可制成水听器。
2021/2/10
图11 倏逝场光纤传感器
图12所时是透射式光纤受抑全内反射传感器,当 一根光纤固定,另一光纤随外界因素而移动,耦 合效率会随两光纤端面间距而改变,测出光强, 即可求得 光纤端面 位移量的 大小。
§8.2 相位调制型光纤传感器
●传感机理: 通过被测能量场的作用,使能量场中的一段
敏感的单模光纤内传播的光波发生相位的改变, 在用干涉测量技术把相位转换为振幅的变化,从 而还原所监测的物理量。
●主要特点: ◇灵敏度高,可以检测出小至10-7 rad的相位 变化 ◇灵活多样,探头的几何形状可按需要设计
2021/2/10
§8.2 强度调制型光纤传感器
●原理和实现手段 ●光强度的外调制技术 ●光强度的内调制技术 ●补偿技术

传感器与检测技术光纤式传感器

传感器与检测技术光纤式传感器

11光控定位光纤开关——光纤式传感器的测试项目描述•光纤开关与定尺寸检测装置是利用光纤中光强度的跳变来测出各种移动物体的极端位置,如定尺寸、定位、记数等。

特别是用于小尺寸工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。

如图11-1所示,当光纤发出的光穿过标志孔时,若无反射,说明电路板方向放置正确。

•通过本项目的学习。

•主要给大家介绍光纤•式传感器(简称光纤•传感器)工作原理及•相关传感器。

知识准备•光纤传感器的结构和原理•(一)光纤• 1. 光纤结构•光纤透明、纤细,虽比头发丝还细,却具有能把光封闭在其中,并沿轴向进行传播的特征。

中心的圆柱体叫作纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫作包层。

纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。

光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制各种装饰性光导纤维发光二极管产生多上海东方明珠种颜色的光线,通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。

在计算机控制下,可产生动态图案。

光纤的类型阶跃型:光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致,称为多模光纤。

梯度型:梯度型光纤的的折射率呈聚焦型,即在轴线上折射率最大,离开轴线则逐步降低,至纤芯区的边沿时,降低到与包层区一样。

常用光纤类型及参数如表所示。

纤芯直径包层直径 /m m /mm 类型 单模 折射率分布 数孔径 值 2~880~1250.10~0.15 多模阶跃光纤(玻璃)80~200100~2500.1~0.3 多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200~1000230~12500.18~0.50 50~100125~1500.1~0.2 多模梯度光纤2.光纤的传输原理•(1)光的折射定律•当光由光密物质(折射率n)入射至光疏物质(折射率n)时12发生折射光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时,一部分能量反射回原介质;另一部分能量则透过分界面,在另一介质内继续传播。

光的全反射当减小入射角时,进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小,将导致折射波只能在介质分界面上传播。

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0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04
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0.04 0.9
1
1.1
1.2 1.3 1.4 1.5 wavelength(um)
1.6
1.7
150
200 250 300 diameter of the fiber core(um)
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
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。
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。
2
Ultra clean laboratory
3
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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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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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汞包层光波导光纤液位传感器
设计要点:
汞容器材料的选择(铜):确保传动装置能够灵敏的传递 液位变化的信息,并能抵抗很强的压力,汞虽然对铜具有 腐蚀性,但是很快会形成一层汞化铜,形成保护。 液位变化的实时反应(连通器粗端的精密可移动活塞的设 计):实现被测液体与汞的分离,避免其与汞和待测液体 发生反应,活塞移动量由待测液体的液压来控制。 探头体积的减小:在连通器的细端上方进行了密封,避免 汞蒸汽的挥发,同时根据预测液位高度设计细管上方空气 的容积,对减小探头体积非常有益。
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
ATEmn
2 PlTMmn Rs J m 1 ( K cTMmn a) ' 2 PTMmn K z aJ m ( K cTMmn a)
31
信号探测终端
光探测器 10K本振
I/U转换
对数放大 模 /数
10K滤波
整流滤波 比较器
8098微机
光源A/D
32
测试获得的液位与实际液位的关系
1000 900
10 8 6 4
Measured liquid level (cm)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 200 400 600 Actual liquid level H (cm) 800 1000
Zero plane
Hg Heat source
Optical fiber
27
汞包层光波导光纤温度传感器工作原理
设计要点: 基于汞毛细管温度计测温原理:汞泡是 测量探头的探测点, 在毛细管的中心垂 直放置一根裸光纤, 其两端从毛细管中 穿出, 并与普通单模光纤连接。 封装工艺上提出了更高的要求。
350
衰耗系数与入射光波长的关系
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 Length of metal cladding fiber(cm) 60 70
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
35
结 论
汞包层光波导特有的衰耗特性,在光纤传感中具有重要 的作用。 光纤液位传感器,安全、测量精度高, 将计算机与其配 合检测油面高度将会为油库的监测管理现代化提供一条 有效的途径。 光纤温度传感器,探头体积小、重量轻、特性偏差小, 具有优良的转换功能。适用于易燃易爆以及油库等危险 环境的温度测量,有着极大的应用前景。 信号检测系统中,如果选用最好的LD作光源,高灵敏 度的PIN作探测器,采用高精度的电子处理电路,高位 数的A/D变换器等,相对测量精度可达0.02%。
总体设计: 采用信号调制的方法,并加入比较电路,有效消 除测量起始点和外界杂散光的干扰,具有优良的测量重 复性。采用10位A/D转换,相对分辨率0.2%,消除外 界杂散光的高斯噪声干扰,并能实时地对采样数据进 行计算处理,实现六位数码显示。 特点: 该信号检测系统可以实现最小接收光功率为50dBm的微弱光信号检测,分辨率为0.02dB,准确性 好,可靠性高。该检测终端同样适用于其它光通信系 统中微弱光信号的实时、准确测量。
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。
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。
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测试获得的温度与实际温度的关系
终 端 显 示 温 度
实际温度 (℃)
汞包层温度传感器在0~100℃温度范围的测量精 度为0.1℃,理论分析的相对测量精度可达0.02%。
34
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
22
汞包层光波导光纤液位传感器工作原理
Naked fiber P0 Wide duct A A Liquid level H H P1 Hg Thin duct B B
Air
f(x) Modulated optical signal
Detection terminal Comparer
Piston
36
37
400 600 Liquid level H (cm)
800
1000
液位越高,接收到的光功率越小。
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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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汞包层光波导光纤温度传感器工作原理
FC connecter Naked fiber Optical cable Light source and detection terminal
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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。 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。
Delt H (mm)
2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 200 400 600 Actual liquid level H (cm) 800 1000
测试获得的液位10m之内的最大误差为5.2mm, 引起误差的原因很多,例如测试仪表的精度,汞的纯 度等,理论上的最大测试精度可达0.02%。
汞包层光波导长度与光功率衰耗的关系
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
2a 125m,150m,200m
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。
24
液位与接收光功率的关系
0
0
-10
(a)优化设计前
Received power(dBm)
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