传感与测试技术-光纤传感器.ppt

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1、第六节第六节 光纤传感器光纤传感器基本工作原理：外界环境因素如压力、基本工作原理：外界环境因素如压力、温度、电场、磁场等变化时，将引起光温度、电场、磁场等变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、纤传输的光波量，如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此，如果能测量出光偏振态等变化。因此，如果能测量出光波量变化的大小，就可以知道导致这些波量变化的大小，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。等物理量的大小。光纤光纤光缆直径光缆直径85m 光缆光缆人的头发人的头发Core62.5m 125m 光纤结构光纤结构它由折射率它由折射率

2、n1较大较大(光密介质光密介质)的纤芯，和的纤芯，和折射率折射率n2较小较小(光疏介质光疏介质)的包层构成的双的包层构成的双层同心圆柱结构。层同心圆柱结构。纤芯纤芯包层包层保护套保护套光纤导光原理光纤导光原理 根据几何光学原理，当光线以较小的入射角根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光由光密介质密介质1射向光疏介质射向光疏介质2(即即n1n2)时，则一部分入射时，则一部分入射光将以折射角光将以折射角2折射入介质折射入介质2，其余部分仍以，其余部分仍以1反射反射回介质回介质1。依据光折射和反射的斯涅尔依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有定律，有:当当2=90时，入射时，入射 角角

3、1称为临界角称为临界角c 当当1c时，光线时，光线 发生全反射发生全反射光纤导光原理光纤导光原理光线由折射率为光线由折射率为n0的外界介质射入纤芯时实现的外界介质射入纤芯时实现全反射的临界角全反射的临界角(始端最大入射角始端最大入射角)为为:光纤导光原理光纤导光原理数值孔径：数值孔径：n0sinic，用，用NA表示。当表示。当n0=1时时，sin-1NA=ic即即为为端面入射端面入射临临界角。界角。光光纤纤的数的数值值孔径越大，表明在越大的入射角范孔径越大，表明在越大的入射角范围围内入射的内入射的光光线线均可在光均可在光纤纤界面界面实现实现全反射。全反射。作作为传为传感器的光感器的光纤纤，一般

4、采用，一般采用光纤传感器光纤传感器分类：分类：功能型光纤传感器：功能型光纤传感器：结构型光纤传感器：结构型光纤传感器：功能型光纤传感器功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续的。的。结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器原理在结构型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介在结构型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的质，对外界信息的“感觉感觉”功能是依靠其它功能功能是依靠其它功能元件来

5、完成的。传感器中的光纤是不连续的，其元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。件。光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。性能。光纤温度传感光纤温度传感在电力系统，测定温度、电流等参数。如对高在电力系统，测定温度、电流等参数。

6、如对高压变压器和大型电机的定子、转子的温度检测，压变压器和大型电机的定子、转子的温度检测，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，在这些由于电类传感器易受强电磁场的干扰，在这些场合中只能用光纤传感器。场合中只能用光纤传感器。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播，在传播中的每一光脉冲会沿着光纤向前传播，在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反（亦称为光的方向正好与入射光的方向相反（亦称为“背向背向”）。这种背向反射光的强度与光纤中的）。这种背向反射光的

7、强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度（该点的光纤的环境温度）越高，反射光的度（该点的光纤的环境温度）越高，反射光的强度也越大。强度也越大。光纤传感器的特点光纤传感器的特点光纤传感器具有优良的传光性能，传光损光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。耗小。光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。灵敏度和线性度好。光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。离测量。半导体传感器半导体

8、传感器工作原理：工作原理：半导体材料对光、热、力、半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等量的敏感性。磁、气体、湿度等量的敏感性。分类：分类：磁敏传感器磁敏传感器热敏传感器热敏传感器 气敏传感器气敏传感器湿敏传感器湿敏传感器固态图像传感器固态图像传感器磁敏传感器磁敏传感器霍尔元件霍尔元件：利用霍尔效应的半导体磁电转换：利用霍尔效应的半导体磁电转换元件。元件。霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。上将产生电动势。霍尔效应霍尔效应VHbldIFLFEvB霍尔电势霍尔

9、电势霍尔效应演示霍尔效应演示霍尔元件霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越型半导体材料。霍尔元件越薄薄(d越小越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。左右。应用举例应用举例霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器霍尔转速表霍尔转速表霍尔转速表霍尔转速表S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁无接触式仿型加工无接触式仿型加工磁阻元件（半导体）磁阻元件（半导体）磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应(或称高或称高斯效应斯效应)来工作的。

10、来工作的。磁阻效应：当导体置于磁场中，其电阻会随磁磁阻效应：当导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。场而变化的现象。磁阻效应与材料性质、几何形状有关。迁移率磁阻效应与材料性质、几何形状有关。迁移率越大的材料，磁阻效应越显著。磁敏电阻的长越大的材料，磁阻效应越显著。磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。磁阻位移传感器磁阻位移传感器应用应用磁敏感器：以地球磁场为基准，测量航天器姿磁敏感器：以地球磁场为基准，测量航天器姿态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境态的敏感器。磁强计本身是用来测量空间环境中磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强中

11、磁场强度的。由于地球周围每一点的磁场强度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用度都可以由地球磁场模型事先确定，因此利用航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以航天器上的磁强计测得的信息与之对比便可以确定出航天器相对于地球磁场的姿态。确定出航天器相对于地球磁场的姿态。热敏传感器（半导体）热敏传感器（半导体）热敏传感器：半导体温度传感器，由金属氧化热敏传感器：半导体温度传感器，由金属氧化物物(MnO2、CuO、TiO2)的粉末按一定比例混的粉末按一定比例混合烧结而成，具有很大的负温度系数。电阻合烧结而成，具有很大的负温度系数。电阻-温温度的关系为度的关系为热敏元件及其温度系数热敏元件及其温度系数热

12、敏电阻的特点热敏电阻的特点灵敏度高，可测灵敏度高，可测0.0010.005的微小温度变化的微小温度变化可测微小区域的温度，体积小、热惯性小、响应时间短可测微小区域的温度，体积小、热惯性小、响应时间短室温下的热敏电阻的阻值大，可以忽略导线电阻的影响室温下的热敏电阻的阻值大，可以忽略导线电阻的影响可测的温度范围大（可测的温度范围大（-2001500）非线性大、对环境温度敏感，测量时易受到干扰非线性大、对环境温度敏感，测量时易受到干扰气敏传感器（半导体）气敏传感器（半导体）气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，化锡、氧化锰。当它们

13、吸收了气体烟雾，如一氧化碳、乙醇等时，电阻发生变化。如一氧化碳、乙醇等时，电阻发生变化。特点：特点：灵敏度高、响应快、价格便宜、使用方便灵敏度高、响应快、价格便宜、使用方便气体选择性差，时间稳定度欠佳气体选择性差，时间稳定度欠佳 家用气体报警器家用气体报警器酒精检测仪酒精检测仪 湿敏传感器湿敏传感器湿度：空气中所含的水蒸气的量。湿度：空气中所含的水蒸气的量。原理：半导体材料吸附水后，其导电性能将变化原理：半导体材料吸附水后，其导电性能将变化难点：难点：空气中水蒸气含量要比空气少得多空气中水蒸气含量要比空气少得多液态水会使湿敏材料腐蚀和老化液态水会使湿敏材料腐蚀和老化湿敏器件只能直接暴露于待测环

14、境中，不能密封湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封对湿敏器件要求是在各种气体环境下稳定性好、对湿敏器件要求是在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。度影响小等。电子式湿度计电子式湿度计电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器电容式湿度传感器电容式湿度传感器固态图像传感器固态图像传感器固体图像传感器是一个能把接收到的光像固体图像传感器是一个能把接收到的光像分成许多个小单元（像素），并将他们转分成许多个小单元（像素），并将他们转换为电信号，然后顺序地输送出去的器件。换为电信号，然后顺序地输送出去的器件。核心部分是电荷耦

15、合器件（核心部分是电荷耦合器件（CCD）。）。CCD结构结构金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）并行信号寄存器并行信号寄存器 用于暂时储存感光后产生的电荷用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器串行信号寄存器 用于暂时储存并行积存器的用于暂时储存并行积存器的 模拟信号并将电荷转移放大模拟信号并将电荷转移放大信号放大器信号放大器-用于放大微弱用于放大微弱 电信号电信号成像系统组成成像系统组成UV/white epi illuminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white epi illuminationCCD传感器的应用传感器的应用组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。件损伤、自动焦点等。用作光学信息处理装置的输入环节，例如用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。机器人视觉技术等。作为自动化流水线装置中的敏感器件，作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。车及自动监视装置等。