7_4光纤传感器.ppt

—传感器与检测技术— —传感器与检测技术— —传感器与检测技术— —传感器与检测技术— —传感器与检测技术— —传感器与检测技术— 第7章 光电式传感器 * 本章内容 光电编码器 光电效应和光电器件 7.1 7.2 电荷耦合器件（CCD） 7.3 光纤传感器 7.4 光栅传感器 7.5 * 7.4 光电效应和光电器件 7.4 光纤传感器 优点：高精度、高灵敏度、易于实现长距离低损耗传输、易弯曲、体积小、防水、耗电小、抗电磁干扰等优点 一种把光纤技术与光电技术相结合的新型传感器。 * 7.4.1 光纤传感器工作原理 图7.4.1 光纤结构 光纤的结构 1．光纤及其传光原理 * 光的全反射实验 * * 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。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。 * * 光在光纤中的全反射 图7.4.2 光纤导光原理 * * 2．光纤传感器的工作原理 纤传感器同样是将被测量（温度、压力、电场、磁场等）转换成光的某些参数（光强、相位、波长等）的变化来进行测量的传感器，其基本原理是将光从光源经过光纤传到光调制器（敏感元件），在光被调制后，再经过光纤卷入光探测器，最后经信号处理获得被测量量 图7.4.3 光纤传感器组成 7.4.2 光纤传感器分类 * 功能型 非功能型 7.4.2 光纤传感器分类 按照被调制的参数分类，光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、频率调制型、波长调制型和偏振态调制型五种类型。 按光纤传感器的检测对象来分可以分为光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤振动传感器、光纤流速传感器、光纤陀螺等。 * 7.4.3 光纤传感器的应用 1．光纤位移传感器 2．光纤温度传感器 3．光纤加速度传感器 * 1．光纤位移传感器 透射式偏移传感器 * 将两根同样芯径的光纤端面靠近并装配到一起，光从一根光纤输出通过空隙进入另一根光纤。如果两根光纤的中心轴为同轴，光在连接处的损失很小，但当两根光纤产生错位时，其损耗就增加。光纤输出的光通量变化反应了光轴的错开距离. 反射式位移检测 * 当物体与光纤端面的距离发生变化，反射回光纤的光强就会发生相应的改变。因此，通过测出反射回光纤的光强，就能以非接触方式确定物体是否存在及其位移情形。 图7.4.5 光纤位移传感器原理及特性曲线 * * 光纤液位传感器 2．光纤温度传感器 辐射式光纤温度传感器 根据物体的热辐射定理而制成通过测量被测物体的热辐射来获得物体温度的温度计。由于常温或高温物体的热辐射中心波长在红外或可见光波段，可以通过光纤把物体的热辐射传导到传感器上，从而可以实现远距离测量；通过多束光纤可以对物体实现多点及温度分布进行测量。由于400～1600℃的黑体热辐射主要集中在近红外波段，而高纯度的石英光纤在1.1～1.7微米波长其损耗非常小，非常适合于上述温度范围内的远距测量。 * 荧光发射型光纤温度传感器 荧光发射型温度传感器利用光纤把激发光照射荧光材料上，再用光纤把荧光传送到光探测器上测量荧光强度，由于荧光发射谱与温度相关，通过测量荧光便可测量出环境温度。图7.4.7所示为利用GaAs为荧光材料的温度传感器，由于GaAs发出的0.83～0.9微米范围内的荧光随着温度升高而强度减小，但对波长0.9微米以上的荧光几乎不变，利用光纤器件对两种频率荧光进行分离，通过测定二者强度比便可求出温度，其测温精度可达0.1℃。 * 图7.4.7 荧光发射型温度传感器 * * 保护管内为高温光纤 低温光纤 光纤温度传感器 3．光纤加速度传感器 当框架纵向振动时，在惯性力的作用下重物与框架之间产生了相对位移，使光纤的伸缩，从而导致光在L1中传播的光程发生改变（即相位变化），则在探测器上的干频条纹会发生移动，通过测量干涉条纹的移动量、根据重物质量、光纤弹性模量及直径就可以检测框架的加速度。 * 图7.4.8 相位型光纤加速度结构原理图 * * 光纤式光电开关 反射型 遮断型 反射镜反射型 光纤式光电开关应用 标志孔 电路板标志检测 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。 光纤 耦合器 传输光纤 出射光纤 * * 光纤式光电开关应用 采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测 * —传感器与检测技术— —传感器与检测技术—