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5.4 光纤传感器 光的全反射实验 各种装饰性光导纤维 上海东方明珠 发光二极管产生多种颜色的光线,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。 光纤传感器外形 1.光纤的结构 光缆的外形及光纤的拉制 2.传光原理——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 3.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。 单模型光纤 单模型光纤的纤芯直径较小(数微米)接近于被传输光波的波长,光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导,能量损失很小,适宜于远距离传输。 5.4.2光纤传感器与光纤耦合的电光与光电转换器件 实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。 激光二极管的外形 激光二极管的与发光二极管的 带宽及效率的比较 单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管,它在传导过程中的发散损耗较小,稳定性较高。 光纤的损耗 光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上,光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。 专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时,两者的轴心必须严格对准并固定,可使用专用的连接头及光纤插座来完成。 光纤传感器 1. 结构原理 光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。 由光发送器发出的光经光源光纤引导至敏感元件。这时,光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号,最后经信号处理得到所期待的被测量,如图5-27所示。 2. 光纤传感器的分类 1)功能型(全光纤型或传感型)光纤传感器:利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。 2)非功能型(或称传光型)光纤传感器:光纤仅起导光作用,只“传”不“感”,对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 3)拾光型光纤传感器: 用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 光纤液位传感器 基于全内反射原理研制的液位传感器。它由LED光源,光电二极管,多模光纤等组成。 它的结构特点是,在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中,没有接触液面时,光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时,由于液体折射率与空气不同,全内反射被破坏,将有部分光线透入液体内,使返回到光电二极管的光强变弱;返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时,表明测头已接触到液位。 光纤温度传感器 光纤式光电开关 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光纤的其他应用 军用光纤陀螺: 将激光射入绕成线圈的光纤,当线圈的底座随运动物体旋转时,可以测得出射光的相位发生变化,它的灵敏度比机械陀螺高,无机械磨擦力。 作业 P105:7、8、9 * * 激光二极管芯片 保护管内为高温光纤 低温光纤 反射型 遮断型 反射镜反射型 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 遮断型光纤光电开关 出射光纤 接收光纤 采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测 光纤内窥镜
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