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精密测试技术课程讲义第三章 传感器技术一、传感器概述1.1 传感器的分类l 按被测的物理量分类：位移传感器、力传感器、温度传感器。l 按传感器工作的物理基础分类：物理型、化学型、生物型 l 按传感器构成原理：结构型 和 物性型 结构型：电容物性型：水银温度计l 按传感器能量转换情况：能量控制型：应变片+直流电桥能量转换型：热电偶温度计1.2传感器的发展方向小型化：敏感元件与放大电路一体化多功能：一种传感器可以测量多种参数智能化：体现在l 数据处理功能：自动调零、自动选量程、自动修正。l 自诊断功能：自检功能。l 人机对话功能（显示和报警）（仪器化）l 接口功能。l 掉电保护功能发展原因：（1） 应用、需求（2） 新材料、新技术、新工艺、微电子技术（3） 仿生学发展（仿生原理）蝙蝠：超声定向功能超过高级雷达装置毒蛇借助于眼下方的面部小窝远距离测量、感知附近动物的存在（非常发达的温度传感器）二、电阻式传感器1分类将被测量的物理量如位移、力等转换为电阻变化的一种传感器，分为变阻式和电阻应变式。2变阻式 R电阻值 l长度 电阻率 A截面积利用的线性关系可以制成：直线位移型：角位移型：非线性型：3电阻应变式传感器应用：用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数分类：金属丝电阻应变片式和半导体应变式金属丝电阻应变片式 - 电阻丝轴向相对变形，称为纵向形变 - 电阻丝径向相对变形，称为横向应变其中由电阻丝几何尺寸改变引起； 由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起；对于金属电阻丝而言，很小，故可忽略灵敏度 4. 半导体应变片原理：基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时其电阻率发生变化。 其中，很小，可以忽略，故 5. 各类电阻式传感器的比较名 称优 点缺 点变阻式结构简单、性能稳定使用方便分辨率不高金属丝应变式体积小、动态响应快使用简便灵敏度不高半导体应变式体积小、灵敏度高使用方便温度稳定性差非线性（大应变下）6. 测量电路 直流电桥(只能用于测量电阻)直流电桥半桥单臂半桥双臂 全桥平衡条件：半桥单臂电桥： 半桥双臂电桥：全桥电桥：极性相同：对臂放置极性相反：邻臂放置7. 应用（1）电子秤 弹性体上贴应变片，将应变片引入测量电路，电桥输出电压和变形之间存在一定的关系，通过测电桥输出电压就可以测出变形，由变形再得到最后的被测物理量（2）悬臂梁振动测量（3）桥梁变形测量（4）悬索张力测量三、电容式传感器1基本原理 2分类据此电容式传感器可分为：极距变化型（）、面积变化型（A）、介质变化型（）三种（1） 极距变化型 l 非线性l 为减小线性误差，通常规定在较小的间隔变化范围以便获得近似线性，一般取（2）变面积型 角位移型、线位移型角位移：平面线位移： 圆柱线位移：4几种电容式传感器的比较名 称优 点缺 点应 用极距变化型非接触动态测量、灵敏度高、小位移测量非线性、受杂散电容等影响小位移面积变化型输出与输入成正比灵敏度低适用于大直线及角位移测量5应用举例 (1)电容测厚仪C=C1+C2,当厚度发生变化时将引起电容量的变化（2）电容式转速传感器电容极板与齿顶相对时电容量最大，电容极板与齿隙相对时电容量最小，齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换成脉冲，频率计显示的频率代表转速。（3）电子血压计 结构： 原理测量过程： 充气到足够压强（收缩压1020）放气：频率变小 放气到临界1: 频率变小趋势发生变化了出现周期性的波动， 这个临界值对应的 放气到临界2: 频率变小趋势中周期性的波动停止， 这个临界值对应的 脉搏频率（心率）：在临界1临界2过程中出现周期性的波动的周期的倒数四、电感式传感器1. 基本原理：基于电磁感应原理，把被测物理量如位移转换为电感量变化的一种装置。2. 分类：自感型（可变磁阻式与涡流式）、互感型3. 可变磁阻式可变磁阻式传感器典型结构4. 互感型差动变压器式电感传感器(1) 基本原理电磁感应中的互感现象，当线圈输入交流电流i时，线圈产生感应电动势 (2) 差动式变压器(3) 测量电路l 相敏检波l 差动整流电路(4) 优点l 测量精度高，可选0.1um，线性范围大，可到l 稳定性好，使用方便。(5) 应用：直线位移，压力，重量等。五. 涡流传感器1涡流根据电磁感应原理知，当金属板置于变化着的磁场中运动时，金属板内就会感应产生电流，该电流在金属板内自己闭合。2基本原理把一个半径为r扁平线圈放置在金属导体附近，线圈中通入频率为f的交变电流，在线圈的周围空间便产生一个交变磁场,在金属表面感应产生涡电流，此涡流又产生一个与方向相反的交变磁场，由于的反作用，必然削弱线圈的磁场使线圈的电感L发生转变，从而使阻抗z变化。而与金属导体的电阻率，导磁率，厚度h和线圈与金属导体表面之间的距离x有关。3涡流的范围金属导体形成的涡流范围与线圈外径D有关，在线圈轴线附近，涡电流密度很小，可以看作一个孔，在等于线圈外径处，涡电流密度最大，在等于线圈外径的1.8倍处，涡电流密度则衰减为最大值的5%，因此被测物体的平面不应小于线圈外径D的2倍。被测物体为圆柱体时，它的直径必须大于3.5D才不影响测量结果。（1） 涡流强度与间的关系如下图，为了获得较大的涡流强度，应使，一般取4测量电路l 调幅式测量电路l 调频式测量电路6压电式传感器1） 基本原理基于某些物质的压电效应。压电效应：某些物质沿一定方向受到外力作用时，在其表面上便产生电荷，当外力去掉后，表面的电荷也随之消失，这种现象称为压电效应。逆压电效应：将某些物质置于电场中，在电场作用下其几何尺寸便发生变化，当外电场去掉后，变形也随之消失，这种现象为压电效应。典型压电材料石英为例纵向压电效应：沿x轴施加作用力，则在垂直于x轴的表面上产生电荷。横向压电效应：沿y轴施加作用力时，则在垂直于x轴的表面上产生电荷，极性相反。2） 电荷与作用力间关系i1，2，3分别代表垂直于x轴，y轴，z轴的表面j1，2，3，4，5，6分别表示x轴，y轴，z轴的作用力方向，围绕x轴，y轴，z轴的剪切力方向。纵向压电效应: 表明与尺寸无关。横向压电效应： a，b为晶体切片沿x轴和y轴的长度。压电矩阵压电系数构成的矩阵： 对石英晶体而言，由于其晶格的对称性，其压电矩阵为： 沿xx方向施加单位作用力在xx方向产生的电荷量3）压电材料压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料三大类。（1） 压电晶体：石英晶体(SiO2)（2） 压电陶瓷PZT:镐钛酸铅系压电陶瓷PbTiO3 、 PbZrO3 组成的固溶体Pb(ZrTi)O3PMN：铌镁酸铅压电陶瓷，多用作高压力传感器。（3） 高分子压电材料作电声材料4） 压电传感器的测量电路（1） 压电传感器的等效电路压电元件在外力作用下两个表面产生数量相等的电荷，由于压电元件两表面之间的绝缘电阻很高，相当于一个电容器，因此可以把它等效为一个与电容并联的电荷源，也可以把它等效为一个电压u和电容c串联的电压源。（2） 放大器输入端的等效电路具体测量时，要把传感器与测量仪表连接在一起，因此还得考虑线缆电容ci，放大器输入阻抗Ri和输入电容ci及传感器的泄漏电阻Ra的影响，因此实际放大器输入端的等效电路如下：（3） 放大电路 压电传感器输出信号很小，而其输出阻抗又很大，因此与其后接的放大器必须是高输入阻抗放大器，在高输入阻抗放大器后再接一般的放大器，这个高阻抗放大器也叫前置放大器，它有两个作用，其一是进行阻抗变换，把传感器的高阻抗输入变换成低阻抗输出；其二是把传感器输出的微弱信号进行放大。因为传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，所以前置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。l 电压放大器 使用电压放大器时，电缆形成的接地电容Ci和放大器输入阻抗并联，形成传感器的负载阻抗，因此测量系统对电缆电容的变化非常敏感，这使得电压放大器的使用受到限制。l 电荷放大器电荷放大器是一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器，当放大器输入电阻和并联在反馈电容两端的反馈电阻Rf是足够大时，传感器与电荷放大器相接时的等效电路如下：由此可知：在放大器输入阻抗足够高、增益足够大的前提下，电荷放大器的输出电压U0与电缆电容Cl无关，当反馈电容Cf一定时，仅与电压元件产生的电荷Q成正比。5压电传感器的并联和串联接 并联接法：并联接法：输出电荷增大，电荷灵敏度提高，但由于电容增加，时常数也增大只能用来测试缓慢变化的信号。串联接法：输出电压增大，电压灵敏度提高，电容减少，时常数减小，用于测量高频信号，并以电压作为输出。6应用力、压力、加速度、机械冲击和振动等补充1：多普勒速度计1. 多普勒效应 当警车向自己方向驶过来时，人们听到警笛声音越来越刺耳，（频率变高），而在警车远离时听到的声音越来越柔（频率变低）。这种现象称为多普勒效应。2. 多普勒速度计原理 从信号发射源向运动速度为V的物体发射频率为f的电波或声波。若在信号发射源（观测点）接收到从运动物体反射回来的信号频率为f，则因多普勒效应产生的频差为： fff2 fcos c光速 夹角。利用多普勒效应可以测量运动物体的速度； 图 多普勒速度计的原理3. 应用球速测定器就是利用这种原理制成的。补充2：超声波传感器 1. 基本原理 通过测定发射器发出的超声波至接收到被测物体反射波的时间T（即从发射到接收的时间）来计算距离。 设超声波的传播速度为，则从超声波传感器到被测物体的距离L为：L图 超声波传感器的原理由于超声波在空气中传播速度与温度有关，所以会产生误差，此外超声波的定向性也不是很好，反射效果会受被测对象的表面形状和材质的影响，所以测量精度不是很高。这也决定了超声波传感器测距的应用。2. 应用超声波传感器用来测量距离。机器人上用于避障，汽车尾部装有超声波传感器（倒车雷达）用于倒车时提示障碍物的距离。盲人带的特殊眼睛就是装有超声波传感器，用于避障。蝙蝠通过自身特有的超声波测距系统，在快速飞行时精确判定障碍物的距离。补充3：激光距离传感器和超声波传感器一样，利用激光测量距离的最简单方法是测定激光从光源到被测物体往返所需要的时间。激光测距有两种方式：雷达方式 和调制方式。其中雷达方式就是直接测定激光脉冲从发射到被反射回来的时间，其原理与超声波传感器基本相同。调制方式：将激光的强度调制成正弦波或方波进行发射，接收到从被测物体反射回来的信号进行相位比较，由两路信号的相位差来计算距离。正弦波调制的发射强度可以用下式表示： II 其中m为调制度 0m1设激光从光源到被测物体往返所需要时间为T，则接收光强度 为：I=I(t-T)= I1+msinw(t-T) 其中为衰减度。对接收信号进行相敏检波，即与调制信号相乘取平均值得到：IsinwtIsinwt+ coswtcos(2wtwT)因为 、I、m、w都已知，所以可求得T，于是光源到被测物体的距离为： L 其中c为光速。补充4：空间滤波器 1现象在黑暗的房间透过窗子格看路上行人时，行人走路的速度不同，眼睛感觉到的明暗变化的频率也不同, 利用这种现象的速度传感器就是空间滤波器。2原理图 空间滤波器的原理为便于分析，设有一点光源在以速度v移动。当通过透镜用梳状感光元件对速度进行检测时，因为其输出波形的周期T与点光源的像移过梳状感光元件的一个节距P所需要的时间相同，因此有： T 其中： m光学系统的倍率 点光源的像的移动方向与感光元件的方向夹角。= = = f 感光元件输出信号（方波）的频率 在p、m 已知情况下，可以由f 求取 ，确定就可以求取v。实际应用中一般不是点光源，而是不规则的光源模型，但原理完全一样。3. 应用 （1）汽车速度检测：在路面为深浅不平的路况下，通过检测发动机转速或轮胎转速来计算速度都会有误差, 使用空间滤波器可以得到更精确的结果。（2）泥石流、河流等流速的测定。 温度传感器（热电式传感器） （一）概述1. 测量机理温度是反映物体冷热程度的参数，而物质的某种物理特性如体积、电阻、电势等与物体的温度有一一对应关系。通过测量物质的某一物理特性，就可以测量出物体的温度高低。 2分类 热电阻式传感器：温度变化影响电阻的变化。热电偶式传感器：温度变化影响电势的变化(热电效应)。其它：体积或压力随温度变化 3关于绝对热力学温度和摄氏温度的关系 T=273.15+t K t=T-273.15 C 4温度测量的方式 （1）非接触式测量l 利用热辐射原理：通过物质向外发射红外辐射或可见光来测定物体的温度。l 特点：可以测量高温物体的温度；响应速度快 （2）接触式测量l 基于热平衡原理：接触- 热交换- 平衡 l 特点：响应速度慢，适合测量缓变的温度接触式测量法中，最常用的是把温度变化转化成电阻或电势的变化,热电阻式传感器、热电偶。 （二）热电式传感器l 物理机理：金属或半导体材料的电阻随温度的变化而变化。l 金属热电阻：铂、镍、铜等金属材料在一定的温度范围内电阻随温度的变化关系：= *1+(t-t) =*1+t。 -温度t时的电阻 -温度t时的电阻 : 温度系数 、：温度系数l 特点：中低温范围、灵敏度高、测量误差小、热惯性大、时常数为:10秒-4分 几种主要金属热电阻的性能表： （三）半导体热敏电阻 由于半导体热敏电阻比金属热电阻具有更高的电阻温度系数，所以它有较高的灵敏度，同时具有较好的动态特性。l 分类：具有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。l PTC热敏电阻：当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。主要用于彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制等。l CTR热敏电阻：在某个温度值上电阻值急剧变化。主要用作温度开关。l NTC热敏电阻：具有很高的负电阻温度系数，广泛应用于自动控制及电子线路的热补偿线路中。特别适合100 300 度温度测量。l NTC热敏电阻与温度间关系:=*e：常数，由材料和制造工艺决定。l 优点：结构简单、体积小、灵敏度高热惯性小 热敏电阻值大，接入电桥电路时，导线对测量的影响小。l 缺点：非线性、稳定性和互换性差. （四）热电偶 1. 物理机制：热电效应l 热电效应: 由A、B不同材料的导体两端互相紧密地接在一路，组成一个闭合回路，当1,2两接点的温度不等时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应。BA12热电效应l 产生热电效应的条件:不同导体、闭合回路、两端温差l 热电势组成：接触电势和温差电势l 接触电势：不同导体-自由电子密度不同,接触面产生电子的扩散运动-接触处形成接触电势-减弱扩散运动 -平衡 -稳定的接触电势.接触电势t 接触处的温度, K 波尔兹曼常数, e 电子电荷量、为导体A和B的自由电子密度。l 温差电势：同一导体两端-温差-自由电子能量不同-自由电子动能不同- 电子扩散运动. 为温度系数，与导体材料和温度有关。温差电势总回路电势l 回路总电势PPPP 由上式可知:(1)如果热电偶的两个热电极材料相同，但两结点的温度不同，总热电势为0(2)如果热电偶的两结点的温度相同，但两个热电极材料不同，总热电势为0l 接触电势、温差电势的比较 由于金属中的自由电子很多，温度变化对电子密度的影响很小，所以导体内的温差电势很小，可以忽略不计。 选定材料后，热电势是温度t和t0的函数差，即 当给定t0保持不变时，热电势为t的单值函数。 2. 热电偶的基本定律 （1）均质导体定律 由一种性质均匀的导体组成的闭会回合，当有温度差时不产生热电势。 （2）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三中导体时，只要两接入端温度相等，对热电势不会产生影响。A1BC34接入中间导体的回路 （3） 中间温度定律 任何两种材料构成的热电偶，热端温度t，冷端温度t时的热电势，等于此热电偶热端为t，冷端为t及同一热电偶热端为t，冷端t时的热电势的代数和。中间温度定律BAABABA中间温度定律就是制定热电偶分度表的理论基础。热电偶分度都是以冷端温度为0时做出的。但一般工程测量中冷端都不为0。因此只要得出热端为t，冷端为的热电势，就可以利用中间温度定律求得,再查表求得t 即可。（4）标准电极定律 若两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电势已知，则导体A、B组成热电偶的热电势也可以得到。 ABACCB标准电极定律 3. 标准化热电偶 按照工业标准，热电偶可分为标准化热电偶和非标准热电偶。常用标准化热电偶的特点：铂铑铂 热电偶：性能稳定，准确度高，可用于基准和标准热电偶。 价格贵，不能用于金属蒸气和还原性气体中。铂铑铂铑 热电偶：性能稳定，准确度高，可用于基准和标准热电偶。 4. 热电偶的冷端补偿技术l 冰瓶法l 冷端恒温法l 专用补偿导线法（1）不同的补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；（2）正负极性不能接错；（3）热电偶连接点的温度必须相等，且小于规定的温度值。l 补偿电桥法（1）电桥输出端与热电偶串联（2）热电偶的冷端与电桥置于同一温度场中；（3）电桥中桥臂电阻由温度系数较大的材料制成，其余电阻用温度系数较小的材料制成。（4）设计时t=20 度时电桥平衡，电桥输出为0t=20 度时电桥平衡，电桥输出为0 热电偶冷端温度变化引起热电势变化为电桥的输出电压不为0，自动产生补偿电势，与极性相反，值相同，达到补偿的目的。霍尔传感器1.基本机理 ：基于霍尔效应。l 霍尔效应：把一薄片半导体材料垂直于磁力线方向放在磁场中，在半导体材料上通上激励电流I，那么移动的电子（载流子）将受到磁场力的作用，在的作用下，电子就会在向前移动运动的同时向侧面偏转，形成一边（侧面）电子积累，而另一边积累了正电荷，从而在半导体的两侧面产生电场，此电场阻止电子继续向侧面偏转。当电场力与磁场力相等时，电子的积累达到了动态平衡，这时在半导体薄片的两侧面形成的电位差称为霍尔电势。霍尔效应原理图l 霍尔电势的大小其中： -形状系数，当 时 - 霍尔系数，由半导体材料决定-霍尔灵敏度，表示单位电流和单位磁场力作用下开路霍尔电势的大小。n- 单位体积中载流子的数目，g-电子电荷量h-半导体薄片的厚度为了获得较大的霍尔电势，要求愈大愈好。由于金属材料的n很大，会比较小，因此金属材料不宜作霍尔元件。实际应用中，B和I二者中一个为常量，另一个为输入量，则霍尔电势正比于I或B，由此可知，霍尔元件可用来检测电流或磁场的变化情况。2.特点优点：霍尔元件具有结构简单、体积小、无触点（非接触）、带宽、动态特性好，寿命长等优点缺点：转换效率低、受温度影响显著 霍尔元件3应用把霍尔元件放在一个梯度磁场中，从霍尔元件电势的变化可以反映出位移的变化，据此可以用来测量位移以及与位移相关的非电物理量如力、压力、加速度、振动等。磁场的梯度越大，变换灵敏度越高。磁场梯度越均匀，输出特性的线性度越好。 霍尔压力传感器霍尔加速度计霍尔式转速计4.温度补偿和其它半导体材料一样，对温度比较敏感，霍尔元件的内阻、霍尔电势都会随着温度的变化而变化。补偿电路采用：恒流源供电补偿电路。恒流源供电 补偿电路 图时： 时通过补偿电阻的电流 时霍尔元件的内阻 补偿电阻：数字式传感器1编码器1.1 码盘和码尺l 将角度或线位移转换成电信号的一种装置。前者称为码盘（编码器），后者称为码尺。1.2分类l 按照读出方式编码器分为接触式和非接触式；接触式：以电刷接触导电区或绝缘区来表示状态1或0;非接触式：采用光敏元件透光或不透光来表示状态1或0按工作原理分为：增量式和绝对式。1.3 增量式码盘（编码器）l 组成多孔盘、光源、光敏元件和计数器等组成。增量式码盘 结构示意图l 角位移单位脉冲对应的角度 n个脉冲对应的角度l 速度脉冲的频率l 辨向A、B: 相信号通过比较A、B相的相位来判断方向Z相：圆周零位（索引）。A B相信号与方向关系图绝对编码器光纤传感器1.概述l 特点：具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点，可广泛应用于位移、速度、加速度、压力、温度、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等测量。l 结构由纤芯和包层组成。纤芯：位于光纤的中心部位，由玻璃或塑料制成，直径5100um包层：绕着纤芯的那一部分称为包层，材料也是玻璃或塑料。纤芯和包层的折射率不同：（光纤）（包层）l 种类 按材料分：玻璃光纤、塑料光纤 按折射率分布分：阶跃折射率型和梯度折射率型两种 阶跃型光纤：纤芯的折射率n分布均匀，不随半径变化，包层内的折射率分布也大体均匀，但纤芯和包层的折射率呈现阶绨状。通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。梯度型光纤：纤芯内折射率不是常值，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚，光线偏离中心轴线越远，则传播路程越长，传播的轨迹类似正弦波曲线，这种光纤又称自聚焦光纤。 按传输模式分类：分为多模光纤和单模光纤两类。模的概念：在纤芯内传播的光波可以分解为沿轴向传播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射，如果此波在一个往复（入射和反射）中相位变化为2的整数倍，就会形成驻波，只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波就称为模。纤芯在几十um则为多模光纤 传输多个模纤芯在510um则为单模光纤 传输一个模2.传光原理光的全反射现象是研究光纤传感原理的基础，由几何光学知：当光线以较小的入射角，为临界角，由光密媒质（折射率为n1）射入光疏界质（折射率n2）时，一部分光线被反射，另一部分光线折射入疏媒技，折射角满足斯乃尔法则： 根据能量守恒定律：反射光与折射光的能量之和等于入射光的能量，当逐渐加大入射角，一直到c折射光就会沿着界面传播，此时折射角=90这时的入射角=, 为临界角。根据斯乃尔法则：Sin=n2/n1当继续加大入射角（c）光不再产生折射，只有反射，形成光的全反射现象。光在阶跃型多模光纤的传播光在光纤端面由空气中（折射率为n0）以角入射至光纤内，按斯乃尔法则，光纤内折射成角，然后以（90）角入射到纤芯与包层界面上。若大于，则入射的光线就能在界面上产生全反射，并在光纤内以同样的角度反复逐次全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出，出射角也为。若将光纤弯曲，只要保证光射至界面的入射角大于，光线仍能在光纤内逐次全反射传播，但若光纤弯曲过大，以致光射至界面的入射角小于，大部分光将透过包层损失掉。 入射角的限制：若过大，光线界面处不能满足临界要求，这部分光线将穿透包层而逸出（称为漏光）即使有少量光经过菲涅耳反射 返回纤维内部，但经过多次这样的反射后，能量已基本上损耗掉，以致几乎没有光通过光纤继续传播出去，因此只有符合一定入射角（由斯乃尔法则求得）的光线才能在光纤内部产生全么射传播出去。Sin=Sin=cos当入射光线在界面上发生全反射 时应满足：Sincossin,临界入射角sin=所以当有入射角小于的光线才能在光纤内部产生全反射传播。数值孔径NA仿照研究透镜那样，引入数值孔径NAsin=为光纤周围媒质的折射率，空气1数值孔径是光纤的一个基本参数。它决定了能被传播的光束的孔半径角的最大值，反映了光纤的集光能力。纤芯与包层的折射率差越大，NA就越大，光纤的集光能力越强。光纤的集光能力与NA关系：f=(NA) NA1 f=F/ 集光率f= =1 NA1故光NA1时，集光能力达到最大F3.传光损耗光在传播过程中存在各种损耗，光纤传光存在费涅耳反射损耗，光吸收损耗，全反射损耗及弯曲损耗等。l 费涅耳反射损耗当一束光射入光纤的端面时，由于纤芯的折射率n与光纤所处周围媒质的折射率不同，因此在端面上将产生反射光束和折射光束。设入射光强为，反射光束的光强为定义为费涅耳反射损耗率光强的透射系数：则l 光吸收损耗光通过任何媒质，都或多或少要被媒质所吸收，特别是光纤很长时，不能忽略光吸收的影响，透过媒质的光强I与入射光强之间的关系为：I（光纤纤芯的吸收系数X光透过媒质层的距离）光强透射系数 L光纤总长度 光线在光纤端面上的折射角l 全反射损耗由于纤芯和包层之间的界面不平滑引起散射，以及包层媒质的光吸收作用，使全反射率不可能达么百分之百。总反射次数 N（N即光纤每单位长度的反射次数乘以光纤长度L）光强的透射系数： A每次全么射的损耗率三种损耗综合考虑。得总的透射率T：T4.光纤传感器的分类按光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为两种类型：l 功能型：主要使用单模光纤。光纤不仅起传光的作用，又是敏感元件。它是利用光纤本身的传输特性受被测物理量作用而发生变化，使光纤中波导光的属性（光强，相位，偏振态，波长等）被调制这一特点。因此这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等数种。功能型光纤传感器典型的例子有：利用光纤在高电场下的泡克耳效应的光纤电压传感器。利用法拉第效应的光纤电流传感器。利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器。功能型光纤传感器的光纤本身是敏感元件，光纤长度越长，灵敏度越高。l 非功能型光纤传感器：光纤不是敏感元件，它是利用光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料，机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。这种情况光纤只是作为光的传输回路，所以这种传感器也称之为传输回路型光纤传感器。非功能型光纤传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。非功能型光纤传感器的特点是结构简单，可靠，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度较低。三）功能型光纤传感器1相位调制型光纤传感器 1)相位调制的原理 当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L，纤芯折射率 n和纤芯直径d有关。若光纤受某些物理量的作用（如温度，压力，加速度，电流等），将会使这三个参数发生不用程度的变化，从而引起相位变化。一般来说，光纤长度和折射率的变化引起光相位变化要比光纤直径引起的变化大得多，因此可忽略光纤直径引起的相位变化。 由普通物理学知道，在一段长为L的单模光纤中，波长为的输出光相对输入端来说，其相位角为：当光纤受到外置物理量的作用，则光波的相位量变化为L光纤长度 光纤纤芯折射率光纤长度变化量 光纤纤芯折射率变化量光纤轴向应变（/L）由于光的频率很高，一般光电探测器不能响应这样高的频率，为了能检测光波的相位变化，必须应用光学干涉测量技术将相位调制转换成振幅（强度）调制。光电式传感器1. 光电效应光是由一连串具有一定能量的光子构成的，某些金属或半导体材料在光的照射下，其表面层便受到一连串光子的轰击，使这些物质电子的动能增大。光电效应就是这质吸收了光子能量以后产生的电效应，根据光电效应的机理不同，光电效应可分为三类：1) 外光电效应在光的照射下，使电子从物体表面逸出的现象，称为外光电效应，也叫光电子发射现象。如光电管，光电倍增管等。2) 内光电效应在光的照射下，使物体电阻率改变的现象，称为内光电效应，也叫光电导效应如光敏电阻。3) 阻挡层光电效应在光的照射下，使物体在某一方向产生电动势的现象，称为阻挡层光电效应，也叫光生伏特效应。如光电池，光敏晶体管。2. 半导体光电元件及其特性1) 光敏电阻1. 原理：有些半导体材料（如硫化物，硒化物及锑化物等）在黑暗环境下电阻很大，但受光照射时，半导体内载流子浓度增加，从而增加了导电性，使电阻值降低，光照停止时，电阻又恢复原来的值。这种在半导体内部进行的光电效应称为