8模块八、光学量检测(下)

机、电类传感器与检测技术项目教程模块八、光学量检测课件统一书号：ISBN978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“光学量”的基本概念、各种光电元件，例如：紫外光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池，介绍各种光电元件的应用。还介绍了光导纤维传感器及其应用。,内容简介,今天是：2020年5月6日星期三,模块八、光学量检测（下）目录,（上）知识链接光学量的基本概念（上）项目一、光电元件及应用电路（中、下）项目二、光电传感器的应用拓展阅读光导纤维传感器及应用,現在時間是：09:10,光幕应用（续）,高度测量,光幕应用（续）,光幕应用（续）,木材外形截面积检测,光幕应用（续）,孔的检测,光幕应用（续）,光幕用于自动收费系统的车辆检测,光幕应用（续）,锻压机床的安全区域设置及入侵报警,光幕应用（续）,安全区示警,光幕应用（续）,手的安全区保护,二、带材的边缘位置宽度的测量,图8-37光敏二极管线阵在带材宽度检测中的应用1平行光源（光幕）2狭缝3被测钢板带材4光敏二极管阵列宽度L=x0+x3+x4,三、光电式带材跑偏检测器,在带材生产线上，由于带材横向厚度及压辊压力不均等原因，导致带材边缘或纵向标志线与加工机械的中心线不平行或不重合，从而发生带材横向运行偏差，称为“跑偏”。需要以带材边缘纵向为基准，实行边缘位置控制，称为“纠偏”。,光电传感器,带材走偏时,边缘经常与传送机械发生碰撞,易出现卷边,造成废品。,图8-38光电式边缘位置检测纠偏原理图a）原理示意图b）光电检测装置c）测量电路1被测带材2开卷电动机3卷取辊4伺服液压缸5活塞6滑台7光电边缘位置检测传感器8LED光源9扩束透镜10平行光束透镜11汇聚透镜12测量光电池13温度补偿光电池14遮光罩15跑偏指示,（见下页放大图）,带材左偏时，Uo3如何变化？,图8-38,光幕用于纠偏,光电式带材跑偏测控系统指标,带钢最大传送速度：10m/s纠偏最大动态范围：100mm纠偏误差：0.5mm跑偏检测传感器响应时间：100s液压比例伺服阀响应时间：50ms伺服液压缸最大驱动速度：20mm/s电液伺服最大推力：6104N（可按需要配置液压系统）环境工作温度：-2070,在带钢纠偏装置中，边缘位置检测传感器的位置固定不动，开卷机的开卷辊可左右移动。在伺服液压缸的推动下，开卷机构（包括减速箱和开卷辊等）沿着导轨作垂直于带材行进方向的纠偏运动。,光电式带材跑偏的光电检测装置,.,1带材2边缘位置检测传感器3电源及信号线连接座,带材纠偏系统,光电传感器,带材,液压伺服系统,带材纠偏系统（续）,拓展阅读光导纤维传感器及应用,光导纤维简称光纤，是以特别的工艺拉成的细丝。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。目前好的光纤的损耗已优于0.1dB/km。由光源、光纤及接收器组成的传感器称为光纤传感器。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、防雷电击、防燃防爆、绝缘性好、柔韧性好、耐高温、重量轻等特点。不存在一次仪表与二次仪表之间接地的麻烦，所以特别适合在狭小的空间、强电磁干扰和高电压环境或在潮湿的环境中工作。,光的全反射演示,图8-41光纤的损耗1折射2全反射3散射,各种装饰性光导纤维,传导光线用的光导纤维,光纤的拉制,“光导纤维内窥镜”可实现探头360全方位旋转。耐磨，耐腐蚀，探头装有高亮度多组LED照明光源，可以用于管道检测或医学检测。,一、光纤的基本概念,当一束光线以一定的入射角1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,在另一介质内传播。,1.光的全反射,光线的在两种介质界面的反射与折射,图8-39光线的在两种介质界面的反射与折射a）1c时的情况b）1=c时的情况c）1c时的情况,光线沿着水流传导,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，就可能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c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,光纤的结构,图8-40光纤的结构1纤芯2包层3缓冲层4加强层5PVC外套,光纤的结构（续）,多股光纤的结构,光在光纤中的全反射,光纤的类型,a）阶跃型b）梯度型c）单孔型型,光纤的类型（续）,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。典型多模光纤：50/125um、62.5/125m（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）,梯度型光纤,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。,单孔型光纤,单孔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。,典型单模光纤直径：9/125m（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）,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。,与光纤耦合的“电光”与“光电”转换器件,1发射光纤2接收光纤光纤耦合器(Coupler)又称分歧器、连接器、适配器、法兰盘，用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件，是光纤与光纤，或光纤与光源、接收器之间，进行可拆卸(活动)连接的器件，能将光路的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。,图8-42光纤与光发射器及光接收器的配合,激光二极管的外形,激光二极管芯片,激光二极管与发光二极管的带宽及效率比较,单模光纤必须与能发射单一光谱的激光二极管配对，在传导过程中的发散损耗可以较小，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。可选择适当波长的激光二极管、光电转换元件(PIN)与光纤匹配。,一般价格的标准单模光纤在1550nm波长的损耗系数为0.2dB/km。,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。,光纤的终端放大器（光/电信号转换器）,光纤传感器,光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂，或敏感元件），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。光纤传感器多用于高电压、易爆等场合，不易产生电火花。,强度调制型光纤传感器的几种形式,图8-43强度调制型光纤传感器的几种形式a）反射式b）遮光式1传感臂光纤2参考臂光纤3半反半透镜（分束镜）4光电探测器A5光电探测器B6透镜7变形器8辐射体9荧光体,强度调制型光纤传感器的几种形式（续）,c）吸收式d）微弯式e）接收光辐射式f）荧光激励式1传感臂光纤2参考臂光纤3半反半透镜（分束镜）4光电探测器A5光电探测器B6透镜7变形器8辐射体9荧光体,图8-43,强度调制型光纤传感器的示意图,双路光纤干涉仪用于压力、温度测量,图8-44双路光纤干涉仪用于非光学量检测1ILD（激光发生器）2分束镜3透镜4参考光纤（参考臂）5传感光纤（测量臂）6敏感头7干涉条纹8光电读出器,相位调制光纤传感器工作原理示意图,光纤液位测量,光纤液位传感器,光纤液位传感器用于高压变压器冷却油的液位检测,1鹅卵石2冷却油3高压变压器4高压绝缘子5冷却油液位指示窗口6光纤液位传感器7连通器,埋入式光纤光栅应变传感器,埋入式光纤光栅应变传感器是针对桥梁混凝土箱梁、大坝坝体、高层建筑及其他混凝土构件或预制件内部应力变形测量需求开发的高性能应变计。,光纤混凝土应变传感器,图8-45光纤式混凝土应变传感器1入射光纤2气隙3出射光纤4钢板5混凝土6光源光纤连接头7传导光纤连接头,光纤声压传感器,1声源2光纤线圈3干涉镜,光纤声压传感器,拖曳线列阵声呐的监听,光纤大电流传感器,图8-46光纤式大电流传感器1大电流导线2光纤线圈A测量光纤B参比光纤当线偏振光（见光的偏振）在光纤中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，上述现象称为法拉第效应。,B,光纤大电流传感器（续）,基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器应用于架空电缆线路的电流测量和记录,光纤温度传感器,1感温黑色壳体2液晶3入射光纤4出射光纤,光纤高温传感器,图8-47光纤式高温传感器a）外观b）黑体腔剖面图c）信号处理电路框图1黑体腔2蓝宝石高温光纤3光纤耦合器4传导光纤（低温光纤）5信号处理系统及显示器6多路输入端子,当光纤温度传感器端部达到400以上时，陶瓷黑体腔被加热而产生热辐射红外光，并由光导纤维传送到信号处理器。,图8-47,保护管内为作为敏感元件的高温光纤,低温传导光纤,光纤温度传感器,光纤式光电开关,反射式,遮断式,反射镜反射式,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,遮断式光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,光/电耦合器,被测物（有机玻璃）,遮断式光纤式光电开关应用,采用遮断式光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测,光纤陀螺仪,陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指对角速率和角偏差敏感的一种传感器光纤陀螺仪无活动部件(高速转子)，故称为固态陀螺仪。光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。在同一闭合光路中，从同一光源发出的两束特征相等的激光，以相反的方向在光纤中传播，最后出射并汇合到同一探测点（光电元件）。若在垂直于闭合光路所在平面的轴线方向，存在着相对于惯性空间的转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差。光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差，及与之相应的两束光的相位差信息，即可得到旋转角速度。,光纤陀螺的光路(仅介绍开环),当光导纤维线圈转动,两束相反方向的激光束在检测器出口就会出现相位差,导致干涉条纹有所移动。利用光敏元件测量干涉条纹的变化，即可换算出光导纤维线圈的角速度和其他参数。如果设计两个相互垂直的线圈，就可以测量空间加速度等一系列的运动参数。,线圈状光导纤维（n圈）,干涉条纹,光纤陀螺的特点及用途,光纤陀螺仪无机械磨擦力和磨损问题，因而具有较长的使