CH 4 常用传感器

第九节光纤传感器,一、光纤传感器的工作原理,光纤传感器与以电为基础的传感器有本质区别。一般的传感器是将物理量转换成电信号，用导线进行传输。光纤传感器是用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递信息的媒介。,外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）作用于光纤引起光波特征参量（如振幅、相位、偏振态等）变化测出这些参量随外界因素的变化关系，即可用它来检测温度、压力、电流、振动等物理量。,光纤的结构如图所示。中心圆柱体,称为纤芯,由某种类型的玻璃或塑料制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层,称为包层,由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。纤芯的折射率略大于包层的折射率。最外面通常由一层护套包覆。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能,而纤芯的强度则由护套来维持。护套通常由塑料制成。,设计光纤纤芯的折射率n1要大于包层的折射率n2。图中所示的两根光线,其中一根代表掠射角(入射角的余角)c（临界角）的一些光线。这些光线由于从纤芯折射到包层中,不能传播很远。另外一根代表掠射角c（临界角）的一些光线。这些光线每当光入射到纤芯-包层分界面时,都发生全反射,所以这些光线一直被截留在光纤中,在界面上产生多次的全内反射,以锯齿形的路线在纤芯中传播。,1、物性型(即功能型，FunctionalFiber)光纤传感器,利用光纤对外界被测对象具有敏感能力和检测功能这一特性开发的传感器。光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在被测对象作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,2、结构型(非功能型)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。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,二、光纤传感器的基本形式,光纤传感器分物性型(即功能型)与结构型(即非功能型)两类。,三、光纤传感器的应用,光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振幅的变化与流速成正比。,反射式强度调制,反射式光纤位移传感器结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境,在实际工作中得到了广泛应用。由光源发出的光经发射光纤束传输入射到被测目标表面,目标表面的反射光由与发射光纤束扎在一起的接收光纤束传输至光敏元件。根据被测目标表面光反射至接收光纤束的光强度的变化来测量被测表面距离的变化。,图光纤位移传感器的结构和工作原理,由于光纤有一定的数值孔径,当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号;当被测表面逐渐远离光纤探头时,发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大,因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大,有一个线性增长的输出信号;,当整个接收光纤被全部照亮时,输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,当被测表面继续远离时,由于被反射光照亮的B2面积大于C,即有部分反射光没有反射进接收光纤,还由于接收光纤更加远离被测表面,接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱。,图位移-输出信号曲线,在位移-输出曲线的前坡区,输出信号的强度增加得非常快,这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区,信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比,可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区,信号达到最大值,其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。,光纤测压传感器这种传感器是在前面介绍的光纤位移传感器的探头前面加上一个膜片构成的。光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面上,反射光由接收光纤接收并传回光敏元件。与位移传感器不同的是,这里膜片位移的微小变化是在压力的作用下由膜片产生的挠曲而引起的。边界固定的圆形膜片一边在均匀压力作用下膜片位移。当膜片的位移发生变化,则输出的信号也发生变化。光通量是膜片的形状尺寸以及探头到膜片的平均距离的函数。,图光纤测压传感器,透射式强度调制,动光纤式光强调制模型，用来测量位移、压力、温度等物理量。这些物理量的变化使接收光纤的轴线相对于发射光纤错开一段距离,光强度调制器的线性度和灵敏度都很好。,微弯光纤传感器在以前的讨论中已经由光线的概念证明了光纤的弯曲能够使光从纤芯射入包层而产生损耗。微弯光纤传感器就是根据光纤弯曲(微弯)时纤芯中的光注入包层的原理研制成的。这类传感器的敏感元件是由一个能引起光纤产生微弯的变形器。变形器如一对错开的带锯齿槽的平行板。,图能引起光纤产生微弯的变形器,光纤折射率变化型一般光纤的纤芯和包层的折射率温度系数不同。在温度恒定时，包层折射率n2与纤芯折射率n1之间的差值是恒定的。当温度变化时，n2、n1之间的差发生变化，从而改变传输损耗。因此，以某一温度时接收到的光强为基准,根据传输功率的变化可确定温度的变化。,光吸收系数强度调制x射线、射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对x射线、射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。,当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，光纤的长度、芯径、纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波的相位变化.,相位调制,光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位光强的转换任务。,目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构。它们是:迈克尔逊、马赫-泽德、萨格奈克和法布里珀罗结构。下面用空气光路和光学原件框图的示意图来说明它们的工作原理。迈克尔逊干涉仪的基本原理如图所示。用一块部分反射、部分透射的平面镜作分束器。分束器使激光器输出的一部分光向上反射到固定平面镜。这些光被固定平面镜反射回分束器,于是一部分光透射到光检测器,另一部分光被反射回激光器。激光器输出的另一部分光透过该分束器,被活动平面镜反射回分束器,一部分光被该分束器反射到光检测器。,如果光往返于固定平面镜和活动平面镜的光程差小于激光器的相干长度,那么透射到光检测器的两束光就可能互相发生干涉。每当活动平面镜移动1/2光波长的距离时,检测器的输出就从最大值变到最小值,然后再变回最大值。采用这种技术在HeNe激光器的红光情况下,它可以检测平面镜小到10-7m,即0.6310-13m的位移。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝尔物理学奖。,图迈克尔逊干涉仪,随着光纤传感技术的发展和应用的日益广泛，仅仅依靠单点式测量，已难以满足需求，并且不能充分发挥光纤传感器的技术优势。分布式光纤传感器一般是指：具有一个公共数据通道并能与控制中心实施通信联络的传感器网络。,分布式光纤传感器,分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。,第十节其他类型传感器,1、气敏传感器的分类,气体成分和浓度,电信号,气敏传感器,一、气敏传感器,2、半导体气敏传感器工作原理,工作原理：利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或测量其浓度。,半导体气敏传感器可分为电阻型和非电阻型两类。,电阻型：利用气敏半导体材料(例如二氧化锡、二氧化锰等金属氧化物)制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾(如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯及天然气等时)，会发生还原反应，放出热量，使元件温度升高，电阻发生变化。,非电阻型：利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。,图示为典型气敏元件的阻值-浓度关系。可见，元件对不同气体的敏感程度不同。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。,3、半导体气敏传感器应用,二、湿度传感器,湿度传感器能感受外界湿度变化，通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转换成可用信号的器件。,1、湿度术语,绝对湿度：在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为gm3。,相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，用%RH(Relativehumidity)表示。,2、湿度传感器的分类,湿度传感器利用湿敏元件进行湿度测量和控制。湿敏元件是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理制成。,按湿敏