第2章传感器1

1、第二章第二章传感技术与传感技术与传感器传感器 2.1 概述概述2.2 参数型传感器参数型传感器2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器2.2.2 电容式传感器电容式传感器2.2.3 电感式传感器电感式传感器2.3 发电型传感器发电型传感器2.3.1 磁电式磁电式传感器传感器2.3.2 压电式传感器压电式传感器2.4 光导纤维传感元件光导纤维传感元件2.5 智能传感器智能传感器什么是传感器？什么是传感器？速度、位移、温度等物理速度、位移、温度等物理量是如何显示出来的？量是如何显示出来的？一种检测装置（一种检测装置（），），能感受到被测量的信息（能感受到被测量的信息（），），并能将感受到的信息，按一定

2、规律变换成为电信号并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息传输出去（或其他所需形式的信息传输出去（），以满足信），以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。将观测信息转换为电、光等信号的技术。将观测信息转换为电、光等信号的技术。实现机实现机电、热电、热电、声电、声电、机电、机光、光、热热光、光光、光电等信号转换的元件。电等信号转换的元件。振动速度传感器振动速度传感器速度传感器速度传感器l线性度好，便于信号处理；线性度好，便于信号处理；l灵敏度高、灵敏度误差小；灵敏度高、灵敏度误差小；l有较好的重复性和稳定性；有较

3、好的重复性和稳定性；l滞后误差小、漂移小；滞后误差小、漂移小；l具有较高的分辨力；具有较高的分辨力；l动态性能好；动态性能好；l被测对象的影响小，即被测对象的影响小，即“负载效应负载效应”较低；较低；l其它技术要求其它技术要求抗腐蚀抗腐蚀 、抗震、抗干扰、耐高温、可实现非接触、抗震、抗干扰、耐高温、可实现非接触或远距离测量。或远距离测量。 传感器是测量系统获取信息的最前沿环节，它造成传感器是测量系统获取信息的最前沿环节，它造成的测量误差是不可弥补的，其技术性能影响整体的测试的测量误差是不可弥补的，其技术性能影响整体的测试精度，因此，它必须具有以下技术性能：精度，因此，它必须具有以下技术性能：按

4、按输入量输入量分类分类：（被测物理量）：（被测物理量）l测力传感器测力传感器输入信号为力信号；输入信号为力信号；l位移传感器位移传感器输入信号为位移信号；输入信号为位移信号；l温度传感器温度传感器被测量为温度。被测量为温度。按按输出量输出量分类分类：（输出参量）：（输出参量）l发电型传感器（主动型或能量转换型）：发电型传感器（主动型或能量转换型）：输出电源性参量，如电势、电荷；输出电源性参量，如电势、电荷；l电路参量型传感器（被动型或能量控制电路参量型传感器（被动型或能量控制型）：输出电路参数，如电阻、电容、电型）：输出电路参数，如电阻、电容、电感。感。便于便于选择选择使用使用便于便于学习学习

5、研究研究 按按工作机理工作机理分类分类l结构型：靠结构型：靠结构参数变化结构参数变化实现实现信号变换信号变换，如如变极变极距式电容传感器距式电容传感器l物性型：靠传感器内部的物性型：靠传感器内部的物理、化学性质变化物理、化学性质变化实实现传感功能现传感功能，如如压电压电、热电传感器热电传感器2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器工作原理：将被测物理量转化为电路参数工作原理：将被测物理量转化为电路参数，主要包含主要包含电阻、电容、电阻、电容、电感三电感三种形式。种形式。直线位移电位计直线位移电位计 应变电阻应变片应变电阻应变片 温度热敏电阻温度热敏电阻 热线风速计热线风速计 流体压力金属流体压力金

6、属丝压敏传感器丝压敏传感器lR（阻值变化范围阻值变化范围）较大：）较大：0Rl代表型式：代表型式：滑线式变阻器滑线式变阻器或称或称电位器电位器（测量线位（测量线位移或角位移）移或角位移）l结构特点：电阻材料导线结构特点：电阻材料导线覆以绝缘涂层后排绕而成，覆以绝缘涂层后排绕而成，在工作表面上磨去绝缘层。在工作表面上磨去绝缘层。弹性导体制成的电刷在工弹性导体制成的电刷在工作表面上滑动，随着电刷作表面上滑动，随着电刷位移的变化而引起电阻值位移的变化而引起电阻值的变化。的变化。导线导线电刷电刷l电刷每通过电刷每通过一根导线，一根导线，电电阻就突变一次阻就突变一次，电阻，电阻变化变化是梯形的是梯形的。

7、分辨率。分辨率，两，两导线之间容易形成短路。导线之间容易形成短路。l不宜实现动态测试。容易不宜实现动态测试。容易产生电刷的较大震动，影产生电刷的较大震动，影响测量精确度。响测量精确度。l阻值范围大，精度低。阻值范围大，精度低。位移电阻式传感器位移电阻式传感器线绕电位器实物图线绕电位器实物图电阻应变片的结构：电阻应变片的结构： 电阻丝电阻丝基基 片片覆盖层覆盖层 引线引线覆盖层覆盖层基片基片电阻丝电阻丝 lR很小：很小：0 N%Rl代表型式：代表型式：电阻应变片电阻应变片，体积体积小、动态响应快、小、动态响应快、测量精度高、使用简便测量精度高、使用简便 应变电阻丝（敏感元件）应变电阻丝（敏感元件

8、）胶接胶接在绝缘薄膜材料在绝缘薄膜材料基片基片上。上。 使用时，将此带有应变电阻丝的使用时，将此带有应变电阻丝的基片基片再再胶接胶接在在被测应变被测应变构件构件上，使上，使被测应变通过基片带动应变电阻丝变形，使电阻被测应变通过基片带动应变电阻丝变形，使电阻发生相应的变化发生相应的变化，电阻的变化值与被测构件的应变值存在一，电阻的变化值与被测构件的应变值存在一定的函数关系，从而实现应变到电阻的转换。定的函数关系，从而实现应变到电阻的转换。 l当电阻丝在长度方向变形时，其长度当电阻丝在长度方向变形时，其长度l，截面积，截面积S和电阻率和电阻率均会变化，引起电阻均会变化，引起电阻R的变化。的变化。l

9、若电阻丝的截面是半径为若电阻丝的截面是半径为r的圆形，则的圆形，则 导体的电阻值导体的电阻值2rlSlR电阻丝长度电阻丝长度 电阻率电阻率电阻丝横截面积电阻丝横截面积 drdrldlRdR2EdL/ERdRL21上述各式代入上述各式代入总总式式，ldlrdr纵纵向应变向应变 又又泊松比泊松比压阻系数压阻系数 Ld/E正应力正应力弹性模量弹性模量 EL 21对于金属材料对于金属材料故故电阻丝阻值的变化与其纵向应变电阻丝阻值的变化与其纵向应变 成线性关系，实成线性关系，实现应变到电阻的转换。现应变到电阻的转换。21RdR 被被测构件表面的打磨、清洗、胶层涂布、粘测构件表面的打磨、清洗、胶层涂布、粘

10、贴以及胶层固化等各工序均贴以及胶层固化等各工序均 非常重要非常重要! !被测物理量被测物理量 电容量变化电容量变化类型类型：变极距型，变面积型、变介电常数型变极距型，变面积型、变介电常数型 两平行两平行平面平面间间的电容的电容SC0极板间介质的极板间介质的相对介电常数相对介电常数 真空介电常数真空介电常数 两极板间相两极板间相互覆盖面积互覆盖面积 极板间距离极板间距离 定极板固定，定极板固定，动极板随被动极板随被测位移而测位移而移移动动 上、下极板上、下极板固定，中间固定，中间极板极板活动活动。（差动型）（差动型） （1）变变极距（极距（）型）型SC0l电容极距电容极距非线性非线性关系关系l减

11、小非线性误差，在减小非线性误差，在极小测量范围内极小测量范围内工作，工作，获得获得近似线性近似线性的特性。的特性。 为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件(电源电压、电源电压、环境温度环境温度)变化的影响，采用差动型式电容传感器。变化的影响，采用差动型式电容传感器。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，二边电容相等。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，二边电容相等。测量时，中间极板向左或右平移，就会引起电容量的左增右减或反之测量时，中间极板向左或右平移，就会引起电容量的左增右减或反之。两边电容的差值两边电容的差值C1-C2为二者之和为二者之和 优点：优点

12、：l灵敏度增大灵敏度增大l零点附近的线性度增强零点附近的线性度增强l上、下两极板固定，中上、下两极板固定，中间极板活动。间极板活动。（2）变面积（）变面积（S）型）型（3）变介电常数（）变介电常数（ ）型）型（4）应用实例）应用实例电容式键盘电容式键盘被测被测物理量（位移、力等）物理量（位移、力等） 自感自感L或互感或互感M的的变化变化：电磁感应原理。电磁感应：电磁感应原理。电磁感应定律定律(1831年年)：当一个线当一个线圈中圈中电流电流I变化变化时，该电流产生的时，该电流产生的磁通磁通 也也随之变化，因而在随之变化，因而在线圈本身产生感应线圈本身产生感应电势电势 自感自感。l形式：形式：自

13、感式、互感式、涡流式、压磁式等自感式、互感式、涡流式、压磁式等输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方便等。输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方便等。（1）自感式传感器）自感式传感器缠绕在铁芯上的线圈中通以缠绕在铁芯上的线圈中通以交变电流交变电流I，产生磁通，产生磁通 m，形成磁通回路。磁通与电流形成磁通回路。磁通与电流的关系的关系 ： 导磁长度导磁长度气隙宽度气隙宽度SS0 l导磁面积导磁面积mRNL/2代入上式，得代入上式，得 ：磁路欧姆定律磁路欧姆定律 ：LINm线圈匝数自感系数mmRNI磁电动势磁阻002SSlRm221002002SNSSlNL若若仅使其中一个参量变化，即得仅

14、使其中一个参量变化，即得L与该参量的单值函数关系，与该参量的单值函数关系，因而可做成各种电感式传感器。因而可做成各种电感式传感器。 磁阻的公式：磁阻的公式：mRNL/2 l 各段导磁体的长度各段导磁体的长度 各段导磁体的磁导率各段导磁体的磁导率S 各段导磁体的截面积各段导磁体的截面积 空气隙的厚度空气隙的厚度 0 真空磁导率真空磁导率S0 空气隙截面积空气隙截面积通常通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即即 2002SNL变气隙型传感器变气隙型传感器 SfL2 1fL a) a)变气隙型变气隙型 b)b)变面积型变面积型 c) c)螺线管型螺线管型 （改变有效线

15、圈匝数）改变有效线圈匝数） NfL2变面积型传感器变面积型传感器 螺线管型传感器螺线管型传感器 电感气隙电感气隙非线性关系非线性关系提高精度和灵敏度，增大线性段提高精度和灵敏度，增大线性段 差动式差动式结构要求：两导磁体尺寸性能完全相同结构要求：两导磁体尺寸性能完全相同 两两个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同1-铁芯2-线圈3-衔铁变隙式自感压力传感器结构图变隙式自感压力传感器结构图l压力压力进入膜进入膜盒，盒，膜盒的膜盒的顶顶端产生端产生与压力与压力P P大小成正比大小成正比的的位移位移l衔铁衔铁发生发生移动移动，气隙气隙发生发生变化变化，流过线圈的，流

16、过线圈的电流发电流发生生相应的相应的变化变化l电流表电流表A A的指示值就反映了的指示值就反映了被测压力的大小。被测压力的大小。 应用应用实例实例变隙差动式电感压力传感器变隙差动式电感压力传感器l被被测压力进入测压力进入C C形弹簧形弹簧管，管，弹簧弹簧管产生管产生变形变形l自由自由端发生位移，端发生位移，带动衔带动衔铁运动铁运动l线圈线圈1 1和线圈和线圈2 2中的电感发中的电感发生大小相等、符号相反的生大小相等、符号相反的变化，即变化，即一个电感量增大，一个电感量增大，另一个电感量减小另一个电感量减小。l电感的变化电感的变化通过电桥电路通过电桥电路转换成电压输出转换成电压输出。应用应用实例

17、实例输出输出电压与被测压力之间成比例关系，电压与被测压力之间成比例关系， 只要只要用检测仪表测量用检测仪表测量出输出电压，出输出电压， 即可得知被测压力的大小。即可得知被测压力的大小。 （2）互感式传感器）互感式传感器l被测被测物理量物理量 互感系数互感系数l原理类似于变压器，原理类似于变压器，又又称为称为变压器式传感器，一般采用差动变压器式传感器，一般采用差动形式，简称为形式，简称为差动变压器差动变压器。l与自感式的不同：把被测量的变化转换成与自感式的不同：把被测量的变化转换成线圈互感的变化线圈互感的变化，再经变换成为电压信号输出。再经变换成为电压信号输出。原线圈原线圈副线圈副线圈l当当E

18、E1 1、R R1 1、L L1 1、 确定时，副线圈感应电势确定时，副线圈感应电势E E2121是互感系数是互感系数MM的的单值函数单值函数。l互感系数互感系数MM是是原、副线圈的原、副线圈的匝数匝数、长度长度、相互位置相互位置，以及整个，以及整个磁路磁阻等因素的函数。变化其中一个参数都会改变互感大小，磁路磁阻等因素的函数。变化其中一个参数都会改变互感大小，进而改变感应电势。进而改变感应电势。l直接直接输出电压输出电压。MLjREjE11121交变电流角频率原线圈交变电势互感系数原线圈电阻副线圈感应电势副线圈感应电势原线圈自感1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线

19、微小位移的测量微小位移的测量应用应用实例实例1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计 压力测量压力测量应用应用实例实例张力测量张力测量应用应用实例实例：被被测测物理量物理量 电源电源性参数，包括性参数，包括磁电磁电型、压电型、热电型和光电型等型、压电型、热电型和光电型等。NBlvdtdN为磁通量B为磁感应强度l为导体长度v相对运动速度dtd磁铁与线圈

20、之间作相对运动磁铁与线圈之间作相对运动磁路中的磁阻变化磁路中的磁阻变化变化关键变化关键（1）法拉第电磁感应定律）法拉第电磁感应定律磁电式磁电式动圈式动圈式动磁铁式动磁铁式变磁阻式变磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型动圈式：测量直线速度动圈式：测量直线速度动圈式：测量角速度动圈式：测量角速度动磁铁式动磁铁式 ：测量直线速度：测量直线速度变磁阻式变磁阻式感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比感应电动势与线圈相对磁铁运动线速度或角速度正比BSBSeBlvBlve009090sinsin B气隙磁感应强度(Wb/m2) l 线圈导线总长度(m) S线圈所包围的面积(m2) v线圈和磁铁间相

21、对运动的速度(m/s)线圈和磁铁间相对旋转运动的角速(rad/s)运动方向与磁感应强度方向的夹角式中：磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势磁铁和线圈的相对运动产生切割磁力线从而产生感应电势图为测量直线运动速度的传感器。图为测量直线运动速度的传感器。由两层线圈，线由两层线圈，线圈圈1绕在薄层绝缘材料圆筒绕在薄层绝缘材料圆筒2上，与外壳上，与外壳4固结在一起；固结在一起；线圈线圈3绕在由铁磁材料制成的内轴上，分两段绕制；绕在由铁磁材料制成的内轴上，分两段绕制；外壳外壳4由铁磁材料制成。由铁磁材料制成。 1-1-线圈；线圈；2-2-圆筒圆筒；3-3-线圈线圈；4-4-外壳；外壳；l对线

22、圈对线圈1通以通以直流电流直流电流，所产生的磁通量沿内轴，所产生的磁通量沿内轴气隙气隙外壳形成封闭回路。外壳形成封闭回路。l内轴与外壳相对运动时，两边气隙中的线圈内轴与外壳相对运动时，两边气隙中的线圈切割切割磁力线磁力线而使线圈中而使线圈中产生感应电势产生感应电势，因两边气隙中，因两边气隙中磁通量方向相反，故左右两边线圈所产生的感应磁通量方向相反，故左右两边线圈所产生的感应电势方向相反。电势方向相反。l如作如作反向串接反向串接，则两边的感应电势相互相加而，则两边的感应电势相互相加而提提高其灵敏度高其灵敏度。l输出感应电势与内轴和外壳相对运动速度成正比。输出感应电势与内轴和外壳相对运动速度成正比

23、。因此，可用输出电势来测量因此，可用输出电势来测量相对运动速度相对运动速度。图为相对图为相对振动式速度传感器振动式速度传感器。中心细轴。中心细轴l由片状弹簧由片状弹簧2支承在支承在外壳外壳6上，可以作左右直线移动，轴上安装有感应线圈上，可以作左右直线移动，轴上安装有感应线圈4。永。永久磁铁久磁铁3固定在外壳固定在外壳6上，与外壳形成封闭回路，留有一工作上，与外壳形成封闭回路，留有一工作气隙。线圈气隙。线圈4处于此工作气隙中。处于此工作气隙中。 1-顶杆顶杆 2-弹簧片弹簧片3-磁铁磁铁 4-线圈线圈5-引出线引出线 6-外壳外壳256使用时，将壳体固定在一个构件上，同时将小轴使用时，将壳体固定

24、在一个构件上，同时将小轴1伸出的顶杆伸出的顶杆顶在另一需测的相对运动的构件上，并作预紧，当两构件发生顶在另一需测的相对运动的构件上，并作预紧，当两构件发生相对振动时，相对振动时，小轴相对于壳体小轴相对于壳体，即线圈相对于磁通作直线振动，即线圈相对于磁通作直线振动，线圈中产生感应电动势，这一电势反应构件间的相对运动速度。线圈中产生感应电动势，这一电势反应构件间的相对运动速度。 1-顶杆顶杆 2-弹簧片弹簧片3-磁铁磁铁 4-线圈线圈5-引出线引出线 6-外壳外壳2561. 工作原理工作原理沿一定方向对某些晶体电介质材料施加外力使沿一定方向对某些晶体电介质材料施加外力使之变形时，其表面将产生电荷，

25、外力去除后，介质表面又回之变形时，其表面将产生电荷，外力去除后，介质表面又回到不带电的状态。到不带电的状态。对电介质表面施以电场，则介质将产生机械变对电介质表面施以电场，则介质将产生机械变形。形。 若外加作用力由压力变为拉力，则介质若外加作用力由压力变为拉力，则介质表面上所产生的电荷的符号相应改变。表面上所产生的电荷的符号相应改变。压电材料：压电材料：具有压电效应的材料：具有压电效应的材料：l压电晶体压电晶体天然的单晶体，如天然石英晶体等；天然的单晶体，如天然石英晶体等；l压电陶瓷压电陶瓷人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅酸铅(简称简称PZT)等；等；l压电薄

26、膜压电薄膜:用有机聚合物的铁电体加工出用有机聚合物的铁电体加工出具有柔具有柔性的薄膜压电材料，常用的有聚偏氟乙烯性的薄膜压电材料，常用的有聚偏氟乙烯(PVF2)等，它适用于特殊表面形状上的测力处，是一种等，它适用于特殊表面形状上的测力处，是一种很有前途的压电材料。很有前途的压电材料。性能稳定，性能稳定，机械性能机械性能好好（一）石英晶体（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体天然形成的石英晶体外形外形石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装双面镀银并封装双面镀银并封装2022-7-263石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中石英晶体在

27、振荡电路中工作时，压电效应与逆压电工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。定的振荡输出频率。晶振晶振（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系）及非铅系压电陶瓷压电陶瓷 （如（如Ba

28、TiOBaTiO3 3等）。等）。 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 （三）高分子压电材料（三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯）、改性聚氯乙烯（乙烯（PVCPVC）等。它是一种柔软的压电材料，可）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较面积或较长的尺度，价格便宜

29、，频率响应范围较宽，测量动态范围可达宽，测量动态范围可达80dB80dB。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 2022-7-268高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 下图给出的是压电式力传感器示意图。两片压电晶体片对放下图给出的是压电式力传感器示意图。两片压电晶体片对放(以提高传感器灵敏度以提高传感器灵敏度) 。被测力作用在弹性顶盖上，直接传。被测力作用在弹性顶盖上，直接传递到压电片上，压电片受力变形产生电荷，由引线输出。所递到压电片上，压电片受力变形产生电荷，由引线输出。所输

30、出的电荷大小反映作用力的数值。输出的电荷大小反映作用力的数值。2.2.压电传感器压电传感器l自发自发电型传感器电型传感器，以电介质的压电效应为基础，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。电量测量。l可以可以对各种对各种动态力动态力、机械冲击和振动机械冲击和振动进行测量，进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。用。l具有具有体积小体积小、质量轻质量轻、频响高频响高、信噪比大信噪比大等特点。等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、由于它没有运动部件，

31、因此结构坚固、可靠性、稳定性高。稳定性高。光纤传感器光纤传感器(FOS: Fiber Optical Sensor)是是20世纪世纪70年代中期年代中期发展起来的一种发展起来的一种基于光导纤维基于光导纤维的新型传感器的新型传感器。光纤。光纤传感器传感器用用光作为敏感信息的载体光作为敏感信息的载体，用，用光纤光纤作为作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。特点：特点： l电绝缘性能好电绝缘性能好l抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强l非侵入性非侵入性l高灵敏度高灵敏度l容易实现对被测信号的远距离监控容易实现对被测信号的远距

32、离监控2.4.1 概述概述各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 光缆光缆光纤传感器光纤传感器2.4.2 光纤及其结构光纤及其结构光纤光纤是用玻璃、石英、塑料等是用玻璃、石英、塑料等光透射率高的电介质光透射率高的电介质制制作的极细纤维，在近红外线至可见光范围内传输作的极细纤维，在近红外线至可见光范围内传输损耗损耗非常小非常小，是极为理想的传输线路。，是极为理想的传输线路。结构：结构：中心中心部分部分( (纤芯纤芯) )之外覆盖一层折射率比它稍低的之外覆盖一层折射率比它稍低的介质介质( (包层包层) )，当满足一定条件时，光就被当满足一定条件时，光就被“束缚束缚”在在光光纤里面纤里面传播。传播。

33、当当光线以较小的入射角由光密媒质光线以较小的入射角由光密媒质n1射入光疏媒质射入光疏媒质n2时时2211sinsinnn若继续加大入射角若继续加大入射角,使得折射角为使得折射角为90度，此时入射角为？度，此时入射角为？ 2折射光折射光反射光反射光1入射光入射光折射率折射率n2折射率折射率n1界面法线界面法线折射光折射光若若继续加大入射角继续加大入射角, 光不再产生折射光不再产生折射，而只有在，而只有在光密媒光密媒质中的反射，即形成了质中的反射，即形成了光的全反射现象光的全反射现象2c1arcsin()nn2.4.3 光纤的传光原理光纤的传光原理2.4.3 光纤的传光原理光纤的传光原理特点：特点

34、：l低衰减、柔性好低衰减、柔性好l信息量大、频带宽以及不受外界干扰信息量大、频带宽以及不受外界干扰l防水性、绝缘性防水性、绝缘性l尺寸小、质量轻尺寸小、质量轻l节省贵重金属、成本低。节省贵重金属、成本低。 按按光纤光纤材料材料分类分类l高高纯度石英纯度石英(SiO2)玻璃纤维玻璃纤维这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为0.47 dB/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 dB/km。l多多组分玻璃光纤组分玻璃光纤用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时，用常规玻璃制成，损耗也

35、很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长时，最低损耗为最低损耗为3.4 dB/km。l塑料光纤塑料光纤用人工合成导光塑料制成用人工合成导光塑料制成，损耗，损耗较大较大，达到，达到100200 dB/km。但但重量重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。2.4.4 光纤传感器类型光纤传感器类型l传输型光纤传感元件：传输型光纤传感元件：利用光纤的低损耗传输功利用光纤的低损耗传输功能；能；l传感型光纤元件：传感型光纤元件：利用光纤本身特性受被测参数利用光纤本身特性受被测参数影响发生变化，如其中光波的强度、相位、偏振影响发生变化，如其中光波的强度、相位、偏振面或频率

36、，通过测量光纤中面或频率，通过测量光纤中光波的这些特性参数光波的这些特性参数，来感知被测量大小。以此原理制成的传感元件为来感知被测量大小。以此原理制成的传感元件为传感性光纤元件。传感性光纤元件。 2.4.4 光纤光纤传感器类型传感器类型l光源发出的光沿光纤传输，在传感元件上有一光源发出的光沿光纤传输，在传感元件上有一反反射面射面将此光束将此光束反射至接收光纤反射至接收光纤，再将之传输至接，再将之传输至接收器后加以处理，由显示器读出读数。收器后加以处理，由显示器读出读数。l工作时，传感元件的工作时，传感元件的反射表面角度随被测参数变反射表面角度随被测参数变化化，使接收光纤所接受的光通量改变，显示

37、器显，使接收光纤所接受的光通量改变，显示器显示示光通量变化光通量变化，即反映出被测参数的变化。，即反映出被测参数的变化。l据此原理可做成反映据此原理可做成反映位移变化位移变化或可转化成位移变或可转化成位移变化参数的传感器。化参数的传感器。 2.4.5 反射式光纤传感器反射式光纤传感器l由光源发射的光经敏感元件二次反射后由接收光由光源发射的光经敏感元件二次反射后由接收光纤送到接收器处理后作显示。纤送到接收器处理后作显示。l工作时，敏感元件材料工作时，敏感元件材料对光的吸收率对光的吸收率随被测参数随被测参数变化，而使显示值发生变化。变化，而使显示值发生变化。l用此原理制成的用此原理制成的光纤温度传

38、感器光纤温度传感器：用半导体砷化：用半导体砷化钾作敏感元件，其钾作敏感元件，其光吸收率随温度而变化光吸收率随温度而变化。2.4.6 吸收式光纤传感器吸收式光纤传感器l光源发出的光经半透明反分光镜分光后，一束由参考光纤传光源发出的光经半透明反分光镜分光后，一束由参考光纤传输，另一束由敏感光纤传输，两束光均送入接收器，经比较输，另一束由敏感光纤传输，两束光均送入接收器，经比较后，后，显示器显示出其差异值。显示器显示出其差异值。l参考光纤不发生变化，敏感光纤受被测参数作用而产生传输参考光纤不发生变化，敏感光纤受被测参数作用而产生传输特性变化，使通过特性变化，使通过光波的有关参数光波的有关参数(光强、

39、相位、偏振面、频光强、相位、偏振面、频率率)发生变化，将此变化的光波与末变化的参考光波相比较后发生变化，将此变化的光波与末变化的参考光波相比较后作出显示，反映被测参量的数值。作出显示，反映被测参量的数值。l用此原理可做成用此原理可做成测量压力、水声、振动、温度测量压力、水声、振动、温度以及大电流测以及大电流测量的传感器。量的传感器。 2.4.7 调制调制式光纤传感器式光纤传感器2.4.8 应用实例应用实例激光报警器激光报警器光纤式光电开关光纤式光电开关标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测当当光纤发出的光穿过光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置说明电路板

40、方向放置正确。正确。光纤耦合器光纤耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤图图1采用采用遮断型光遮断型光纤光电开关对纤光电开关对IC芯片芯片引脚进引脚进行检测行检测发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。上海东方明珠上海东方明珠光纤液位传感器光纤液位传感器 保护保护管内为高温管内为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度传感器光纤温度传感器 l传感器传感器(通过信号调理电路通过信号调理电路)与微处理器赋予足够的与微处理器赋予足够的智能结合智能结合，并兼有信息检测与信息处理功能的传，并兼有信息检测与信息处理功能的传感器。感器。 l说明：说明：不是简单的将传感器和微处理机集成在一不是简单的将传感器和微处理机集成在一块芯片上。块芯片上。2.5 智能传感器智能传感器l自校零、自标定、自校正功能；