《传感器技术及应用》课件-项目十一 新型传感器（一）

开封大学PAGEPAGE1项目十一新型传感器（一）课题：光纤传感器的结构、原理及应用课时安排：2课次编号：19教材分析难点：光纤传感器的调制原理重点：光纤传感器的应用教学目的和要求1、了解光纤传感器基础知识；2、掌握光纤传感器类型；4、了解光纤传感器的应用。采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂互动、分析教具：装饰用光纤各教学环节和内容任务一光纤传感器光纤传感器则以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号。光纤传感器的迅猛发展开始于1977年，至今已研制成功多种光纤传感器，可测量位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。一、光纤结构光纤包括纤芯、包层和涂敷层，它的外形与结构如图11-l所示。 图11-1光纤传感器的结构 图11-2光纤的传光原理 1纤芯；2包层；3保护层在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤的传输基于光的全内反射。设有一段圆柱形的光纤，如图11-2所示，当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会投射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出。二、光纤传感器的类型与原理1．类型（1）传光型光纤传感器在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件来完成。如图11-3所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。图11-3传光型光纤传感器组成示意图1被测对象；2光源；3光探测器；4光纤；5光敏感元件（2）传感型光纤传感器传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，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，传感器中的光纤是连续的，如图11-4所示。图11-4传感型光纤传感器组成示意图1被测对象；2光源；3光探测器；4光纤；5光纤敏感元件2．光纤传感器的调制原理光纤传感器以光学测量为基础，因此光纤传感器首先要解决的问题是如何将被测量的变化转换成光波的变化。实际上，只要使光波的强度、频率、相位或偏振态四个参数之一随被测量而变化，则此问题便获解决。通常，把光波随被测量的变化而变化称为对光波进行调制。按照调制方式可分为光强调制、相位调制、频率调制和偏振调制。1）光强调制利用被测量直接或间接改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为光强调制。2）相位调制利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物理量，称为相位调制。利用一些被测量引起光纤中光相位变化的原理组成的传感器，具有灵敏、灵活、多样的特点。光纤测温传感器就是利用光纤内传输的相位随温度参数的改变而改变的原理制成的。只要利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。由于应变或压力也会改变光纤的传输特性，使光信号相位变化，因此也可以检测应变和压力。光纤测温计是一种极灵敏的仪器，当参考光路平稳时，则可测出l/100℃的变化。3）波长调制利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理量，称为波长调制。该方法广泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析，以及用在光学滤波器上。4）频率调制利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量，称为频率调制。光频率调制是基于被测物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应，当光源发射出的频率为f1的光波照射到运动物体上，从该运动体反射的光波频率发生变化为f2，相对于原频率发生变化。在图11-6中，S为光源，N为运动物体，M为观察者所处的位置。若物体的运动速度为，其运动方向与NS和MN的夹角分别为θ1和θ2，则从S发出的光频率为f1，经过运动物体后将出现散射现象，观察者在M处观察到运动物体反射的频率为f2，根据多普勒原理得： （11-1）图11-6多普勒效应示意图根据这一原理可以制成光纤激光多普勒测振仪，测量灵敏度非常高。同时，还可应用于测血液流量，制成光纤多普勒血液流量计。3．光纤传感器的特点（1）传光性能、电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可在强电磁干扰下完成传统传感器不能完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量，损耗小于0.2dB/km。（2）质量轻、体积小、可挠性好，光波传输无电能和电火花，在恶劣环境下，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。（3）频带宽、动态范围大、对被测对象不产生影响，可进行非接触式、远距离测量，有利于提高测量精确度。光纤传感器和传统传感器相比，也有一些明显的缺点，例如，缺少兼容的执行机构，需要把光纤传感器输出的光信号转变成电信号，才能输入大多数装置和系统；现场连接困难，技术复杂，成本高，远不如电气接头简便、便宜。三、光纤传感器应用1．光纤传感器对位移的测量利用反射式光纤位移传感器测微小位移的原理图如图11-8（a）所示。（a）（b）图11-7反射式光纤位移传感器（a）原理图；（b）接收相对光强与距离的关系特性曲线1光源；2发射光纤；3被测物；4接收光纤；5光敏元件它利用光纤传送和接收光束，可以实现无接触测量。光源经一束多股光缆把光传送到传感器端部，并发射到被测物体上；另一束多股光缆把被测物反射出来的光接受并传递到光敏元件上，这两股光缆在接近目标之前汇合成Y形，汇合是将两束光缆里的光纤分散混合而成的。图11-7（a）中用白圈代表发射光纤，黑点代表接收光纤，汇合后的端面仔细磨平抛光。由于传感器端部与被测物体间距离d的变化，因此反射到接收光纤的光通量不同，可以反映传感器与被测物体间距离的变化。图11-7（b）是接收相对光强与距离d的关系，可见峰值的左的线段有很好的线性，可以来检测位移。光缆中的光纤根数往往多达数百，可测到几百微米的小位移。图11-8（a）所示是利用挡光原理测位移，图11-8（b）所示是利用改变斜切面间隙大小的原理测位移。这两种方法更为简单，但可测范围及线性不如反射法。（a）（b）图11-8光纤位移传感器的其他形式（a）利用挡光原理测位移；（b）利用改变斜切面间隙大小测位移1光纤1；2挡板；3光纤