傳感與測(cè)試技術(shù)-光纖傳感器ppt課件

1、第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器根本任務(wù)原理：外界環(huán)境要素如壓力、根本任務(wù)原理：外界環(huán)境要素如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等變化時(shí)，將引起光溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光?qiáng)、相位、頗率、纖傳輸?shù)墓獠?，如光?qiáng)、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此，假設(shè)能丈量出光偏振態(tài)等變化。因此，假設(shè)能丈量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)光波量變化的壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小。等物理量的大小。光纖光纖光纜直徑光纜直徑85m 光纜光纜人的頭發(fā)人的頭發(fā)Core62.5m 125m 光纖構(gòu)造光纖構(gòu)造它由折射率它由折射率

2、n1較大較大(光密介質(zhì)光密介質(zhì))的纖芯，和的纖芯，和折射率折射率n2較小較小(光疏介質(zhì)光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱構(gòu)造。層同心圓柱構(gòu)造。纖芯纖芯包層包層維護(hù)套維護(hù)套光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理 根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1n2)時(shí)，那么一部分入射光將以折射角2折射入介質(zhì)2，其他部分仍以1反射回介質(zhì)1。 根據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有: 當(dāng)2=90時(shí)，入射 角1稱為臨界角c 當(dāng)1c時(shí)，光線 發(fā)生全反射2211sinsinnn光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理 光線由折射率為n0的外界介質(zhì)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射

3、角)為:222101sinnnnic光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理 數(shù)值孔徑：n0sinic，用NA表示。當(dāng)n0=1時(shí)，sin-1NA =ic即為端面入射臨界角。 光纖的數(shù)值孔徑越大，闡明在越大的入射角范圍內(nèi)入射的光線均可在光纖界面實(shí)現(xiàn)全反射。 作為傳感器的光纖，普通采用4 . 02 . 0 NA光纖傳感器光纖傳感器分類：分類：功能型光纖傳感器：功能型光纖傳感器：構(gòu)外型光纖傳感器：構(gòu)外型光纖傳感器：功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 利用對(duì)外界信息具有敏感才干和檢測(cè)功能的光利用對(duì)外界信息具有敏感才干和檢測(cè)功能的光纖纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳和和“感感合為一體的傳感器。

4、傳感器中的光纖是延續(xù)合為一體的傳感器。傳感器中的光纖是延續(xù)的。的。構(gòu)外型光纖傳感器原理構(gòu)外型光纖傳感器原理 在構(gòu)外型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介在構(gòu)外型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對(duì)外界信息的質(zhì)，對(duì)外界信息的“覺得覺得功能是依托其它功能功能是依托其它功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不延續(xù)的，其元件來完成的。傳感器中的光纖是不延續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。件。光纖傳感器的運(yùn)用光纖傳感器的運(yùn)用光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維加光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維加強(qiáng)塑料及各種復(fù)合資料中，用于測(cè)試應(yīng)強(qiáng)塑料及各種復(fù)合資料

5、中，用于測(cè)試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來力松弛、施工應(yīng)力和動(dòng)荷載應(yīng)力從而來評(píng)價(jià)橋梁短期、施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)形評(píng)價(jià)橋梁短期、施工階段和長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)形狀的構(gòu)造性能。狀的構(gòu)造性能。 光纖溫度傳感光纖溫度傳感 在電力系統(tǒng)，測(cè)定溫度、電流等參數(shù)。如對(duì)高在電力系統(tǒng)，測(cè)定溫度、電流等參數(shù)。如對(duì)高壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測(cè)，壓變壓器和大型電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測(cè)，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，在這些由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，在這些場(chǎng)所中只能用光纖傳感器。場(chǎng)所中只能用光纖傳感器。 當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前

6、傳播，在傳播中的每一光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播，在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好與入射光的方向相反亦稱為光的方向正好與入射光的方向相反亦稱為“背向背向。這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中。這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度越高，反射光溫度該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度越高，反射光的強(qiáng)度也越大。的強(qiáng)度也越大。光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小。損耗小。光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)

7、展超高速丈量，光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)展超高速丈量，靈敏度和線性度好。靈敏度和線性度好。光纖傳感器體積很小，分量輕，能在惡光纖傳感器體積很小，分量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)展非接觸式、非破壞性以及劣環(huán)境下進(jìn)展非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)間隔丈量。遠(yuǎn)間隔丈量。半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器任務(wù)原理：任務(wù)原理： 半導(dǎo)體資料對(duì)光、熱、力、半導(dǎo)體資料對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等量的敏感性。磁、氣體、濕度等量的敏感性。分類：分類：磁敏傳感器磁敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器 氣敏傳感器氣敏傳感器濕敏傳感器濕敏傳感器固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器磁敏傳感器磁敏傳感器 霍爾元件 ：利用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。 霍爾效應(yīng)：金

8、屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；魻栃?yīng)霍爾效應(yīng)VHbldIFLFEvB sinIBkVBH 霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示霍爾元件霍爾元件 基于霍爾效應(yīng)任務(wù)的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，基于霍爾效應(yīng)任務(wù)的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體資料?；魻栐叫桶雽?dǎo)體資料?；魻栐奖”?d越小越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只需就越大，薄膜霍爾元件厚度只需1m左右。左右。運(yùn)用舉例運(yùn)用舉例霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵無接觸式仿型加工

9、無接觸式仿型加工磁阻元件半導(dǎo)體磁阻元件半導(dǎo)體 磁阻元件是利用半導(dǎo)體資料的磁阻效應(yīng)(或稱高斯效應(yīng))來任務(wù)的。 磁阻效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的景象。 磁阻效應(yīng)與資料性質(zhì)、幾何外形有關(guān)。遷移率越大的資料，磁阻效應(yīng)越顯著。磁敏電阻的長(zhǎng)度與寬度的比越小，電阻率的相對(duì)變化越大。磁阻位移傳感器磁阻位移傳感器運(yùn)用運(yùn)用 磁敏感器：以地球磁場(chǎng)為基準(zhǔn)，丈量航天器姿磁敏感器：以地球磁場(chǎng)為基準(zhǔn)，丈量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強(qiáng)計(jì)本身是用來丈量空間環(huán)境態(tài)的敏感器。磁強(qiáng)計(jì)本身是用來丈量空間環(huán)境中磁場(chǎng)強(qiáng)度的。由于地球周圍每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)中磁場(chǎng)強(qiáng)度的。由于地球周圍每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度都可以由地球磁場(chǎng)模型事先確定，因此

10、利用度都可以由地球磁場(chǎng)模型事先確定，因此利用航天器上的磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得的信息與之對(duì)比便可以航天器上的磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得的信息與之對(duì)比便可以確定出航天器相對(duì)于地球磁場(chǎng)的姿態(tài)。確定出航天器相對(duì)于地球磁場(chǎng)的姿態(tài)。熱敏傳感器半導(dǎo)體熱敏傳感器半導(dǎo)體 熱敏傳感器：半導(dǎo)體溫度傳感器，由金屬氧化物(MnO2 、 CuO 、 TiO2)的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。電阻-溫度的關(guān)系為)11(00TTeRR熱敏元件及其溫度系數(shù)熱敏元件及其溫度系數(shù)熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的特點(diǎn) 靈敏度高，可測(cè)靈敏度高，可測(cè)0.0010.005的微小溫度變化的微小溫度變化 可測(cè)微小區(qū)域的溫度，體積小、熱慣性小、呼應(yīng)時(shí)間短可測(cè)微

11、小區(qū)域的溫度，體積小、熱慣性小、呼應(yīng)時(shí)間短 室溫下的熱敏電阻的阻值大，可以忽略導(dǎo)線電阻的影響室溫下的熱敏電阻的阻值大，可以忽略導(dǎo)線電阻的影響 可測(cè)的溫度范圍大可測(cè)的溫度范圍大-2001500 非線性大、對(duì)環(huán)境溫度敏感，丈量時(shí)易遭到干擾非線性大、對(duì)環(huán)境溫度敏感，丈量時(shí)易遭到干擾氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體資料，如氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體資料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、乙醇等時(shí)，電阻發(fā)生霧，如一氧化碳、乙醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。變化。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靈敏度高、呼應(yīng)快、價(jià)錢廉價(jià)、運(yùn)用方靈敏度高、呼應(yīng)快、價(jià)錢廉價(jià)、

12、運(yùn)用方便便氣體選擇性差，時(shí)間穩(wěn)定度欠佳氣體選擇性差，時(shí)間穩(wěn)定度欠佳 家用氣體報(bào)警器家用氣體報(bào)警器酒精檢測(cè)儀酒精檢測(cè)儀 濕敏傳感器濕敏傳感器 濕度：空氣中所含的水蒸氣的量。濕度：空氣中所含的水蒸氣的量。 原理：半導(dǎo)體資料吸附水后，其導(dǎo)電性能將變化原理：半導(dǎo)體資料吸附水后，其導(dǎo)電性能將變化 難點(diǎn)：難點(diǎn)： 空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多 液態(tài)水會(huì)使?jié)衩糍Y料腐蝕和老化液態(tài)水會(huì)使?jié)衩糍Y料腐蝕和老化 濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封 對(duì)濕敏器件要求是在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、對(duì)濕敏器件要求是在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、呼應(yīng)時(shí)間

13、短、壽命長(zhǎng)、有互換性、耐污染和受溫呼應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、有互換性、耐污染和受溫度影響小等。度影響小等。電子式濕度計(jì)電子式濕度計(jì)電阻式濕度傳感器電阻式濕度傳感器電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器固體圖像傳感器是一個(gè)能把接納到的光固體圖像傳感器是一個(gè)能把接納到的光像分成許多個(gè)小單元像素，并將他像分成許多個(gè)小單元像素，并將他們轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后順序地保送出去們轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后順序地保送出去的器件。中心部分是電荷耦合器件的器件。中心部分是電荷耦合器件CCD。CCD構(gòu)造構(gòu)造 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體MOS 并行信號(hào)存放器并行信號(hào)存放器 用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷用于暫時(shí)儲(chǔ)存感光后產(chǎn)生的電荷 串行信號(hào)存放器串行信號(hào)存放器 用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行積存器的用于暫時(shí)儲(chǔ)存并行積存器的 模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大模擬信號(hào)并將電荷轉(zhuǎn)移放大 信號(hào)放大器信號(hào)放大器-用于放大微弱用于放大微弱 電信號(hào)電信號(hào)成像系統(tǒng)組成成像系統(tǒng)組成UV/white epi illuminationUV/white transilluminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white epi illuminationCCD傳感器的運(yùn)用傳感器的運(yùn)用組成測(cè)試儀器，可以丈量物位、尺寸、組成測(cè)試儀器，可以丈量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。工件損