傳感器原理與應(yīng)用 (第二版) 黃賢武 鄭筱霞主編

x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出X1——被測量直接引起光源光量的變化X2——被測量在光傳播過程中調(diào)制光量對光量的調(diào)制方法：光導(dǎo)式傳感器1各種裝飾性光導(dǎo)纖維

2一、光纖的結(jié)構(gòu)

3光的反射、折射二、光纖的傳光原理4光的全反射5光在光纖中的全反射6光的全反射實驗7三、光纖分類1、按折射率：階躍型和梯度型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致。8。

梯度型：光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。92、按傳輸模式分單模光纖、多模光纖單模光纖單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“?！钡脑碓诶w芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。10光纖的損耗光纖在傳輸信號的過程中損耗應(yīng)盡量小且穩(wěn)定。在某些波長上，光纖的損耗非常小?？蛇x擇適當(dāng)波長的電光轉(zhuǎn)換元件與之匹配。11與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。

12

單模光纖必須采用能發(fā)射單一光譜的激光二極管，它在傳導(dǎo)過程中的發(fā)散損耗較小，穩(wěn)定性較高。激光二極管的與發(fā)光二極管的帶寬及效率的比較13專用的光纖連接頭及光纖插座光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴(yán)格對準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。專用的連接頭光纖插座141、按原理可分為功能型和非功能型利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以也稱傳感型光纖傳感器，或全光纖傳感器。利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號．所以也稱為傳光型傳感器．或混合型傳感器。功能型:非功能型:四、光纖傳感器基本工作原理及類型15光纖傳感器組成示意圖（a）傳感型；（b）傳光型16將光纖自身作為敏感元件，直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即：強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為:2、傳感型光纖傳感器17（1）強(qiáng)度調(diào)制（a）3、光纖傳感器的調(diào)制原理18(1)、強(qiáng)度調(diào)制（b）19光纖被夾在一對鋸齒板中間，當(dāng)光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當(dāng)鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?。例：微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d20原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當(dāng)受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強(qiáng)度相應(yīng)減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、聲壓，或檢測由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ321例1

光纖溫度開關(guān)1234圖水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀五、光纖傳感器的應(yīng)用22熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12例2遮光式光纖溫度計當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。

23例3透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器半導(dǎo)體的吸收光譜與材料的Eg有關(guān)，而Eg卻隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為：半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度的上升而增大。24這個性質(zhì)反映在半導(dǎo)體的透光性上則表現(xiàn)為：當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強(qiáng)度或透射率，即可檢測溫度變化。相對發(fā)光強(qiáng)度透射率LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2波長圖半導(dǎo)體透射測量原理25光纖環(huán)氧膠半導(dǎo)體反射膜利用半導(dǎo)體的吸收特性制作的光纖溫度傳感器的單端式探頭結(jié)構(gòu)如圖。光纖中的入射光線經(jīng)探頭頂部的反射膜反射后返回，在光路中放入對溫度敏感的半導(dǎo)體薄片對光進(jìn)行吸收，則出射光強(qiáng)將隨溫度的變化而變化。26例4膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。27將光纖用高溫火焰燒軟后對折，并將端部燒結(jié)成球形。光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強(qiáng)要大。檢測原理空氣液體例5球面光纖液位傳感器LEDPD12圖球面光纖液位傳感器探頭結(jié)構(gòu)28例6光纖渦街流量計

圖

光纖渦街流量計光源探測器光纖夾密封膠液體流管光纖張緊重物頻譜分析記錄當(dāng)流體流動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，在某些條件下會在流體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦。這種旋渦將會在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個旋渦產(chǎn)生并瀉下時，會在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力。若物體具有彈性，便會產(chǎn)生振動，振動頻率近似地與流速成正比。29例7光纖多普勒流速計30由激光光源(氫-氦激光)發(fā)出的光(頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體(被測體)振動，產(chǎn)生散射(頻率為fs)，被測物體的運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為式中fi為入射光頻率，fs為散射光頻率；

n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率；

λ為入射光在空氣中的波長；

ν為被測物體的運動速度。31例8光纖式光電開關(guān)反射型遮斷型32標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖例9光纖式光電開關(guān)應(yīng)用33遮斷型光纖光電開關(guān)出射光纖接收光纖例10光纖式光電開關(guān)應(yīng)用34采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC芯片引腳進(jìn)行檢測光纖式光電開關(guān)應(yīng)用35光纖圖像傳感器1．工業(yè)用內(nèi)窺鏡

圖

工業(yè)用內(nèi)窺鏡原理圖

圖

微機(jī)控