光纖、紅外、激光傳感器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)8.1霍爾傳感器任務(wù)8.2壓電傳感器項目8其他類型的傳感器任務(wù)8.3超聲波傳感器任務(wù)8.4光纖、紅外、激光傳感器8.4

紅外傳感器

光纖傳感器

激光傳感器紅外傳感器不同的顏色和亮度代表不同的溫度

任何物體只要溫度高于絕對零度（-273.15℃），內(nèi)部原子就會作無規(guī)則運動，并不斷地輻射出熱紅外能量。紅外探測器可將物體輻射的紅外功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，在計算機成像系統(tǒng)的顯示屏上，將得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖。

紅外熱成像原理光學(xué)成像物鏡對準被測目標，被測物的紅外輻射能量成像在紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，一般工作在8~14μm波段上。人眼的視場與客觀世界光輻射的比較紫外光可見光紅外線紫外線可見光紅外線

客觀世界的光輻射人眼能感知的光輻射紅外熱像手指的血流圖狗手槍鉆的發(fā)熱部位CPU的紅外熱像.熱成像儀在電力領(lǐng)域的使用變電設(shè)備熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過熱位置白天的圖像與晚上的熱像對比熱像各種輸電設(shè)備的熱像輸電線接頭過熱各種電燈的熱象光纖傳感器光的全反射演示光的反射、折射當一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時,一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面,在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。光線的在兩種介質(zhì)界面的反射與折射a）θ1＞θc時的情況b）θ1=θc時的情況c）θ1＜θc時的情況光的全反射當減小入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當入射角小于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。各種裝飾性光導(dǎo)纖維發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到塔的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。光的全反射光纖的結(jié)構(gòu)1－纖芯2－包層3－緩沖層4－加強層5－PVC外套光纖的結(jié)構(gòu)（續(xù)）

光在光纖中的全反射

光纜的外形及光纖的拉制

光纖的類型a）階躍型b）梯度型c）單孔型折射率：光在真空中的傳播速度與光在該介質(zhì)中的傳播速度之比。材料的折射率越高，使入射光發(fā)生折射的能力越強。光纖的類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。典型多模光纖：50/125μm、62.5/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）梯度型光纖梯度型光纖的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低。單孔型光纖也稱為單模光纖，中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10μm)，只能傳一種模式的光纖。能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。典型單模光纖直徑：9/125μm（前者為纖芯直徑，后者為纖芯+包層直徑）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。光纖傳感器光纖傳感器就是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，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。光纖傳感器多用于高電壓、易爆等場合，不易產(chǎn)生電火花。光纖液位測量

當不存在液體時，在棱鏡探頭端面產(chǎn)生全部內(nèi)部反射。當存在著液體時，光線不能產(chǎn)生全部內(nèi)部反射，一部分光經(jīng)過折射后進入液體。兩種情況下，接收光強產(chǎn)生差異，從而達到檢測液位效果。光纖液位傳感器

光纖液位傳感器用于高壓變壓器

冷卻油的液位檢測1－鵝卵石2－冷卻油3－高壓變壓器4－高壓絕緣子5－冷卻油液位指示窗口6－光纖液位傳感器7－連通器光纖溫度傳感器1－感溫黑色殼體2－液晶3－入射光纖4－出射光纖LED發(fā)出的可見光投射到入射光纖中，經(jīng)過光纖的傳遞進入感溫黑色殼體中，感溫黑色殼體內(nèi)部充滿彩色液晶，入射光經(jīng)彩色液晶散射后進入出射光纖中，經(jīng)過光纖傳遞作用在光敏三極管上，形成輸出信號。當被測溫度升高時，彩色液晶的顏色就會變暗，光強度變?nèi)?，光進入出射光纖，作用在光敏三極管后進行放大，得到的輸出電壓反映被測溫度的變化。光纖溫度傳感器適用于遠距離防爆場所的溫度測量。保護管內(nèi)為作為敏感元件的高溫光纖低溫傳導(dǎo)光纖光纖溫度傳感器光纖混凝土應(yīng)變傳感器

1－入射光纖2－氣隙3－出射光纖4－鋼板5－混凝土6－光源光纖連接頭7－傳導(dǎo)光纖連接頭當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當受外力作用時，光纖則發(fā)生許多微彎，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，纖芯輸出的光強度相應(yīng)減小。埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器是針對橋梁混凝土箱梁、大壩壩體、高層建筑及其他混凝土構(gòu)件或預(yù)制件內(nèi)部應(yīng)力變形測量需求開發(fā)的高性能應(yīng)變計。光纖大電流傳感器

1－大電流導(dǎo)線2－光纖線圈當線偏振光（見光的偏振）在光纖中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度ψ與磁感應(yīng)強度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數(shù)V稱為費爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向，上述現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。B光纖大電流傳感器（續(xù)）

基于法拉第電磁效應(yīng)的光纖電流傳感器應(yīng)用于架空電纜線路的電流測量和記錄。光纖大電流傳感器

光纖式光電開關(guān)反射型遮斷型反射鏡反射型遮斷式光纖式光電開關(guān)應(yīng)用采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC芯片引腳進行檢測。激光傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。固體激光器：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器、釹玻璃激光器氣體激光器：二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器液體激光器：有機染料激光器4.半導(dǎo)體激光器：砷化鎵激光器激光傳感器激光的特點1.高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達到幾分甚至更小。所以通常稱激光是平行光。2.高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。3.單色性好單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用λ表示波長，△λ表示譜線寬度，△λ則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氪(Kr86)燈。它的而普通的氦氖激光器所產(chǎn)生的激光從上面數(shù)字可以看出：激光的譜線寬度比普通光源相比提高了幾萬倍，因此激光是最好的單色光源。激光的特點激光的特點4.高相干性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。激光是受激輻射光，它的波長分布范圍很窄，顏色很純，其振動、頻率、相位都高度一致。白光是復(fù)合光，其頻率、振動、相位都不一致。發(fā)生干涉時，激光形成的干涉圖樣更穩(wěn)定，所以激光的相干性比白光的好。激光的特點4.高相干性光的干涉：兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。兩束光波相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的必要條件是：①頻率相同；②光矢量(即電場強度矢量E)的振動方向相同；③在相遇處兩束光的相位差恒定。激光傳感器的應(yīng)用激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點，應(yīng)用于測量和加工等方面，可以實現(xiàn)無觸點遠距離的測量，而且速度高、精度高，測量范圍廣，抗光、電干擾能力強，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。激光位移傳感器半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號處理器5通過三角函數(shù)計算陣列4上的光點位置得到具體的位移。三角法測量原理激光測距傳感器探測系統(tǒng)向目標發(fā)射波束，波束被目標表面放射產(chǎn)生回波信號?；夭ㄐ盘栔兄苯踊蚝喗榈匕郎y信息。接收與信號處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號，獲得被測量?；夭ǚ治龇y量激光測距傳感器汽車防撞探測器激光測距傳感器用來監(jiān)測汽車前后方向與其他汽車的距離，當汽車間距小于預(yù)定安全距離時，汽車防碰撞系統(tǒng)對汽車進行緊急剎車，或者對司機發(fā)出報警，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點更加明顯。車流量監(jiān)控及車輪廓描畫激光測距傳感器固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對準一條車道的中間位置，當有車輛通行時，激光測距傳感器能實時輸出所測得的距離值的相對改變值，進而描繪出所測車的輪廓。這對于在重要路段監(jiān)控可以達到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對車身高度掃描的采樣率可以達到10厘米一個點（在40Km/h時，采樣率為11厘米一個點）。對車流限高，限長，車輛分型等都能實時分辨，并能快速輸出結(jié)果。激光測速雙光束短距離近紅外測量車速：通過雙光束測得激光傳感器與車輛的距離：L1和L2，由于光束間的夾角大小固定，因此可算出寬度W，由時間間隔：T2-T1，可得出車速。激光傳感器發(fā)射的是近紅外的光波，不能被雷達探測器、電子狗等