传感器技术及应用（第二版）新型传感器.pptx

新型传感器;本章内容;学习目标;11.1光纤传感器; ;各种装饰性光导纤维;光纤的结构;光缆的外形及光纤的拉制;光的反射、折射;光的全反射;光在光纤中的全反射;11.1.2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。;;（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。;;2．光纤传感器的调制原理

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。

例如，微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成，例如一对锯齿板，如图11-5（a）所示。相邻齿之间的距离决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。;;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。

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。;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。波长调制技术比光强调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，通常要使用分光仪。但是，采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。波长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加???某些器件的稳定性不敏感，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。常采用传光型光纤传感器，即光纤只起传光作用。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。; ;光纤传感器的外形

;专用的光纤连接头及光纤插座;与光纤耦合的电光与光电转换器件;激光二极管的外形;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。;11.1.3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所示。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。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11-8（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。

光纤位移传感器测量范围为0.05mm～0.12mm，分辨率为0.01mm。光纤微位移传感器可测量位移为0.08nm，动态范围为110dB。;;保护管内为高温光纤;光纤的其他应用;频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

;纵波;超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇