傳感與測試技術(shù)-光纖傳感器ppt課件

1、1第六節(jié)第六節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器基本工作原理：外界環(huán)境因素如壓力、溫度、電場、磁場等變化時，將引起光基本工作原理：外界環(huán)境因素如壓力、溫度、電場、磁場等變化時，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光強、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此，如果能測量出纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?、相位、頗率、偏振態(tài)等變化。因此，如果能測量出光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁光波量變化的大小，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小。場等物理量的大小。2光纖光纖3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 4光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)它由折射率它

2、由折射率n1較大較大(光密介質(zhì)光密介質(zhì))的纖芯，和折射率的纖芯，和折射率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)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。層同心圓柱結(jié)構(gòu)。纖芯纖芯包層包層保護套保護套5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)由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)射向光疏介質(zhì)2(即即n1n2)時，則一部分入射光將以折射角時，則一部分入射光將以折射角2折射入介質(zhì)折射入介質(zhì)2，其余部分仍以，其余部分仍以1反射反射回介質(zhì)回介質(zhì)1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有定律，有:當(dāng)當(dāng)2=90時，入射時，

3、入射 角角1稱為臨界角稱為臨界角c 當(dāng)當(dāng)1c時，光線時，光線 發(fā)生全反射發(fā)生全反射2211sinsinnn6光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理光線由折射率為光線由折射率為n0的外界介質(zhì)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角的外界介質(zhì)射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角始端最大入射角)為為:222101sinnnnic7光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑：n0sinic，用，用NA表示。當(dāng)表示。當(dāng)n0=1時，時，sin-1NA =ic即為端面入射臨界角。即為端面入射臨界角。光纖的數(shù)值孔徑越大，表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現(xiàn)全光纖的數(shù)值孔徑越大，表明在越大的入射角范圍內(nèi)入射的光線

4、均可在光纖界面實現(xiàn)全反射。反射。作為傳感器的光纖，一般采用作為傳感器的光纖，一般采用4 . 02 . 0 NA8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：結(jié)構(gòu)型光纖傳感器：結(jié)構(gòu)型光纖傳感器：9功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖(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。傳感器中的光纖是連續(xù)的。合為一體的傳感器。傳感器中的光纖是連續(xù)的。10結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理結(jié)構(gòu)型光纖傳感器原理在結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對外界信息的在結(jié)構(gòu)型

5、光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對外界信息的“感覺感覺”功能是功能是依靠其它功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部依靠其它功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。11光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態(tài)的松弛、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。

6、結(jié)構(gòu)性能。 12光纖溫度傳感光纖溫度傳感在電力系統(tǒng)，測定溫度、電流等參數(shù)。如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子在電力系統(tǒng)，測定溫度、電流等參數(shù)。如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，在這些場合中只能用光纖傳的溫度檢測，由于電類傳感器易受強電磁場的干擾，在這些場合中只能用光纖傳感器。感器。當(dāng)一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳當(dāng)一個光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳播中的每一點都會產(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播中的每一點都會產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向

7、正好與入射光的方向相反（亦稱為的方向相反（亦稱為“背向背向”）。這種背向反射光的強度與光纖中的反射點的溫）。這種背向反射光的強度與光纖中的反射點的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點的溫度（該點的光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點的溫度（該點的光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的強度也越大。強度也越大。13光纖傳感器的特點光纖傳感器的特點光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小。光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小。光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破

8、壞性以及遠(yuǎn)光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量。距離測量。14半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器工作原理：工作原理： 半導(dǎo)體材料對光、熱、力、磁、氣體、濕度等量的敏感性。半導(dǎo)體材料對光、熱、力、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15磁敏傳感器磁敏傳感器霍爾元件霍爾元件 ：利用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件。：利用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體磁電轉(zhuǎn)換元件?；魻栃?yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有

9、電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。16霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)VHbldIFLFEvB sinIBkVBH 霍爾電勢霍爾電勢17霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示18霍爾元件霍爾元件基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖』魻栐奖?d越小越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。左右。19應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器20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2

10、1無接觸式仿型加工無接觸式仿型加工22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)體材料的磁阻效應(yīng)磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)( (或稱高斯效應(yīng)或稱高斯效應(yīng)) )來工作的。來工作的。磁阻效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。磁阻效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。遷移率越大的材料，磁阻效應(yīng)越顯著。磁磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。遷移率越大的材料，磁阻效應(yīng)越顯著。磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。23磁阻位移傳感器磁阻位移傳感器24應(yīng)用應(yīng)用磁敏感

11、器：以地球磁場為基準(zhǔn)，測量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強計本身是用來測磁敏感器：以地球磁場為基準(zhǔn)，測量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強計本身是用來測量空間環(huán)境中磁場強度的。由于地球周圍每一點的磁場強度都可以由地球磁場模量空間環(huán)境中磁場強度的。由于地球周圍每一點的磁場強度都可以由地球磁場模型事先確定，因此利用航天器上的磁強計測得的信息與之對比便可以確定出航天型事先確定，因此利用航天器上的磁強計測得的信息與之對比便可以確定出航天器相對于地球磁場的姿態(tài)。器相對于地球磁場的姿態(tài)。25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，由金屬氧化物熱敏傳感器：半導(dǎo)體溫度傳感器，由金屬氧化物(MnO2

12、 、 CuO 、 TiO2)的粉末按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)系為溫度的關(guān)系為)11(00TTeRR26熱敏元件及其溫度系數(shù)熱敏元件及其溫度系數(shù)27熱敏電阻的特點熱敏電阻的特點靈敏度高，可測靈敏度高，可測0.0010.005的微小溫度變化的微小溫度變化可測微小區(qū)域的溫度，體積小、熱慣性小、響應(yīng)時間短可測微小區(qū)域的溫度，體積小、熱慣性小、響應(yīng)時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)線電阻的影響可測的溫度范圍大（可測的溫度范圍大（-2001500 ）非線性大、對

13、環(huán)境溫度敏感，測量時易受到干擾非線性大、對環(huán)境溫度敏感，測量時易受到干擾28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)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、乙醇等時，電阻發(fā)生變化。如一氧化碳、乙醇等時，電阻發(fā)生變化。特點：特點： 靈敏度高、響應(yīng)快、價格便宜、使用方便靈敏度高、響應(yīng)快、價格便宜、使用方便氣體選擇性差，時間穩(wěn)定度欠佳氣體選擇性差，時間穩(wěn)定度欠佳 29家用氣體報警器家用氣體報警器30酒精檢測儀酒精檢測儀 31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

14、所含的水蒸氣的量。原理：半導(dǎo)體材料吸附水后，其導(dǎo)電性能將變化原理：半導(dǎo)體材料吸附水后，其導(dǎo)電性能將變化難點：難點：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)水會使?jié)衩舨牧细g和老化液態(tài)水會使?jié)衩舨牧细g和老化濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封對濕敏器件要求是在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、響應(yīng)時間短、壽命長、有互換性、對濕敏器件要求是在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、響應(yīng)時間短、壽命長、有互換性、耐污染和受溫度影響小等。耐污染和受溫度影響小等。32電子式濕度計電子式濕度計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3

15、3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能把接收到的光像分成許多個小單元（像素），并將他們固體圖像傳感器是一個能把接收到的光像分成許多個小單元（像素），并將他們轉(zhuǎn)換為電信號，然后順序地輸送出去的器件。核心部分是電荷耦合器件（轉(zhuǎn)換為電信號，然后順序地輸送出去的器件。核心部分是電荷耦合器件（CCD）。）。34CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）并行信號寄存器并行信號寄存器 用于暫時儲存感光后產(chǎn)生的電荷用于暫時儲存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號寄存器串行信號寄存器 用于暫時儲存并行積存器的用于暫時儲存并行積存器的 模擬信號并將電荷轉(zhuǎn)移放大模擬信號并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號放大器信號放大器-用于放大微弱用于放大微弱 電信號電信號35成像系統(tǒng)組成成像系統(tǒng)組成UV/white epi illuminationUV/white transilluminationSampleCCD CameraLensFiltersUV/white epi illumination36CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點