光纖式傳感器

1、光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)突出，發(fā)展極快，自光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)突出，發(fā)展極快，自1977年以來，已研發(fā)出年以來，已研發(fā)出測(cè)量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)測(cè)量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 )arcsin(1

2、2nnC則射入的光線在光纖的界面上發(fā)生全反射則射入的光線在光纖的界面上發(fā)生全反射光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光線會(huì)在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播至光線會(huì)在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播至另一端面。實(shí)際工作時(shí)光纖可能彎曲，主要仍滿足全反射定另一端面。實(shí)際工作時(shí)光纖可能彎曲，主要仍滿足全反射定律，光線仍繼續(xù)前進(jìn)。由于光纖具有一定的柔軟性，很容易律，光線仍繼續(xù)前進(jìn)。由于光纖具有一定的柔軟性，很容易使光線轉(zhuǎn)彎，這給傳感器的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。使光線轉(zhuǎn)彎，這給傳感器的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光

3、電元件 212111001sinncosnsinnsinn22210n-nsinnC光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 傳光型光纖傳感器傳光型光纖傳感器光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最基本的調(diào)制形式。被測(cè)量通過光強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最基本的

4、調(diào)制形式。被測(cè)量通過影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)度的調(diào)制。影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)度的調(diào)制。從幾何光學(xué)角度講，調(diào)制的條件是：從幾何光學(xué)角度講，調(diào)制的條件是：)arcsin(12nn調(diào)制的具體途徑：調(diào)制的具體途徑：改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角；改變光纖纖芯或者包層的折射率、改變光纖纖芯或者包層的折射率、光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光纖彎曲光纖彎曲原來光束以大于臨界角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但原來光束以大于臨界角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在在彎曲處，光束以小于臨界角的角度入射到界面

5、。部分光逸出彎曲處，光束以小于臨界角的角度入射到界面。部分光逸出散射到包層。散射到包層。這種檢測(cè)原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力、位移和壓強(qiáng)等物理量的測(cè)量這種檢測(cè)原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力、位移和壓強(qiáng)等物理量的測(cè)量光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 折射率變化折射率變化改變光纖折射率實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法也很常用，對(duì)于不同的測(cè)量改變光纖折射率實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法也很常用，對(duì)于不同的測(cè)量對(duì)象可以采用不同的材料做包層，例如電光材料、磁光材料、對(duì)象可以采用不同的材料做包層，例如電光材料、磁光材料、光彈材料等。光彈材料等。上圖為光纖中光強(qiáng)度被油滴所調(diào)制的情況。上圖為光纖中光強(qiáng)度被油滴所調(diào)制的情況。光電傳感器第一節(jié)第

6、一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，性能穩(wěn)定，造價(jià)低反射式光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，在實(shí)際工作中得到了廣泛的應(yīng)用。由光廉，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，在實(shí)際工作中得到了廣泛的應(yīng)用。由光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖束傳輸入射到被測(cè)目標(biāo)表面，目標(biāo)表面的源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖束傳輸入射到被測(cè)目標(biāo)表面，目標(biāo)表面的反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起接收光纖束傳輸至光敏元件。根反射光由與發(fā)射光纖束扎在一起接收光纖束傳輸至光敏元件。根據(jù)被測(cè)目標(biāo)表面反射至接收光纖束的光強(qiáng)度變化來測(cè)量被測(cè)表面據(jù)被測(cè)目標(biāo)表面反射至接收光纖束的光強(qiáng)度變化來測(cè)量被測(cè)

7、表面距離的變化。距離的變化。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 工作原理圖工作原理圖由于光纖有一定的數(shù)值由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)光纖部緊貼被孔徑，當(dāng)光纖部緊貼被測(cè)件時(shí)，發(fā)射光纖中的測(cè)件時(shí)，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖光不能反射到接收光纖中去，接收光纖中無光中去，接收光纖中無光信號(hào)；當(dāng)被測(cè)表面逐漸信號(hào)；當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測(cè)表面的面光纖照亮被測(cè)表面的面積越來越大，于是相應(yīng)積越來越大，于是相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1越來越大，因而接收光纖越來越大，因而接收光纖端面上被照亮的端面上被照亮

8、的B2區(qū)也越來越大，有一個(gè)線性增長的輸出信區(qū)也越來越大，有一個(gè)線性增長的輸出信號(hào)；號(hào)；光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 工作原理圖工作原理圖當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r，當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r，輸出信號(hào)就達(dá)到了位移一輸出信輸出信號(hào)就達(dá)到了位移一輸出信號(hào)曲線上的號(hào)曲線上的“光峰點(diǎn)光峰點(diǎn)”，光峰點(diǎn)以前的這段曲線光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前坡區(qū)；當(dāng)被測(cè)表面叫前坡區(qū)；當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，由于被反繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，由于被反射光照亮的射光照亮的B2面積大于面積大于c，即有部分反射光沒有反射進(jìn)接收即有部分反射光沒有反射進(jìn)接收光纖，還由于接收光纖更加遠(yuǎn)離光纖，還由于接收光纖更加遠(yuǎn)離被測(cè)表

9、面，接收到的光強(qiáng)逐漸減被測(cè)表面，接收到的光強(qiáng)逐漸減小，光敏輸出器的輸出信號(hào)逐漸小，光敏輸出器的輸出信號(hào)逐漸減弱，進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。減弱，進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 在位移一輸出曲線的前坡區(qū)，在位移一輸出曲線的前坡區(qū)，輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非常輸出信號(hào)的強(qiáng)度增加得非?？欤@一區(qū)域可以用來進(jìn)行快，這一區(qū)域可以用來進(jìn)行微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡微米級(jí)的位移測(cè)量。在后坡區(qū)，信號(hào)的減弱約與探頭和區(qū)，信號(hào)的減弱約與探頭和被測(cè)表面之間的距離平方成被測(cè)表面之間的距離平方成反比，可用于距離較反比，可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高

10、的測(cè)量。在光峰區(qū)要求不高的測(cè)量。在光峰區(qū)信號(hào)達(dá)到最大值，其大小取信號(hào)達(dá)到最大值，其大小取決于被測(cè)表面的狀態(tài)。所以決于被測(cè)表面的狀態(tài)。所以這個(gè)區(qū)域可用于對(duì)表面狀態(tài)這個(gè)區(qū)域可用于對(duì)表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 所使用光纖束的特性是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的所使用光纖束的特性是影響這種類型光纖傳感器的靈敏度的主要因素之一。這些持性包括光纖的數(shù)量、尺寸和分布，主要因素之一。這些持性包括光纖的數(shù)量、尺寸和分布，以及每根光纖的數(shù)值孔徑：而光纖探頭端部的發(fā)射光纖和以及每根光纖的數(shù)值孔徑：而光纖探頭端部的發(fā)射光纖和接收光纖的分布狀況對(duì)探

11、頭測(cè)量范圍和靈敏度的大小有較接收光纖的分布狀況對(duì)探頭測(cè)量范圍和靈敏度的大小有較大影響。一般在光纖探頭的端部，發(fā)射光纖與接收光纖有大影響。一般在光纖探頭的端部，發(fā)射光纖與接收光纖有以下四種分布：以下四種分布：隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；半球形對(duì)開分布；半球形對(duì)開分布；共軸內(nèi)發(fā)射分布；共軸內(nèi)發(fā)射分布；共鈾外發(fā)射分布。共鈾外發(fā)射分布。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 隨機(jī)分布；隨機(jī)分布；半球形對(duì)開分布；半球形對(duì)開分布；共軸內(nèi)發(fā)射分布；共軸內(nèi)發(fā)射分布；共鈾外發(fā)射分布。共鈾外發(fā)射分布。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 將接收光纖和發(fā)射光纖一根一根交錯(cuò)排列，

12、可以獲得最大位將接收光纖和發(fā)射光纖一根一根交錯(cuò)排列，可以獲得最大位移靈敏度但這樣排列較困難，若控制好光纖。隨機(jī)排列也可移靈敏度但這樣排列較困難，若控制好光纖。隨機(jī)排列也可近似地達(dá)到靈敏度的最佳值。不同的光纖分布，以及改變光近似地達(dá)到靈敏度的最佳值。不同的光纖分布，以及改變光纖的一兩個(gè)特性參數(shù)，也會(huì)影響到測(cè)量范圍。例如半球形分纖的一兩個(gè)特性參數(shù)，也會(huì)影響到測(cè)量范圍。例如半球形分布的探頭，測(cè)量范圍比隨機(jī)分布時(shí)要大：每根光纖盲徑加粗。布的探頭，測(cè)量范圍比隨機(jī)分布時(shí)要大：每根光纖盲徑加粗。也有同樣的效果。但是位移范圍的加大，又伴隨著靈敏度下也有同樣的效果。但是位移范圍的加大，又伴隨著靈敏度下降。降。光

13、電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 右圖為一種簡單的利用水銀柱升右圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。當(dāng)溫度降溫度的光纖溫度開關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，水銀柱上升。到某一設(shè)升高時(shí)，水銀柱上升。到某一設(shè)定溫度時(shí)，水銀柱將兩根光纖間定溫度時(shí)，水銀柱將兩根光纖間的光路遮斷，從而使輸出光強(qiáng)產(chǎn)的光路遮斷，從而使輸出光強(qiáng)產(chǎn)生一個(gè)跳變。這種光纖開關(guān)溫度生一個(gè)跳變。這種光纖開關(guān)溫度計(jì)可用于對(duì)設(shè)定溫度的控制，溫計(jì)可用于對(duì)設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。度設(shè)定值靈活可變。光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件光電效應(yīng)及光電元件 光電傳感器第一節(jié)第一