第4章 第4補(bǔ)1 光纖 激光傳感器課件

光纖傳感器一、光纖傳感器發(fā)展概況二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理三、光纖傳感器的工作原理四、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)五、光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器一、光纖傳感器發(fā)展概況1光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（FiberOpticSensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀(jì)70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來工作。可以測(cè)量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。光纖傳感器光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料2發(fā)展概況1977年，美國海軍研究所(NRL-NationalNavalResearchLaboratory)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃。光纖傳感器問世1983年起，國際光纖傳感器會(huì)議定期召開，光纖傳感器的研究成為世界研究熱點(diǎn)。各個(gè)發(fā)達(dá)國家都做了大量的研究工作，具體如下：發(fā)展概況1977年，美國海軍研究所(NRL-Nationa3美國

（激光核聚變計(jì)劃）

FOSS(FiberOpticSensorSystem)

水聲器、磁強(qiáng)計(jì)等水下檢測(cè)設(shè)備FOG(FiberOpticGyroscope)

光纖陀螺：發(fā)展最快，取得成果最好的領(lǐng)域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)

核輻射監(jiān)測(cè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控：

溫度、葉尖故障、火焰燃燒、葉片振動(dòng)、油量CRP(CivilResearchProject)

民用研究計(jì)劃美國

（激光核聚變計(jì)劃）FOSS(FiberOpti4英國

（阿維爾計(jì)劃）1982年成立英國光纖傳感器合作協(xié)會(huì)高電壓光纖電流傳感器--中央電氣研究所光纖陀螺、水聲器—倫敦大學(xué)光纖傳感器的多路測(cè)試設(shè)備—曼徹斯特大學(xué)光全息技術(shù)—牛津大學(xué)特種光纖和光學(xué)測(cè)試儀器—南安普頓大學(xué)英國

（阿維爾計(jì)劃）1982年成立英國光纖傳感器合作協(xié)5

德國

（激光2000）光纖陀螺的研究和開發(fā)水平僅次于美國，居世界第二。西門子公司等均在光纖傳感器方面有研究。1980年，西門子公司開發(fā)出了高壓光纖電流傳感器。德國

（激光2000）光纖陀螺的研究和開發(fā)水6第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件7第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件8市場(chǎng)需求光纖高溫傳感器。傳統(tǒng)使用鉑銠熱電偶來測(cè)量高溫，壽命短、成本高，而且需要停電（從而導(dǎo)致停產(chǎn)）來更換熱電偶。電力系統(tǒng)需求。如對(duì)高壓變壓器和大型電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無法使用。在石油、化工、大型電廠等系統(tǒng)內(nèi)，需要檢測(cè)各種氣體的濃度、成分等，采用電類傳感器達(dá)不到要求的精度。市場(chǎng)需求光纖高溫傳感器。傳統(tǒng)使用鉑銠熱電偶來測(cè)量高溫，壽命短9二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理纖芯包層涂覆層護(hù)套

光纖通常由纖芯、包層及保護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5～150μm。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。（1）光纖的結(jié)構(gòu)二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理纖芯包層涂覆層護(hù)套光纖通常由纖10涂覆層在包層的外面，用環(huán)氧樹脂或者硅膠等高分子材料做成，其外徑一般為300μm左右。涂覆層的作用是保護(hù)光纖不受水汽和各種有害物質(zhì)的侵蝕、防止光纖被劃傷，同時(shí)還可增強(qiáng)光纖的柔韌性，提高機(jī)械強(qiáng)度，增加抗老化性能及延長(zhǎng)光纖的壽命。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層涂覆層護(hù)套涂覆層在包層的外面，用環(huán)氧樹脂或者硅膠等高分子材料做成，其外11外套的材料是尼龍料，外套起保護(hù)光纖的作用。在涂覆層的外面加一層保護(hù)套，可構(gòu)成一個(gè)完整的單根光纖。將多根光纖放在一個(gè)保護(hù)套內(nèi)，按一定的結(jié)構(gòu)排列即可構(gòu)成光纜。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層涂覆層護(hù)套外套的材料是尼龍料，外套起保護(hù)光纖的作用。在涂覆層的外面加一12傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（2）光纖的傳光原理傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理13

光的全反射

當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)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(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。光的全反射當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分14斯涅爾定理（Snell'sLaw）可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也增大，且始終θr＞θi。當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

n1sinθi=n2sinθr

θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1當(dāng)θr=90o時(shí)，θi＜90o，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有n1n2θrθi(a)光的折射示意圖n1n2θrθi(b)臨界狀態(tài)示意圖

n1n2θrθi(c)光全反射示意圖當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：θi0——臨界角斯涅爾定理（Snell'sLaw）可見，入射角θi增大時(shí)15光在光纖中的全反射光在光纖中的全反射16光的全反射實(shí)驗(yàn)

光的全反射實(shí)驗(yàn)171，光纖是光信號(hào)的傳輸媒介；2，當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，表征光信號(hào)的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化；3，將光纖用作傳感元件來探測(cè)各種待測(cè)量(物理量、化學(xué)量和生物量等)。三、光纖傳感器工作原理1，光纖是光信號(hào)的傳輸媒介；三、光纖傳感器工作原理18光纖傳感器與電類傳感器比較光纖傳感器與電類傳感器比較19分類內(nèi)容光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振…電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏…溫-電敏、力-電敏、磁-電敏…傳輸信號(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜光纖傳感器是與電類傳感器并行互補(bǔ)的一類新型傳感器。光纖傳感器與電類傳感器比較

分類光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等電阻、電20光纖傳感器的特點(diǎn)本質(zhì)防爆——適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)

對(duì)電絕緣——適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè)

無感應(yīng)性——適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè)化學(xué)穩(wěn)定性——適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè)

時(shí)域變換性——適合于多點(diǎn)分布測(cè)量

低損耗、高精度、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小、重量輕

、頻帶寬、非接觸式等

在機(jī)械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、食品等領(lǐng)域的自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器的特點(diǎn)本質(zhì)防爆——適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)21光纖傳感器結(jié)構(gòu)光電倍增管等光纖傳感器結(jié)構(gòu)光電倍增管等22θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθj；n1sinθk=n2sinθr，又θj=90o－θkn0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n０=1時(shí)當(dāng)θr=90o的臨界狀態(tài)時(shí)，θi=θi0數(shù)值孔徑（NA）四、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθ23

數(shù)值孔徑（NumericalAperture）光纖的數(shù)值孔徑大小與幾何尺寸無關(guān)，與纖芯—包層相對(duì)折射率有關(guān)。光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)?？梢允构饫wNA值很大而截面積很小，使得光纖柔軟可以彎曲。NA太大時(shí)，光信號(hào)的畸變加大，會(huì)影響光纖的帶寬。因此對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常作為傳感器的光纖0.2≤NA<0.4。數(shù)值孔徑（NumericalAperture）24按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型：非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）和功能型（或稱傳感型、探測(cè)型）。非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測(cè)量，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，依靠光傳輸或光反射引起的強(qiáng)度調(diào)制來工作；光纖是不連續(xù)的,中斷處要接上其他介質(zhì)的敏感元件；多使用多模光纖。

功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等進(jìn)行調(diào)制，再通過解調(diào)得到被測(cè)信號(hào)；常使用單模光纖。五、光纖傳感器分類按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種25功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)能力，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺儀、光纖水聽器等。功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感26非功能型光纖傳感器這類傳感器只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。非功能型光纖傳感器這類傳感器只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)27六、光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器六、光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型：光纖壓力傳感器28例1光纖溫度開關(guān)1234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（一）溫度的檢測(cè)例1光纖溫度開關(guān)1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)（一）溫度的29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(jì)當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)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。熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)接收光源12例2遮光式光纖溫度計(jì)當(dāng)30這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。

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這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為31采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖

在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，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。若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

1Y形光纖2殼體3膜片（二）壓力的檢測(cè)

采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖32三、單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，將光纖的端部拋光成45o的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。

單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)121光纖2耦合器三、單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)121光纖33光纖液位傳感器

光纖液位傳感器34光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)

當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時(shí)，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以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)當(dāng)光纖發(fā)出的35光纖式光電開關(guān)應(yīng)用

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對(duì)IC

芯片引腳進(jìn)行檢測(cè)光纖式光電開關(guān)應(yīng)用采用遮斷型光纖光電開關(guān)對(duì)IC芯片36光纖飾品光纖飾品37激光式傳感器一、激光的本質(zhì)二、激光的特點(diǎn)三、激光器四、激光的應(yīng)用激光式傳感器一、激光的本質(zhì)38激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計(jì)量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。

激光傳感器的概述激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用39一、激光的本質(zhì)

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級(jí)El狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原于可以長(zhǎng)期保持這個(gè)狀態(tài)。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量hγ后，由低能級(jí)El向高能級(jí)E2躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時(shí)間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級(jí)上去，同時(shí)輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射，如圖a所示。

如果處于高能級(jí)的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷到低能級(jí)上去，這種發(fā)光叫做原子的受激輻射。設(shè)原子有能量為E1和E2的兩個(gè)能級(jí)，而且E2>E1。當(dāng)原子處于E2能級(jí)上時(shí)，在能量為hγ入射光子影響下，這個(gè)原子可發(fā)生受激輻射而躍遷到E1能級(jí)上去，并發(fā)射出一個(gè)能量為hγ的光子，如圖b所示。E1E1一、激光的本質(zhì)原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的40在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子相同，它們?cè)谙辔?、振?dòng)方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子相同，如圖a所示。這樣，在一個(gè)入射光子影響下，會(huì)引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上都完全一樣，這一過程也稱為光放大，所以在受激發(fā)射時(shí)原子的發(fā)光過程不再是互不相關(guān)的，而是相互聯(lián)系的。另一方面，能量為hγ的光子在媒質(zhì)中傳播時(shí)，也可以被處于E1能級(jí)上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到E2能級(jí)上去。在此情況下，入射光子被吸收而減少，如圖b所示。這個(gè)過程叫做光的吸收。

光的放大和吸收過程往往是同時(shí)進(jìn)行的，總的結(jié)果可以是加強(qiáng)或減弱，這取決于這一對(duì)矛盾中哪一方處于支配地位。在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子41二、激光的特點(diǎn)

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(dá)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(tái)較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)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(huì)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(huì)熔化。

二、激光的特點(diǎn)1高方向性423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(zhǎng)，△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。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)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。由于激光具有上述特點(diǎn)，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測(cè)量物體表面的平整度、測(cè)量長(zhǎng)度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會(huì)更加普遍。3單色性好43三、激光器

按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。1氣體激光器氣體激光器通常是利用激光管中的氣體放電過程來進(jìn)行激勵(lì)的。

氦氖激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。它有內(nèi)腔式、外腔式兩種。在放電管內(nèi)充有一定氣壓和一定氦氖混合比的氣體。氦氖激光器的轉(zhuǎn)換效率較低，輸出功率一般為毫瓦級(jí)。

二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子氣體激光器。它的工作物質(zhì)是CO2氣體，常加入氮、氨及一些其他輔助氣體。最常用的激光波長(zhǎng)是10.6的紅外光。CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)百分之十幾到30%。它的輸出功率大，可有幾十到上萬瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。三、激光器按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光442固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釔)。在橢圓形聚光器4內(nèi)密封紅寶石棒2和脈沖氙燈3。紅寶石棒的基質(zhì)為Al2O3。摻入重量比約0.05%的鉻離子Cr3+，作為增益介質(zhì)，以形成受激輻射。

紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖

b）能級(jí)圖1－全反射鏡

2－紅寶石棒

3－脈沖氙燈

4－聚光器

5－部分反射鏡2固體激光器紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖b）能45第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件463半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器最明顯的特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。半導(dǎo)體激光器本身卻只有針孔那么大，長(zhǎng)度還不到lmm，將它裝在一個(gè)晶體管模樣的外殼內(nèi)或在它的兩面安裝上電極，其重量不超過2g，因此使用起來十分方便。它可以做成小型激光通訊機(jī)，或做成裝在飛機(jī)上的激光測(cè)距儀或裝在人造衛(wèi)星和宇宙飛船上作為精密跟蹤和導(dǎo)航用激光雷達(dá)。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(1nP)等。

圖：砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)3半導(dǎo)體激光器圖：砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)47

四、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(diǎn)，應(yīng)用于測(cè)量和加工等方面，可以實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量，而且速度高、精度高，測(cè)量范圍廣，抗光、電干擾能力強(qiáng)，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。四、激光傳感器的應(yīng)用激光具有高亮度、高方向性、高單色性48案例1.激光測(cè)速車速測(cè)量?jī)x采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激光器，其發(fā)散角在0～20°間，發(fā)光波長(zhǎng)為0.9。其光路系統(tǒng)如圖所示，圖中1是激光源；2為發(fā)射透鏡；3為接收透鏡；4為光敏元件。砷化鎵激光器及光敏元件3DU33分別置于透鏡的焦點(diǎn)上，砷化鎵激光經(jīng)發(fā)射透鏡2成平行光射出，再經(jīng)接收透鏡3會(huì)聚于3DU33。為了保證測(cè)量精度，在發(fā)射鏡前放一個(gè)寬為2mm的狹縫光闌，其測(cè)速的基本原理如下，當(dāng)汽車行走的速度為v，行走的時(shí)間為t時(shí)，則其行走的距離S=vt現(xiàn)選取s＝l00m。使車行走時(shí)先后切割相距l(xiāng)00m的兩束激光，測(cè)得時(shí)間間隔，即可算出速度。采用計(jì)數(shù)顯示，在主振蕩器振蕩頻率為100kHz情況下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N時(shí)，車速的表達(dá)式可寫成(v以km／h為單位)案例1.激光測(cè)速車速測(cè)量?jī)x采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激49案例2.激光測(cè)距激光測(cè)距的原理是：通過向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，根據(jù)激光信號(hào)往返于測(cè)點(diǎn)與目標(biāo)之間所用的時(shí)間而求出距離的。激光測(cè)距在軍事上可用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場(chǎng)前沿測(cè)距，坦克及火炮的測(cè)距，測(cè)量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈及衛(wèi)星的高度等。案例2.激光測(cè)距激光測(cè)距的原理是：通過向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，根50第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件51案例3.激光雷達(dá)利用激光束搜索、跟蹤和測(cè)量活動(dòng)目標(biāo)的裝置叫激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的工作原理和微波雷達(dá)相似，都是利用電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和指示目標(biāo)的，只是工作波段不同。激光雷達(dá)在軍事上的應(yīng)用：武器鑒定試驗(yàn)、武器火控、跟蹤識(shí)別、指揮導(dǎo)引、大氣測(cè)量等。案例3.激光雷達(dá)利用激光束搜索、跟蹤和測(cè)量活動(dòng)目標(biāo)的裝置叫52案例4.激光制導(dǎo)應(yīng)用激光作為跟蹤目標(biāo)和傳輸信息的手段，將導(dǎo)彈、炮彈、航空炸彈等導(dǎo)向目標(biāo)的技術(shù)。激光制導(dǎo)具有命中精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用，是精確制導(dǎo)武器的一種重要制導(dǎo)方式。案例4.激光制導(dǎo)應(yīng)用激光作為跟蹤目標(biāo)和傳輸信息的手段，將導(dǎo)53案例5.激光武器利用激光的能量直接摧毀目標(biāo)或殺傷破壞其組成部分使之喪失戰(zhàn)斗力的武器稱為激光武器。案例5.激光武器利用激光的能量直接摧毀目標(biāo)或殺傷破壞其組成部54根據(jù)激光器輸出功率的大小，激光武器可區(qū)分為低能激光武器和高能激光武器兩大類。低能激光武器主要指激光干擾與致盲武器，它是重要的光電對(duì)抗裝備，主要用于干擾和致盲敵方的光電傳感器和敵方官兵的眼睛。高能激光武器也稱死光武器，它是借助于激光束的熱能直接摧毀目標(biāo)，可用于打擊導(dǎo)彈、衛(wèi)星、坦克、飛機(jī)等。激光技術(shù)在軍事的應(yīng)用除上述幾個(gè)方面外，還包括：激光偵察、激光核聚變、激光計(jì)算機(jī)、激光陀螺等。根據(jù)激光器輸出功率的大小，激光武器可區(qū)分為低能激光武器和高能55美國激光大戰(zhàn)想象圖美國激光飛機(jī)已進(jìn)入試驗(yàn)階段美國激光大戰(zhàn)想象圖美國激光飛機(jī)已進(jìn)入試驗(yàn)階段56第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件57激光致盲武器“軍刀”(Saber)203的激光照明系統(tǒng)，主要用于照明、致盲和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。該裝置采用鎳鎘電池供電，工作波長(zhǎng)為670納米，功率400毫瓦，有效照明距離300米，重1.5磅，每枚電池可連續(xù)運(yùn)行30分鐘，100米處的光斑尺寸可在1～10米之間變化。激光致盲武器“軍刀”(Saber)203的激光照明系統(tǒng)，58第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件59所謂激光對(duì)抗，就是交戰(zhàn)雙方采取專門措施，干擾、破壞對(duì)方的激光裝備，使其喪失功能和戰(zhàn)斗力，同時(shí)保護(hù)己方的軍事裝備和人員免遭激光武器的攻擊和傷害。激光對(duì)抗一般防護(hù)措施：一是利用地形、地物或設(shè)置遮障阻擋激光。二是在目標(biāo)表面涂上對(duì)光具有強(qiáng)烈吸收能力的材料，使照射光束的能量被吸收。三是采用偽裝、隱身、示假以及機(jī)動(dòng)、規(guī)避等手段，使敵難以發(fā)現(xiàn)、捕捉目標(biāo)。四是研制和發(fā)展特種耐高溫材料的殼體，以及從技術(shù)上采取各種抗激光加固措施。對(duì)眼睛的防護(hù)：一是采用激光濾光片和護(hù)目鏡；二是施放煙幕；三是采用黑擋片罩。所謂激光對(duì)抗，就是交戰(zhàn)雙方采取專門措施，干擾、破壞對(duì)方的激光60舉例：戰(zhàn)略反導(dǎo)激光武器舉例：戰(zhàn)略反導(dǎo)激光武器61中國反衛(wèi)星激光武器已部署到西北內(nèi)陸中國反衛(wèi)星激光武器已部署到西北內(nèi)陸62案例6.激光通信激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息（音頻信號(hào)）調(diào)制到光波上，經(jīng)介質(zhì)（大氣、光纜等）的傳輸，將信息傳至對(duì)方，再經(jīng)接收終端解調(diào)，還原成聲音而實(shí)現(xiàn)通信的。按照激光傳播途徑的不同，激光通信可分為大氣激光通信，空間激光通信，水下激光通信和光導(dǎo)纖維通信等方式。大氣激光通信是以大氣為傳輸介質(zhì)的激光通信。由于受大氣吸收、散射等影響，且只能直線傳播，故只適于近距離的定點(diǎn)或半定點(diǎn)通信。光纖通信是以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的激光通信。主要用于遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，中短距離的局部通信系統(tǒng)，以及在飛機(jī)、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設(shè)施內(nèi)部的信息傳遞和通信聯(lián)絡(luò)等。案例6.激光通信激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息63nxSensor-I是美國nextWare公司（）最新推出的獲取三維空間中不透明物體表面形狀的新型傳感器，是世界上最為精確的激光圖象傳感器之一，可廣泛用于三座標(biāo)測(cè)量、逆向工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿形、修改和模具制造等領(lǐng)域。三維激光掃描傳感器工作流程

案例7.nxSensor-I型三維激光掃描傳感器nxSensor-I是美國nextWare公司（www.ne64是一種用于在封閉的危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行保護(hù)的非接觸的光程傳感器。案例8.SIGUARDLS4激光掃描器保護(hù)危險(xiǎn)區(qū)的人和物

靈活和獨(dú)立的調(diào)節(jié)來源于四個(gè)參數(shù)和可調(diào)節(jié)的保護(hù)區(qū)在整個(gè)190°的工作,LS4連續(xù)掃描（每40毫秒）所有的角度（每0.36°).人和物的防護(hù)半徑最遠(yuǎn)可達(dá)4米

警告的半徑最遠(yuǎn)可達(dá)15米是一種用于在封閉的危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行保護(hù)的非接觸的光程傳感器。案例865工作原理直徑70毫米工作原理直徑70毫米66應(yīng)用無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用無軌電車的碰撞防護(hù)多區(qū)域的水平安全區(qū)防護(hù)水平安全區(qū)防護(hù)

應(yīng)用無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用無軌電車的碰撞防護(hù)多區(qū)域的水平安全區(qū)防67光纖傳感器一、光纖傳感器發(fā)展概況二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理三、光纖傳感器的工作原理四、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)五、光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器一、光纖傳感器發(fā)展概況68光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料制成的極細(xì)的纖維，是一種理想的光傳輸線路。光纖傳感器（FiberOpticSensor，F(xiàn)OS）興起于20世紀(jì)70年代，是一類較新的光敏器件，它是利用被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使光波的一些參數(shù)，如強(qiáng)度、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)等特性產(chǎn)生變化來工作。可以測(cè)量位移、加速度、壓力、溫度、磁、聲、電等物理量。光纖傳感器光纖——光導(dǎo)纖維，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介質(zhì)材料69發(fā)展概況1977年，美國海軍研究所(NRL-NationalNavalResearchLaboratory)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃。光纖傳感器問世1983年起，國際光纖傳感器會(huì)議定期召開，光纖傳感器的研究成為世界研究熱點(diǎn)。各個(gè)發(fā)達(dá)國家都做了大量的研究工作，具體如下：發(fā)展概況1977年，美國海軍研究所(NRL-Nationa70美國

（激光核聚變計(jì)劃）

FOSS(FiberOpticSensorSystem)

水聲器、磁強(qiáng)計(jì)等水下檢測(cè)設(shè)備FOG(FiberOpticGyroscope)

光纖陀螺：發(fā)展最快，取得成果最好的領(lǐng)域之一NRM(NuclearRadiationMonitor)

核輻射監(jiān)測(cè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控：

溫度、葉尖故障、火焰燃燒、葉片振動(dòng)、油量CRP(CivilResearchProject)

民用研究計(jì)劃美國

（激光核聚變計(jì)劃）FOSS(FiberOpti71英國

（阿維爾計(jì)劃）1982年成立英國光纖傳感器合作協(xié)會(huì)高電壓光纖電流傳感器--中央電氣研究所光纖陀螺、水聲器—倫敦大學(xué)光纖傳感器的多路測(cè)試設(shè)備—曼徹斯特大學(xué)光全息技術(shù)—牛津大學(xué)特種光纖和光學(xué)測(cè)試儀器—南安普頓大學(xué)英國

（阿維爾計(jì)劃）1982年成立英國光纖傳感器合作協(xié)72

德國

（激光2000）光纖陀螺的研究和開發(fā)水平僅次于美國，居世界第二。西門子公司等均在光纖傳感器方面有研究。1980年，西門子公司開發(fā)出了高壓光纖電流傳感器。德國

（激光2000）光纖陀螺的研究和開發(fā)水73第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件74第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件75市場(chǎng)需求光纖高溫傳感器。傳統(tǒng)使用鉑銠熱電偶來測(cè)量高溫，壽命短、成本高，而且需要停電（從而導(dǎo)致停產(chǎn)）來更換熱電偶。電力系統(tǒng)需求。如對(duì)高壓變壓器和大型電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測(cè)等，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，無法使用。在石油、化工、大型電廠等系統(tǒng)內(nèi)，需要檢測(cè)各種氣體的濃度、成分等，采用電類傳感器達(dá)不到要求的精度。市場(chǎng)需求光纖高溫傳感器。傳統(tǒng)使用鉑銠熱電偶來測(cè)量高溫，壽命短76二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理纖芯包層涂覆層護(hù)套

光纖通常由纖芯、包層及保護(hù)套組成。纖芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圓柱體，直徑約為5～150μm。包層的材料也是玻璃或塑料等，但纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。（1）光纖的結(jié)構(gòu)二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理纖芯包層涂覆層護(hù)套光纖通常由纖77涂覆層在包層的外面，用環(huán)氧樹脂或者硅膠等高分子材料做成，其外徑一般為300μm左右。涂覆層的作用是保護(hù)光纖不受水汽和各種有害物質(zhì)的侵蝕、防止光纖被劃傷，同時(shí)還可增強(qiáng)光纖的柔韌性，提高機(jī)械強(qiáng)度，增加抗老化性能及延長(zhǎng)光纖的壽命。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層涂覆層護(hù)套涂覆層在包層的外面，用環(huán)氧樹脂或者硅膠等高分子材料做成，其外78外套的材料是尼龍料，外套起保護(hù)光纖的作用。在涂覆層的外面加一層保護(hù)套，可構(gòu)成一個(gè)完整的單根光纖。將多根光纖放在一個(gè)保護(hù)套內(nèi)，按一定的結(jié)構(gòu)排列即可構(gòu)成光纜。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（1）光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層涂覆層護(hù)套外套的材料是尼龍料，外套起保護(hù)光纖的作用。在涂覆層的外面加一79傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理（2）光纖的傳光原理傳光原理：光在光纖界面內(nèi)產(chǎn)生全反射。二、光纖結(jié)構(gòu)與傳輸原理80

光的全反射

當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)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(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。光的全反射當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分81斯涅爾定理（Snell'sLaw）可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也增大，且始終θr＞θi。當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

n1sinθi=n2sinθr

θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1當(dāng)θr=90o時(shí)，θi＜90o，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有n1n2θrθi(a)光的折射示意圖n1n2θrθi(b)臨界狀態(tài)示意圖

n1n2θrθi(c)光全反射示意圖當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：θi0——臨界角斯涅爾定理（Snell'sLaw）可見，入射角θi增大時(shí)82光在光纖中的全反射光在光纖中的全反射83光的全反射實(shí)驗(yàn)

光的全反射實(shí)驗(yàn)841，光纖是光信號(hào)的傳輸媒介；2，當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，表征光信號(hào)的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化；3，將光纖用作傳感元件來探測(cè)各種待測(cè)量(物理量、化學(xué)量和生物量等)。三、光纖傳感器工作原理1，光纖是光信號(hào)的傳輸媒介；三、光纖傳感器工作原理85光纖傳感器與電類傳感器比較光纖傳感器與電類傳感器比較86分類內(nèi)容光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振…電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏…溫-電敏、力-電敏、磁-電敏…傳輸信號(hào)光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜光纖傳感器是與電類傳感器并行互補(bǔ)的一類新型傳感器。光纖傳感器與電類傳感器比較

分類光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等電阻、電87光纖傳感器的特點(diǎn)本質(zhì)防爆——適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)

對(duì)電絕緣——適合于高電壓場(chǎng)合檢測(cè)

無感應(yīng)性——適合于強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境下檢測(cè)化學(xué)穩(wěn)定性——適合于環(huán)保、醫(yī)藥、食品工業(yè)檢測(cè)

時(shí)域變換性——適合于多點(diǎn)分布測(cè)量

低損耗、高精度、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸小、重量輕

、頻帶寬、非接觸式等

在機(jī)械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、食品等領(lǐng)域的自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。

光纖傳感器的特點(diǎn)本質(zhì)防爆——適合于易燃、易爆等危險(xiǎn)物品檢測(cè)88光纖傳感器結(jié)構(gòu)光電倍增管等光纖傳感器結(jié)構(gòu)光電倍增管等89θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθi=n1sinθj；n1sinθk=n2sinθr，又θj=90o－θkn0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n０=1時(shí)當(dāng)θr=90o的臨界狀態(tài)時(shí)，θi=θi0數(shù)值孔徑（NA）四、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1n0sinθ90

數(shù)值孔徑（NumericalAperture）光纖的數(shù)值孔徑大小與幾何尺寸無關(guān)，與纖芯—包層相對(duì)折射率有關(guān)。光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)?？梢允构饫wNA值很大而截面積很小，使得光纖柔軟可以彎曲。NA太大時(shí)，光信號(hào)的畸變加大，會(huì)影響光纖的帶寬。因此對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。通常作為傳感器的光纖0.2≤NA<0.4。數(shù)值孔徑（NumericalAperture）91按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型：非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）和功能型（或稱傳感型、探測(cè)型）。非功能型光纖傳感器：利用其它敏感元件感受被測(cè)量，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，依靠光傳輸或光反射引起的強(qiáng)度調(diào)制來工作；光纖是不連續(xù)的,中斷處要接上其他介質(zhì)的敏感元件；多使用多模光纖。

功能型光纖傳感器：把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等進(jìn)行調(diào)制，再通過解調(diào)得到被測(cè)信號(hào)；常使用單模光纖。五、光纖傳感器分類按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種92功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)能力，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高。典型例子：光纖陀螺儀、光纖水聽器等。功能型光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感93非功能型光纖傳感器這類傳感器只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。非功能型光纖傳感器這類傳感器只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)94六、光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器六、光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型：光纖壓力傳感器95例1光纖溫度開關(guān)1234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（一）溫度的檢測(cè)例1光纖溫度開關(guān)1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)（一）溫度的96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(jì)當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)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。熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)接收光源12例2遮光式光纖溫度計(jì)當(dāng)97這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。

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這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為98采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖

在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，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。若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

1Y形光纖2殼體3膜片（二）壓力的檢測(cè)

采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖99三、單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，將光纖的端部拋光成45o的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。

單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)121光纖2耦合器三、單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)121光纖100光纖液位傳感器

光纖液位傳感器101光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)

當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時(shí)，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以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)當(dāng)光纖發(fā)出的102光纖式光電開關(guān)應(yīng)用

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對(duì)IC

芯片引腳進(jìn)行檢測(cè)光纖式光電開關(guān)應(yīng)用采用遮斷型光纖光電開關(guān)對(duì)IC芯片103光纖飾品光纖飾品104激光式傳感器一、激光的本質(zhì)二、激光的特點(diǎn)三、激光器四、激光的應(yīng)用激光式傳感器一、激光的本質(zhì)105激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計(jì)量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。

激光傳感器的概述激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用106一、激光的本質(zhì)

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級(jí)El狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原于可以長(zhǎng)期保持這個(gè)狀態(tài)。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量hγ后，由低能級(jí)El向高能級(jí)E2躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時(shí)間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級(jí)上去，同時(shí)輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射，如圖a所示。

如果處于高能級(jí)的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷到低能級(jí)上去，這種發(fā)光叫做原子的受激輻射。設(shè)原子有能量為E1和E2的兩個(gè)能級(jí)，而且E2>E1。當(dāng)原子處于E2能級(jí)上時(shí)，在能量為hγ入射光子影響下，這個(gè)原子可發(fā)生受激輻射而躍遷到E1能級(jí)上去，并發(fā)射出一個(gè)能量為hγ的光子，如圖b所示。E1E1一、激光的本質(zhì)原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的107在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子相同，它們?cè)谙辔弧⒄駝?dòng)方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子相同，如圖a所示。這樣，在一個(gè)入射光子影響下，會(huì)引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上都完全一樣，這一過程也稱為光放大，所以在受激發(fā)射時(shí)原子的發(fā)光過程不再是互不相關(guān)的，而是相互聯(lián)系的。另一方面，能量為hγ的光子在媒質(zhì)中傳播時(shí)，也可以被處于E1能級(jí)上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到E2能級(jí)上去。在此情況下，入射光子被吸收而減少，如圖b所示。這個(gè)過程叫做光的吸收。

光的放大和吸收過程往往是同時(shí)進(jìn)行的，總的結(jié)果可以是加強(qiáng)或減弱，這取決于這一對(duì)矛盾中哪一方處于支配地位。在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子108二、激光的特點(diǎn)

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(dá)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(tái)較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)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(huì)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(huì)熔化。

二、激光的特點(diǎn)1高方向性1093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(zhǎng)，△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。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)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。由于激光具有上述特點(diǎn)，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測(cè)量物體表面的平整度、測(cè)量長(zhǎng)度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會(huì)更加普遍。3單色性好110三、激光器

按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。1氣體激光器氣體激光器通常是利用激光管中的氣體放電過程來進(jìn)行激勵(lì)的。

氦氖激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。它有內(nèi)腔式、外腔式兩種。在放電管內(nèi)充有一定氣壓和一定氦氖混合比的氣體。氦氖激光器的轉(zhuǎn)換效率較低，輸出功率一般為毫瓦級(jí)。

二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子氣體激光器。它的工作物質(zhì)是CO2氣體，常加入氮、氨及一些其他輔助氣體。最常用的激光波長(zhǎng)是10.6的紅外光。CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)百分之十幾到30%。它的輸出功率大，可有幾十到上萬瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。三、激光器按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光1112固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釔)。在橢圓形聚光器4內(nèi)密封紅寶石棒2和脈沖氙燈3。紅寶石棒的基質(zhì)為Al2O3。摻入重量比約0.05%的鉻離子Cr3+，作為增益介質(zhì)，以形成受激輻射。

紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖

b）能級(jí)圖1－全反射鏡

2－紅寶石棒

3－脈沖氙燈

4－聚光器

5－部分反射鏡2固體激光器紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)圖b）能112第4章第4補(bǔ)1光纖激光傳感器課件1133半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器最明顯的特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。半導(dǎo)體激光器本身卻只有針孔那么大，長(zhǎng)度還不到lmm，將它裝在一個(gè)晶體管模樣的外殼內(nèi)或在它的兩面安裝上電極，其重量不超過2g，因此使用起來十分方便。它可以做成小型激光通訊機(jī)，或做成裝在飛機(jī)上的激光測(cè)距儀或裝在人造衛(wèi)星和宇宙飛船上作為精密跟蹤和導(dǎo)航用激光雷達(dá)。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(1nP)等。

圖：砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)3半導(dǎo)體激光器圖：砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)114

四、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(diǎn)，應(yīng)用于測(cè)量和加工等方面，可以實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量，而且速度高、精度高，測(cè)量范圍廣，抗光、電干擾能力強(qiáng)，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。四、激光傳感器的應(yīng)用激光具有高亮度、高方向性、高單色性115案例1.激光測(cè)速車速測(cè)量?jī)x采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激光器，其發(fā)散角在0～20°間，發(fā)光波長(zhǎng)為0.9。其光路系統(tǒng)如圖所示，圖中1是激光源；2為發(fā)射透鏡；3為接收透鏡；4為光敏元件。砷化鎵激光器及光敏元件3DU33分別置于透鏡的焦點(diǎn)上，砷化鎵激光經(jīng)發(fā)射透鏡2成平行光射出，再經(jīng)接收透鏡3會(huì)聚于3DU33。為了保證測(cè)量精度，在發(fā)射鏡前放一個(gè)寬為2mm的狹縫光闌，其測(cè)速的基本原理如下，當(dāng)汽車行走的速度為v，行走的時(shí)間為t時(shí)，則其行走的距離S=vt現(xiàn)選取s＝l00m。使車行走時(shí)先后切割相距l(xiāng)00m的兩束激光，測(cè)得時(shí)間間隔，即可算出速度。采用計(jì)數(shù)顯示，在主振蕩器振蕩頻率為100kHz情況下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N時(shí)，車速的表達(dá)式可寫成(v以km／h為單位)案例1.激光測(cè)速車速測(cè)量?jī)x采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激116案例2.激光測(cè)距激光測(cè)距的原理是：通過向目標(biāo)發(fā)