傳感與測試技術(shù)-光纖傳感器

第六節(jié)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(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光?qiáng)、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、磁場等物理量的大小。編輯ppt光纖編輯ppt光纜直徑85μm光纜人的頭發(fā)Core62.5μm

125μm

編輯ppt光纖結(jié)構(gòu)它由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。

纖芯包層保護(hù)套編輯ppt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θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(shí)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有:當(dāng)θ2=90°時(shí)，入射角θ1稱為臨界角θc

當(dāng)θ1＞θc時(shí)，光線發(fā)生全反射

編輯ppt光纖導(dǎo)光原理光線由折射率為n0的外界介質(zhì)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為:

編輯ppt光纖導(dǎo)光原理數(shù)值孔徑：n0sinθic，用NA表示。當(dāng)n0=1時(shí)，sin-1NA=θic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(shí)現(xiàn)全反射。作為傳感器的光纖，一般采用編輯ppt光纖傳感器分類：功能型光纖傳感器：結(jié)構(gòu)型光纖傳感器：編輯ppt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(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。傳感器中的光纖是連續(xù)的。編輯ppt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“感覺”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，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。編輯ppt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(qiáng)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(dòng)荷載應(yīng)力從而來評估橋梁短期、施工階段和長期營運(yùn)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。編輯ppt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(jī)的定子、轉(zhuǎn)子的溫度檢測，由于電類傳感器易受強(qiáng)電磁場的干擾，在這些場合中只能用光纖傳感器。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會沿著光纖向前傳播，在傳播中的每一點(diǎn)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的方向相反（亦稱為“背向”）。這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度（該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度）越高，反射光的強(qiáng)度也越大。編輯ppt光纖傳感器的特點(diǎn)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。編輯ppt半導(dǎo)體傳感器工作原理：半導(dǎo)體材料對光、熱、力、磁、氣體、濕度等量的敏感性。分類：磁敏傳感器熱敏傳感器氣敏傳感器濕敏傳感器固態(tài)圖像傳感器編輯ppt磁敏傳感器霍爾元件：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(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢。編輯ppt霍爾效應(yīng)VHbldIFLFEvB霍爾電勢編輯ppt霍爾效應(yīng)演示編輯ppt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N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。編輯ppt應(yīng)用舉例霍爾式位移傳感器編輯ppt霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表SN線性霍爾磁鐵編輯ppt無接觸式仿型加工編輯ppt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)(或稱高斯效應(yīng))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)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。編輯ppt磁阻位移傳感器編輯ppt應(yīng)用磁敏感器：以地球磁場為基準(zhǔn)，測量航天器姿態(tài)的敏感器。磁強(qiáng)計(jì)本身是用來測量空間環(huán)境中磁場強(qiáng)度的。由于地球周圍每一點(diǎn)的磁場強(qiáng)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(qiáng)計(jì)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)。編輯ppt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(MnO2、CuO、TiO2)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-溫度的關(guān)系為編輯ppt熱敏元件及其溫度系數(shù)編輯ppt熱敏電阻的特點(diǎn)靈敏度高，可測0.001～0.005℃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(shí)間短室溫下的熱敏電阻的阻值大，可以忽略導(dǎo)線電阻的影響可測的溫度范圍大（-200～＋1500℃）非線性大、對環(huán)境溫度敏感，測量時(shí)易受到干擾編輯ppt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，如一氧化碳、乙醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。特點(diǎn)：

靈敏度高、響應(yīng)快、價(jià)格便宜、使用方便氣體選擇性差，時(shí)間穩(wěn)定度欠佳

編輯ppt家用氣體報(bào)警器編輯ppt酒精檢測儀編輯ppt濕敏傳感器濕度：空氣中所含的水蒸氣的量。原理：半導(dǎo)體材料吸附水后，其導(dǎo)電性能將變化難點(diǎn)：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(shí)間短、壽命長、有互換性、耐污染和受溫度影響小等。編輯ppt電子式濕度計(jì)電阻式濕度傳感器電容式濕度傳感器編輯ppt固態(tài)圖像傳感器固體圖像傳感器是一個(gè)能把接收到的光像分成許多個(gè)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（CCD）。編輯pptCCD結(jié)構(gòu)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）并行信號寄存器用于暫時(shí)儲存感光后產(chǎn)生的電荷串行信號寄存器用于暫時(shí)儲存并行積存器的模擬信號并將電荷轉(zhuǎn)移放大信號放大器-用于放大微弱電信號編輯ppt成像系統(tǒng)組成UV/whiteepiilluminationUV/whitetransilluminationSampleCCDCameraLensFiltersUV/whiteepiillumination編輯pptCCD傳感器的