[工学]第10章 新型传感器

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1、第10章新型传感器本章内容10.1光纤传感器10.2超声波传感器10.3红外传感器10.4核辐射传感器学习目标了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用。了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参数、掌握超声传感器的典型应用。掌握红外辐射的特点和红外探测的机理、红外传感器的应用。了解核辐射的基础知识、核辐射传感器的原理及应用。10.1光纤传感器10.1.1光纤结构光纤，是一种多层介质结构的对称圆柱体，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包层和涂敷层，它的外形与结构如图10-l所示。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤的传输基于光的全内反射。设有

2、一段圆柱形的光纤，如图10-2所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后，又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会投射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。图10-1光纤传感器的结构图10-2光纤的传光原理1—纤芯；2—包层；3—保护层10.1.2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

3、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10-3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。图10-3传光型光纤传感器组成示意图1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光敏感元件（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

4、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10-4所示。图10-4传感型光纤传感器组成示意图1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光纤敏感元件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10-5（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。（

5、a）（b）图10-5微弯光纤传感器（a）微弯光纤传感器原理图；（b）光纤微弯曲对传播光的影响1—裸光纤；2—机械变形器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

6、长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加的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。图10-6多普勒效应示意图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

7、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。10.1.3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10-8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

8、体上；另一