1、第10章 常用传感器简介,第一页，共四十一页。,seu.edu,光调制与解调技术,1.2,第10章 常用传感器简介,光纤传感器实例,3,4.4,光栅传感器,3,第二页，共四十一页。,seu.edu,第10章 光纤传感器,光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器FOS与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和开展前景。,第一节 光纤传感器根底,第三页，共
2、四十一页。,seu.edu,第9章 光纤传感器,一.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图9.1所示，它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。,图9.1 光纤的根本结构与波导,第四页，共四十一页。,seu.edu,第10章 光纤传感器,二.传光原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的根底。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2(即n1n2)时(见图9.2)，那么一局部入射光将以折射角2折射入介质2，其余局部仍以1反射回介质1。,图9.2 光在两介质界面上的折射
3、和反射,第五页，共四十一页。,seu.edu,第10章 光纤传感器,依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有 当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(9-1)那么有 由图(9.1)和图(9.2)可见，当1c时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作根底。,第六页，共四十一页。,seu.edu,第10章 光纤传感器9,三.光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种，如图9.
4、3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图9.4所示。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。,第七页，共四十一页。,seu.edu,10.1光纤传感器,图9.3光纤的折射率断面(a)阶跃型；(b)梯度型,图9.4光在梯度型光纤的传输,第八页，共四十一页。,seu.edu,10.1光纤传感器,四.光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性(详细情况参见参考资料1。五.光纤传感
5、器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。,第九页，共四十一页。,seu.edu,10.1光纤传感器,六.光纤传感器的开展趋势 光纤传感器具有很多的优点，是对以电为根底的传统传感器的革命性变革，
6、开展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的本钱较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能开展趋势：当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。集成化光纤传感器。多功能全光纤控制系统。充分发挥光纤的低传输损耗特性，开展远距离监测系统。开辟新领域。,第十页，共四十一页。,seu.edu,10.1光纤传感器,第二节 光纤传感器实例,光纤液位传感器,第十一页，共四十一页。,seu.edu,10.1光纤传感器,光电接收器的要求不高。由于同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作浓度计。光纤
7、液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头外表的粘稠物质。,第十二页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器在医学上的应用,目前，比较典型的光纤医用传感器有如下几种：光纤血流计、光纤 pH 值传感器、光纤体压计、光纤体温计、光纤氧饱和度传感器等。,第十三页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器在医学上的应用,第十四页，共四十一页。,ysu.edu,光纤血流计,光纤血流计的工作原理是应用多普勒频移原理，根本结构如下图：图14.1 光纤血流计及其探头工作原理,第十五页，共四十一页。,ysu.edu,光纤血流计,氦氖激光器的线偏振光由分束器分成两束，一束由透镜耦合进心径约15
8、0 的光纤，光纤的另一端插入注射针头内，注射器以角度插进血管内。激光经光纤到达血液中，被直径约为7 nm 的流动着的红血球散射后，再次返回，,第十六页，共四十一页。,ysu.edu,光纤血流计,由于光纤探头要探入血管，因此注射器的针头形状就很重要，因为它将直接影响血流速度谱。这种注射器具有特制的托座，其结构如图14.3所示.图14.3 光纤探头与托座,第十七页，共四十一页。,ysu.edu,光纤 pH 值传感器,光纤 pH 值传感器是生物化学传感器，它的特点是利用光纤末端安置的敏感元件感受信息，以测定人体或生物体内的生物化学量。光纤 pH 值传感器是以染料指示剂为根底进行工作的，它的敏感局部使
9、用一种可逆反响剂染料指示剂，例如酚红染料试剂。,第十八页，共四十一页。,ysu.edu,光纤 pH 值传感器,酚红染料试剂具有两种状态形式，即根本状态和酸化状态。每一种状态有不同的光吸收谱线，根本状态是对绿色光谱吸收，酸化状态是对蓝色光谱吸收，pH 值是由酚红试剂对绿光或监光光谱的吸收量来决定的。,第十九页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器在军事方面的应用,第二十页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器的航空航天军事应用,1光纤传感器在军用飞机和航天器上的应用 飞机和航天器的光纤传感器系统大致包含4个局部：飞行控制系统和导航用光纤传感器 发动机测控系统用光纤传感器 机内环境测控用光
10、纤传感器 光纤智能机壳监控系统用光纤传感器。,第二十一页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器在环境保护方面的应用,大气层是人类赖以生存的重要外界环境因素之一。大气，就是大气层内的空气，一般来说，是指占空气质量 95 左右的地面上 12 km 的空气层，即人们常说的对流层。,第二十二页，共四十一页。,ysu.edu,光纤传感器在环境保护方面的应用,第二十三页，共四十一页。,ysu.edu,光纤NO2传感器,NO2 是污染大气的主要气体之一，是一种红褐色有特殊刺激性臭味的气体。图14.27示出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图。图14.27 基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统
11、的组成框图,第二十四页，共四十一页。,ysu.edu,光纤NO2传感器,把摩托车排出的废气引进测量气室，发动机速度由低速约500 r/m到高速约3000 r/m变化进行测试，所得实时测量结果曲线如图14.28所示，图中A区为低速区，B区为高速区。图14.28 NO2 浓度实时测量结果曲线,第二十五页，共四十一页。,ysu.edu,光纤NH3传感器,光纤NH3气体传感器的探头结构如图14.29所示。图14.29 光纤 NH3气体传感器的探头结构透气膜采用疏水性好的聚四氟乙烯(PTFE)微孔过滤膜，既能把内充液与样品溶液分开，又能使NH3的极性气体透过。,第二十六页，共四十一页。,ysu.edu,
12、光纤NH3传感器,pH 敏感膜固定于光纤末端置于内充液中，采用聚四氟乙烯作为防水密封膜。气体穿过透气膜进入探头，使探头内部电解质溶液的 pH值发生变化，从而改变了内充液中指示剂的共扼酸碱异构体的浓度比。,第二十七页，共四十一页。,ysu.edu,光纤CO2传感器,CO2是大气组成成分之一，但其含量过高会引起温室效应等多种不良影响，这一现象已得到了普遍重视。光纤CO2传感器是以具有CO2可渗透膜和与碳酸氢小室相连接的 pH 敏感薄膜的荧光变化为根底研制的。,第二十八页，共四十一页。,seu.edu,10.2 光栅传感器,10.2.1光栅测量的根本原理,1 光栅放大示意图 2 莫尔条纹的形成,第二
13、十九页，共四十一页。,seu.edu,莫尔条纹具有以下重要特点：1莫尔条纹的移动与光栅的移动成对应关系。在两光栅夹角一定的情况下，当一块光栅不动，另一块光栅沿x轴方向移动时莫尔条纹沿着近似垂直于光栅运动方向近似沿y轴方向运动。如果光栅移动一个栅距d，莫尔条纹对应地移动一个莫尔条纹间距w。并且，当主光栅沿x轴正方向向右移动时，莫尔条纹将向上y轴正方向移动，当主光栅沿x轴负方向向左移动时，莫尔条纹将向下y轴负方向移动。这种严格的对应关系，不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判断光栅尺的位移量，同时还可以根据莫尔条纹的移动方向来判断光栅尺的位移方向。,第三十页，共四十一页。,seu.edu,2莫尔条纹具有
14、位移的放大作用 K=3莫尔条纹具有平均误差的效应。莫尔条纹是由大量的栅线构成的，这对栅线宽度和栅距的刻线误差、栅线的断裂及其他疵病有平均作用，从而起到了减小光栅栅距局部误差的作用。,第三十一页，共四十一页。,seu.edu,10.2.光栅传感器的结构 光栅传感器有透射式和反射式两种，他们由光源、主光栅、指示光栅和光电元件等几局部构成。透射式光栅传感器结构如图9-9所示，反射式光栅传感器的结构如图9-10所示。,第三十二页，共四十一页。,seu.edu,3 透射式光栅传感器结构图 4 反射式传感器结构图,第三十三页，共四十一页。,seu.edu,10.2.3光栅传感器的辨向原理与细分技术1辨向原
15、理 如果将两个光电接收元件在莫尔条纹上按相隔1/4条纹间距放置，如图9-12所示。那么两光栅相对移动时，光电元件1和2输出信号u1和u2的波形如图9-13a所示。u1和u2可以看成一个直流分量上叠加一个交流分量，消除直流分量后，两个信号的相位差为90的交流分量即可作为两个辨向信号，如图9-13b、c中的u1和u2所示。由图9-12看出，当主光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，那么两个光电元件输出的辨向信号u1超前u2的相位90，如图9-13b所示。当主光栅向右移动时，辨向信号u2超前u1相位90，如图9-13c所示。将上述两个辨向信号送入辨向电路，即可区分哪个信号超前，哪个信号滞后，这样，即可区
16、分主光栅标尺光栅的运动方向。,第三十四页，共四十一页。,seu.edu,5 光栅位移与光强关系 6 光电接收元件位置,第三十五页，共四十一页。,seu.edu,7 辨向信号波形图,第三十六页，共四十一页。,seu.edu,2细分技术 常采用的倍频细分方法有四倍频细分也称直接细分或位置细分、电阻链细分、鉴相法细分、锁相法细分等几种。四倍频细分就是用四个光电元件依次相距1/4莫尔条纹间距放置，获得依次相位差为90的四个正弦波信号。用电子线路中的鉴零器，分别鉴取四个信号的零电平，即每个信号由负到过零时发出一个计数脉冲，使得在莫尔条纹的一个周期内产生四个等间隔的计数脉冲，实现了四倍频细分。四倍频细分也可以用两个相距1/4莫尔条纹间距的光电元件获得相位差依次为90的四个正弦信号。实际上用辨向原理中的两个相位差为90的区分信号，加上将它们倒相后的两个信号就可获得这四个信号。,第三十七页，共四十一页。,seu.edu,10.2.4 光栅传感器的应用 光栅传感器具有测量精度高可达1m、测量范围大不接长可达1m、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到了快速开展和推广应用。近年来，我国设计和制造了很多新型光栅传
