传感与测试技术-光纤传感器讲课教案.ppt
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1、传感与测试技术传感与测试技术-光纤传光纤传感器感器光纤光纤光缆直径光缆直径85m 光缆光缆人的头发人的头发Core62.5m 125m 光纤结构光纤结构它由折射率它由折射率n1较大较大(光密介质光密介质)的纤芯,和的纤芯,和折射率折射率n2较小较小(光疏介质光疏介质)的包层构成的双的包层构成的双层同心圆柱结构。层同心圆柱结构。纤芯纤芯包层包层保护套保护套光纤导光原理光纤导光原理 根据几何光学原理,当光线以较小的入射角根据几何光学原理,当光线以较小的入射角1由光由光密介质密介质1射向光疏介质射向光疏介质2(即即n1n2)时,则一部分入射时,则一部分入射光将以折射角光将以折射角2折射入介质折射入介
2、质2,其余部分仍以,其余部分仍以1反射反射回介质回介质1。依据光折射和反射的斯涅尔依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律,有定律,有:当当2=90时,入射时,入射 角角1称为临界角称为临界角c 当当1c时,光线时,光线 发生全反射发生全反射光纤导光原理光纤导光原理光线由折射率为光线由折射率为n0的外界介质射入纤芯时实现的外界介质射入纤芯时实现全反射的临界角全反射的临界角(始端最大入射角始端最大入射角)为为:光纤导光原理光纤导光原理数值孔径:数值孔径:n0sinic,用,用NA表示。当表示。当n0=1时时,sin-1NA=ic即即为为端面入射端面入射临临界角。界角。光光纤纤的数的数值值孔径越
3、大,表明在越大的入射角范孔径越大,表明在越大的入射角范围围内入射的内入射的光光线线均可在光均可在光纤纤界面界面实现实现全反射。全反射。作作为传为传感器的光感器的光纤纤,一般采用,一般采用光纤传感器光纤传感器分类:分类:功能型光纤传感器:功能型光纤传感器:结构型光纤传感器:结构型光纤传感器:功能型光纤传感器功能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利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件,将作传感元件,将“传传”和和“感感”合合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续的。为一体的传感器。传感器中的光纤是连续的。结构型光纤传感器原理结构型光纤传感器原
4、理在结构型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介在结构型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的质,对外界信息的“感觉感觉”功能是依靠其它功能元功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间件来完成的。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。有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施
5、工阶段和长期营运状态的结构梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。性能。光纤温度传感光纤温度传感在电力系统,测定温度、电流等参数。如对高在电力系统,测定温度、电流等参数。如对高压变压器和大型电机的定子、转子的温度检测,压变压器和大型电机的定子、转子的温度检测,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,在这些由于电类传感器易受强电磁场的干扰,在这些场合中只能用光纤传感器。场合中只能用光纤传感器。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,在传播中的每一光脉冲会沿着光纤向前传播,在传播中的每一点都会产生反射,反射之中有一小部分的反射点都会产生
6、反射,反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反(亦称为光的方向正好与入射光的方向相反(亦称为“背背向向”)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点的光纤的环境温度)越高,反射光的强(该点的光纤的环境温度)越高,反射光的强度也越大。度也越大。光纤传感器的特点光纤传感器的特点光纤传感器具有优良的传光性能,传光损光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小。耗小。光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。灵敏度和线性度好。光纤传
7、感器体积很小,重量轻,能在恶劣光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。离测量。半导体传感器半导体传感器工作原理:工作原理:半导体材料对光、热、力、半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等量的敏感性。磁、气体、湿度等量的敏感性。分类:分类:磁敏传感器磁敏传感器热敏传感器热敏传感器 气敏传感器气敏传感器湿敏传感器湿敏传感器固态图像传感器固态图像传感器磁敏传感器磁敏传感器霍尔元件霍尔元件:利用霍尔效应的半导体磁电转换:利用霍尔效应的半导体磁电转换元件。元件。霍尔效应:金属或半导体薄片置于磁场中,当霍尔效应:金属或半导体薄片置
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