其他种类的传感器(教育精品).ppt

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1、第一节 光纤传感器第二节 气敏传感器第三节 湿度传感器其他种类的传感器1 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的用光作为敏感信息的载体载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。具有光纤及光

2、学测量的特点。电绝缘性能好。电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。非侵入性。非侵入性。高灵敏度。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光光纤纤传传感感器器可可测测量量位位移移、速速度度、加加速速度度、液液位位、应应变变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第一节光纤传感器第一节光纤传感器2一、光导纤维导光的基本原理一、光导纤维导光的基本原理 光光是是一一种种电电磁磁波波,一一般般采采用用波波动动理理论论来来分分析析导导光光的的基基本本原原理理。然然而而根根据据光光学学理理论论指指出出：在

3、在尺尺寸寸远远大大于于波波长长而而折折射射率率变变化化缓缓慢慢的的空空间间,可可以以用用“光光线线”即即几几何何光光学学的的方方法法来来分分析析光光波波的的传传播播现现象象,这这对对于于光光纤纤中中的的多多模模光光纤纤是是完完全适用的。为此全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law）当光由光密物质当光由光密物质(折射率大折射率大)入射至光疏物质时发生折射，入射至光疏物质时发生折射，如图如图(a)(a)，其折射角大于入射角，即其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。n1n

4、2ri(a)光的折射示意图 可可见见，入入射射角角i增增大大时时，折折射射角角r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 3当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射这时便发生全反射现象，如图现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。其出射光不再折射而全部反射回来。式中：式中：i0临界角临界角i0=arcsin(n2/n1)sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri(c)光全反射示意图n1n2ri(b)临界状态示意图当当r=90 时时，i仍仍90，此此时时，出出射射光光线

5、线沿沿界界面面传传播播如如图图（b），称为临界状态。这时有称为临界状态。这时有4 2 2、光纤结构、光纤结构分分析析光光纤纤导导光光原原理理，除除了了应应用用斯斯乃乃尔尔定定理理外外还还须须结结合合光光纤纤结结构构来来说说明明。光光纤纤呈呈圆圆柱柱形形，它它由由玻玻璃璃纤纤维维芯芯(纤纤芯芯)和玻璃包皮和玻璃包皮(包层包层)两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部位位，光光主主要要在在这这里里传传输输。纤纤心心折折射射率率n1比比包包层层折折射射率率n2稍稍大大些些两两层层之之间间形形成成良良好好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光

6、学界面，光线在这个界面上反射传播。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构5 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入入射射光光线线AB与与纤纤维维轴轴线线OO相相交交角角为为i，入入射射后后折折射射(折折射射角角为为j)至至纤纤芯芯与与包包层层界界面面C点点，与与C点点界界面面法法线线DE成成k角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为r。则。则n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光

7、纤导光示意图光纤导光示意图n0为入射光线为入射光线AB所在所在空间的折射率，一般为空间的折射率，一般为空气，故空气，故n1，nl为为纤芯折射率，纤芯折射率，n2为包层为包层折射率。当折射率。当n=1时时6上上式式sini0为为“数数值值孔孔径径”NA(NumericalAperture)。由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n22n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 =(n1-n2)/n1称为相对折射率称为相对折射率差差 当当r=90的临界状态时，的临界状态时，i=i0当当rNA，iarcsin NA，光线消失。光线消失。这这说说明明arcsinNA是是一一临临界界角角,凡凡入

8、入射射角角iarcsinNA的的那那些些光光线线进进入入光光纤纤都都不不能能传传播播而而在在包包层层消消失失；相相反反,只只有有入入射角射角iarcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播 当当r=90时时当当r90时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA7二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的电电信信号号的的装装置置。它它的

9、的电电源源、敏敏感感元元件件、信信号号接接收收和和处处理理系系统统以以及及信信息息传传输输均均用用金金属属导导线线连连接接，见见图图(a)。光光纤纤传传感感器器则则是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的的装装置置。由由光光发发送送器器、敏敏感感元元件件(光光纤纤或或非非光光纤纤的的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线由光发送器发出的光经源光由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，纤引导至敏感元

10、件。这时，光的某一性质受到被测量的光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。得到所期待的被测量。8可可见见,光光纤纤传传感感器器与与以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器相相比比较较，在在测测量量原原理理上上有有本本质质的的差差别别。传传统统传传感感器器是是以以机机电电测测量量为基础，而光纤传感器则以为基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。光光是是一一种种电电磁磁波波，其其波波长长从从极极远远红红外外的的lmm到到极极远远紫紫外

11、外线线的的10nm。它它的的物物理理作作用用和和生生物物化化学学作作用用主主要要因因其其中中的的电电场场而而引引起起。因因此此，讨讨论论光光的的敏敏感感测测量量必必须须考考虑虑光光的电矢量的电矢量E的振动，即的振动，即A电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t光的传播时间。光的传播时间。可可见见，只只要要使使光光的的强强度度、偏偏振振态态(矢矢量量A的的方方向向)、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变变化化，或或受受被被测测量量调调制制，那那么么，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、偏偏振振调调制制、频

12、频率率调调制制或或相相位位调调制制等等进进行行解解调调，获获得得所所需需要要的的被被测测量量的的信信息。息。9传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa非干涉型强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb

13、偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类10 （1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。三大类。1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利利用用对对外外

14、界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤纤连连续续，增增加加其其长长度度，可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器11 2 2）非功能

15、型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由

16、被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐辐射射式式光光纤温度传感器等。纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象12 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型强度调制型、偏振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变

17、变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波

18、动和连接器损耗变化等影响较大。13 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的泡泡尔尔效效应应做做成成的的电电场场、电电压压传传感感器器；利利用用物物质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器；以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传

19、传感感器器。这这类类传传感感器器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速度、流速、振动、的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散喇曼散射射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；构成的测量

20、气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用以及利用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。14 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其其基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而而得得到到被被测测对对象象的的信信息息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声声、压压

21、力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（Sagnac）效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺螺）等等。这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高。但但由由于于须须用用特特殊殊光光纤纤及及高高精精度检测系统，因此成本高。度检测系统，因此成本高。15三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。光纤温度传感器有功能型和传光型两种。1 1、遮光式光纤温度计

22、、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银16 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。当当温温度度升升高高时时，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化。这这种种形形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量1050的的温温度度。检检

23、测测精精度度约约为为0.5。它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体体振振动动的的影影响响，且且响响应应时间较长，一般需几分钟。时间较长，一般需几分钟。光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片17 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当当一一束束白白光光经经过过半半导导体体晶晶体体片片时时，低低于于某某个个特特定定波波长长g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收,而而高高于于该该波波长长的的光光将将透透过过半半导导体体。这这是是由由于于半半导导体体的的本本征征吸吸收收引引起起的的,g称称为为半半导导体体的的本本征征吸吸收收波波长长。电电子子从从价价带

24、带激激发发到到导导带带引引起起的的吸吸收收称称为为本本征征吸吸收收。当当一一定定波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体上上时时,电电子子吸吸收收光光能能从从价价带带跃跃迁迁入入导导带带,显显然然,要要发发生生本本征征吸吸收收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即即因因c/v，则产生本征吸收条件则产生本征吸收条件h 普朗克常数；普朗克常数；v 光频率光频率因因此此，对对于于波波长长大大于于g的的光光，能能透透过过半半导导体体，而而波波长长小小于于g的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收。不不同同种种类类的的半半导导体体材材料料具具有有不不同同的的本本征征吸吸收

25、收波波长长，图图为为在在室室温温(20)时时,120m厚厚的的GaAs材料的透射率曲线。材料的透射率曲线。18由由图图看看出出，GaAs在在室室温温时时的的 本本 征征 吸吸 收收 波波 长长 约约 为为880nm左左右右，半半导导体体的的吸吸收收光光谱谱与与Eg有有关关，而而半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度的的不不同同而而不不同同，Eg与与温温度度t的的关关系系可表示为可表示为式中：式中：E Eg g（0 0）绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的禁带宽度；经验常数经验常数(eVeVK K)；经验常数经验常数(K)(K)。850800900 950 1000010203040

26、t=20波长/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于对于GaAs材料，由实验得到材料，由实验得到=5.810-4eV/K =300K19由由此此可可见见，半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度上上升升而而减减小小，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长g随随温温度度上上升升而而增增大大。反反映映在在半半导导体体的的透透光光特特性性上上，即即当当温温度度升升高高时时，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动。若若采采用用发发射射光光谱谱与与半半导导体体的的g(t)相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，如如图图，则则透透射射光光强强度度将将随随着着温温度度的升

27、高而减小。的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T20P=0P0(a)传感器结构(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)23可可见见，输输出出光光强强比比I2Il与与膜膜片片的的反反射射率率、光光源源强强度度等等因因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(Ap)21时时,等等式式右右边边展展开开后后取第一项，得到取第一项，得到这这表表明明待待测测压压力力与与输输出出光光强强比比的的对对数数呈呈线线性性关关系系。因因此此，若若将将

28、I1、I2检检出出后后分分别别经经对对数数放放大大后后，再再通通过过减减法法器器即即可得到线性的输出。可得到线性的输出。若若选选用用的的光光纤纤束束中中每每根根光光纤纤的的芯芯径径为为70m,包包层层厚厚度度为为3.5m,纤纤芯芯和和包包层层折折射射率率分分别别为为1.52和和1.62,则则该该传传感感器器可可获获得得115dB的的动动态态范范围围,线线性性度度为为0.25。采采用用不不同同的尺寸、材料的膜片的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。即可获得不同的测量范围。两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光

29、纤束数值孔径等有关的常数；p待测量压力。待测量压力。24 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶晶体体在在受受压压后后其其折折射射率率发发生生变变化化，呈呈现现双双折折射射的的现现象象称称为为光光弹弹性性效效应应。利利用用光光弹弹性性效效应应测测量量压压力力的的原原理理及及传传感感器器结结构构如如图图。发发自自LED的的入入射射光光经经起起偏偏器器后后成成为为直直线线偏偏振振光光。当当有有与与入入射射光光偏偏振振方方向向呈呈45的的压压力力作作用用于于晶晶体体时时，使使晶晶体体呈呈双双折折射射从从而而使使出出射射光光成成为为椭椭圆圆偏偏振振光光，由由检检偏偏器器检检测测出出与与

30、入入射射光光偏偏振振方方向向相相垂垂直直方方向向上上的的光光强强，即即可可测测出出压压力力的的变变化化。其其中中1/4波波长长板板用用于于提提供供一一偏偏置置，使系统获得最大灵敏度。使系统获得最大灵敏度。(b)传感器结构12345P(a)检测原理P6789 10111光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光25 为为了了提提高高传传感感器器的的精精度度和和稳稳定定性性，下下图图为为另另一一种种检检测测方方法法的的结结构构。输输出出光光用用偏偏振振分分光光镜镜分分别别检检测测出出两两个个相相互互垂垂直直方

31、方向向的的偏偏振振分分量量；并并将将这这两两个个分分量量经经“差差和和”电电路路处处理理，即即可可得得到到与与光光源源强强度度及及光光纤纤损损耗耗无无关关的的输输出出。该该传传感感器器的的测测量量范范围围为为10103 3PaPa10106 6PaPa，精精度度为为11，理理论上分辨力可达论上分辨力可达1.4Pa1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。也可用于测量振动、加速度。输出前置放大前置放大I2I1I2+I1驱动123 4 56I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1光纤2起偏器3光弹性

32、元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜 p26 （三）液位、流量、流速的检测（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术、液位的检测技术 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 12(a)探头结构(b)检测原理空气液体LEDPD光光由由光光纤纤的的一一端端导导入入,在在球球状状对对折折端端部部一一部部分分光光透透射射出出去去,而而另另一一部部分分光光反反射射回回来来,由由光光纤纤的的另另一一端端导导向向探探测测器器。反反射射光光强强的的大大小小取取决决于于被被测测介介质质的的折折射射率率。被被测测介介质质的的折折射射率率与与光光纤纤折折射射率率越越接接近近,反反射射光光强强度度越越小小

33、。显显然然,传传感感器器处处于于空空气气中中时时比比处处于于液液体体中中时时的的反反射射光光强强要要大大。因因此此,该该传传感感器器可可用用于于液液位位报报警警。若若以以探探头头在在空空气气中中时时的的反反射射光光强强度度为为基基准准，则则当当接接触触水水时时反反射射光光强强变变化化6dB7dB,接接 触触 油油 时时 变变 化化 25dB 30dB。27 （2）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器 下下图图为为反反射射式式斜斜端端面面光光纤纤液液位位传传感感器器的的两两种种结结构构。同同样样，当当传传感感器器接接触触液液面面时时，将将引引起起反反射射回回另另一一根根光光纤纤的的光光强强

34、减减小小。这这种种形形式式的的探探头头在在空空气气中中和和水水中中时时，反反射射光强度差约在光强度差约在20dB以上。以上。斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2光纤3棱镜28 （3）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 单单光光纤纤液液位位传传感感器器的的结结构构如如图图，将将光光纤纤的的端端部部抛抛光光成成45 的的圆圆锥锥面面。当当光光纤纤处处于于空空气气中中时时，入入射射光光大大部部分分能能在在端端部部满满足足全全反反射射条条件件而而返返回回光光纤纤。当当传传感感器器接接触触液液体体时时，由由于于液液体体的的折折射射率率比比空空气气大大，使使一一部部分分光光不不能能满满足足全全

35、反反射射条条件件而而折折射射入入液液体体中中，返返回回光光纤纤的的光光强强就就减减小小。利利用用X形形耦耦合合器器即即可可构构成成具具有有两两个个探探头头的的液液位位报报警警传传感感器器。同同样样，若若在在不不同同的的高高度度安安装装多多个个探探头头，则则能能连连续续监监视液位的变化。视液位的变化。单光纤液位传感器结构121光纤2耦合器29 上上述述探探头头在在接接触触液液面面时时能能快快速速响响应应，但但在在探探头头离离开开液液体体时时，由由于于有有液液滴滴附附着着在在探探头头上上，故故不不能能立立即即响响应应。为为了了克克服服这这个个缺缺点点，可可将将探探头头的的结结构构作作一一些些改改变

36、变，如如图图。将将光光纤纤端端部部的的尖尖顶顶略略微微磨磨平平，并并镀镀上上反反射射膜膜。这这样样，即即使使有有液液体体附附着着在在顶顶部部，也也不不影影响响输输出出跳跳变变。进进一一步步的的改改进进是是在在顶顶部部镀镀反反射射膜膜外外粘粘上上一一突突出出物物，将将附附着着的的液液体体导导引引向向突突出出物物的的下下端端。这这样样，可可以以保保证证探探头头在在离离开开液液位位时时也能快速地响应。也能快速地响应。改进的光纤液位探头30 2、流量、流速的检测、流量、流速的检测 （1）光纤涡街流量计）光纤涡街流量计 当当一一个个非非流流线线体体置置于于流流体体中中时时，在在某某些些条条件件下下会会在

37、在液液流流的的下下游游产产生生有有规规律律的的旋旋涡涡。这这种种旋旋涡涡将将会会在在该该非非流流线线体体的的两两边边交交替替地地离离开开。当当每每个个旋旋涡涡产产生生并并泻泻下下时时，会会在在物物体体壁壁上上产产生生一一侧侧向向力力。这这样样，周周期期产产生生的的旋旋涡涡将将使使物物体体受受到到一一个个周周期期的的压压力力。若若物物体体具具有有弹弹性性，它它便便会会产产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即生振动，振动频率近似地与流速成正比。即 式中：式中：vv流体的流速；流体的流速；d d物体相对于液流方向的横向尺寸；物体相对于液流方向的横向尺寸；s s与流体有关的无量纲常数与流体有关的无量

38、纲常数。因因此此，通通过过检检测测物物体体的的振振动动频频率率便便可可测测出出流流体体的的流流速速。光光纤纤涡涡街街流流量量计计便便是是根根据据这这个个原原理理制制成成的的，其其结结构构如图。如图。fsvd31纹稳定。当光纤振动时纹稳定。当光纤振动时,输出光斑亦发生移动。对于处于输出光斑亦发生移动。对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器光斑中某个固定位置的小型探测器,光斑花纹的移动反映光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析为探测器接收到的输出光强的变化。利用频谱分析,即可即可测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值测出光纤的振动频率。根据上式或实验标定得到流速值

39、,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量。光光纤纤涡涡街街流流量量计计特特点点：可可靠靠性性好好,无无任任何何可可动动部部分分和和联联接接环环节节,对对被被测测体体流流阻阻小小,基基本本不不影影响响流流速速。但但在在流流速速很很小时小时,光纤振动会消失光纤振动会消失,因此存在一定的测量下限。因此存在一定的测量下限。在横贯流体管道的中间装在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时体流动时,光纤就发生振动光纤就发生振动,其其振动频率近似与流速成正比。振动频率近似与流速成正比。由于使用的是多模光纤由于使用的是多模光纤,故

40、当光故当光源采用源采用相干光源相干光源(如激光器如激光器)时时,其输出光斑是模式间干涉的结其输出光斑是模式间干涉的结果。当光纤固定时果。当光纤固定时,输出光斑花输出光斑花光源频谱分析记录探测器123451夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷32 （2）光纤多普勒流速计）光纤多普勒流速计 下下图图为为利利用用光光纤纤多多普普勒勒计计来来测测量量流流体体流流速速的的原原理理。当当待待测测流流体体为为气气体体时时，散散射射光光将将非非常常微微弱弱，此此时时可可采采用用大大功功率率的的Ar激激光光器器（出出射射光光功功率率为为2W，=514.5nm）以提高信噪比。以提高信噪比。特点：非接触测量，不影

41、响待测物体的流动状态。特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态。光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、3 分束器；分束器；2 反射镜；反射镜；4 透镜；透镜；5 流体管道；流体管道；6 窗口；窗口；7、8 光纤光纤33第二节第二节 气敏传感器气敏传感器 l接触燃烧式气敏元件l金属氧化物半导体气敏元件l氧化锆气敏元件工作原理、主要类型及应用34一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器 1 1、检测原理、检测原理 可可燃燃性性气气体体(H2、CO、CH4等等)与与空空气气中中的的氧氧接接触触，发发生生氧氧化化反反应应，产产生生反反应应热热(无无焰焰接接触

42、触燃燃烧烧热热)，使使得得作作为为敏敏感感材材料料的的铂铂丝丝温温度度升升高高，电电阻阻值值相相应应增增大大。一一般般情情况况下下，空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度都都不不太太高高(低低于于10)，可可燃燃性性气气体体可可以以完完全全燃燃烧烧，其其发发热热量量与与可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度有有关关。空空气气中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度愈愈大大，氧氧化化反反应应(燃燃烧烧)产产生生的的反反应应热热量量(燃燃烧烧热热)愈愈多多，铂铂丝丝的的温温度度变变化化(增增高高)愈愈大大，其其电电阻阻值值增增加加的的就就越越多多。因因此此，只只要要测测定定作作为为敏敏感感件件的的铂铂丝丝

43、的的电电阻阻变变化化值值(R)，就就可可检检测测空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度。但但是是，使使用用单单纯纯的的铂铂丝丝线线圈圈作作为为检检测测元元件件，其其寿寿命命较较短短，所所以以，实实际际应应用用的的检检测测元元件件，都都是是在在铂铂丝丝圈圈外外面面涂涂覆覆一一层层氧氧化化物物触触媒媒。这这样样既既可可以以延延长长其其使使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。35接接触触燃燃烧烧式式气气体体敏敏感感元元件件的的桥桥式式电电路路如如图图。图图中中F1是是检检测测元元件件；F2是是补补偿偿元元件件，其其作作用用是是补补偿偿可可燃燃性性气气体体

44、接接触触燃燃烧烧以以外外的的环环境境温温度度、电电源源电电压压变变化化等等因因素素所所引引起起的的偏偏差差。工工作作时时，要要求求在在F1和和F2上上保保持持100mA200mA的的电电流流通通过过，以以供供可可燃燃性性气气体体在在检检测测元元件件F1上上发发生生氧氧化化反反应应(接接触触燃燃烧烧)所所需需要要的的热热量量。当当检检测测元元件件F1与与可可燃燃性性气气体体接接触触时时，由由于于剧剧烈烈的的氧氧化化作作用用(燃燃烧烧)，释释放放出出热热量量，使使得得检检测测元元件件的的温温度度上上升升，电电阻阻值值相相应应增增大大，桥桥式式电电路路不不再平衡，在再平衡，在A、B间产生电位差间产生

45、电位差E。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因为RF很小，且RF1R1=RF2R236这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示如果令则有检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量；C检测元件的热容量；Q可燃性气体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。37，C和和的的数数值值与与检检

46、测测元元件件的的材材料料、形形状状、结结构构、表表面面处处理理方方法法等等因因素素有有关关。Q是是由由可可燃燃性性气气体体的的种种类类决决定定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则因而，在一定条件下，都是确定的常数。则A、B间间的的电电位位差差E，并并由由此此求求得得空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度。若若与与相相应应的的电电路路配配合合，就就能能在在空空气气中中当当可可燃燃性性气气体体达达到到一一定定浓浓度度时时，自自动动发发出出报报警警信信号号，其其感感应应特特性性曲曲线线如图。如图。接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷

47、乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL)E=kmb即即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。成比例。如果在如果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以两点间连接电流计或电压计，就可以测得测得38 2 2、接触燃烧式气敏元件的结构、接触燃烧式气敏元件的结构 用用高高纯纯的的铂铂丝丝,绕绕制制成成线线圈圈,为为了了使使线线圈圈具具有有适适当当的的阻阻值值(12),),一一般般应应绕绕10圈圈以以上上。在在线线圈圈外外面面涂涂以以氧氧化化铝铝或或氧氧化化铝铝和和氧氧化化硅硅组组成成的的膏膏状状涂涂覆覆层层,干干燥燥后后在在一一定定温温度度下下烧烧结结成成球球

48、状状多多孔孔体体。将将烧烧结结后后的的小小球球,放放在在贵贵金金属属铂铂、钯钯等等的的盐盐溶溶液液中中,充充分分浸浸渍渍后后取取出出烘烘干干。然然后后经经过过高高温温热热处处理理,使使在在氧氧化化铝铝(氧氧化化铝铝一一氧氧化化硅硅)载载体体上上形形成成贵贵金金属属触触媒媒层层,最最后后组组装装成成气气体体敏敏感感元元件件。除除此此之之外外,也也可可以以将将贵贵金金属属触触媒媒粉粉体体与与氧氧化化铝铝、氧氧化化硅硅等等载载体体充充分分混混合合后后配配成成膏膏状状,涂涂覆覆在在铂铂丝丝绕绕成成的的线线圈圈上上,直直接接烧烧成成后后备备用用。另另外外，作作为为补补偿偿元元件件的的铂铂线线圈圈,其其尺

49、尺寸寸、阻阻值值均均应应与与检检测测元元件件相相同同。并并且且,也也应应涂涂覆覆氧氧化化铝铝或或者者氧氧化化硅硅载载体体层层,只只是是无无须须浸浸渍渍贵贵金金属属盐盐溶溶液液或或者者混混入入贵贵金金属触媒粉体属触媒粉体,形成触媒层而已。形成触媒层而已。39触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图40二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器气气体体敏敏感感元元件件，大大多多是是以以金金属属氧氧化化物物半半导导体体为为基基础础材材料料。当当被被测测气气体体在在该该半半导导体体表表面面吸吸附附后后，引引起起其其电电学学特特性

50、性(例例如如电电导导率率)发发生生变变化化。目目前前流流行行的的定定性性模模型型是是：原原子子价控制模型价控制模型、表面电荷层模型表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型晶粒间界势垒模型。1 1、半导体气敏元件的特性参数、半导体气敏元件的特性参数 （1 1）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将将电电阻阻型型气气敏敏元元件件在在常常温温下下洁洁净净空空气气中中的的电电阻阻值值，称称为为气气敏敏元元件件(电电阻阻型型)的的固固有有电电阻阻值值，表表示示为为。一一般般其其固有电阻值在固有电阻值在(10103 310105 5)范围。范围。测测定定固固有有电电阻阻值值时时,要要求求必必须须在在洁洁净净空空气