4.4 光纤传感器（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

4.4 光纤传感器 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握光纤传感器的种类及工作原理。 能力目标 理解和运用光纤传感器的原理及分类、光纤传感器的特点等内容进行掌握。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组总结光纤传感器的应用举例。 新知学习 一 、光纤传感器的介绍 光纤传感器是近年来异军突起的一项新技术。光纤传感器具有一系列传统传感器无可比拟 的优点，如灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防燃防爆、适于远距离传输、便于与计算机连接以及与光纤传输系统组成遥测网等。目前已研制出测量位移、速 度、压力、液位、流量和温度等各种物理量的光纤传感器。 新知学习 二、光纤的结构 光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。纤芯由石英玻璃或塑料拉成，位于 光纤中心，直径为5～75μm。 新知学习 二、光纤的结构 纤芯外是包层，有一层或多层结构，总直径在100～200μm 左 右，包层材料一般为纯SiO₂ 中掺微量杂质，其折射率略低于纤芯折射率。包层外面涂有涂料 (即保护层),其作用是保护光纤不受损害，增强机械强度，保护层折射率远远大于包层材料 折射率。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。 新知学习 光纤传感器是以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光 信号的一种传感器。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。 光源种类很多，常用光源有钨丝灯、激光器和发光二极管等。 光纤很细，柔软，可弯曲，是一种透明的能导光的纤维。光纤之所以能进行光信息的传输，是因为利用了光学上的全反射原理，即入射角大于全反射的临界角的光都能在纤芯和包层的界面上发生全反射，反射光仍以同样的角度向对面的界面入射，这样光将在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。 附加装置主要是一些机械部件，它随被测参数的种类和测量方法而变化。 三、光纤传感器的原理及分类 新知学习 按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。功能型光纤传感器是利用光纤本 身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化的一种光纤传感器， 它仅起传输光信号的作用，所以也称为非功能型光纤传感器。 三、光纤传感器的原理及分类 新知学习 四 、光纤传感器的特点 光纤传感器具有以下一些特点： 01 02 03 04 05 ①不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会 与电磁场发生作用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，使其特别适合于电力系统。 ②绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂覆材料硅胶也不导电，因而光纤绝缘 性能高，可很方便地测量带高压电设备的各种参数。 ③防爆性能好，耐腐蚀。由于在光纤内部 传输的是能量很小的光信息，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，因此光纤传感器的安 全性能好。光纤传感器适合于有强腐蚀性对象的参数测量。 ④导光性能好。对传输距离较短的 光纤传感器来说，其传输损耗可忽略不计，利用这一特性制成了锅炉火焰监测器监视其火焰的 状态。 ⑤光纤细而柔软，可制成非常小巧的光纤传感器用于测量特殊对象及场合的参数。 新知学习 五 、光纤传感器的应用举例 光纤传感器应用的场合很多，工作原理也各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环 节。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上，这种承载了被测量信息的调制光再经光 探测系统解调，便可获得所需检测的信息。原则上说，只要能找到一种途径，把被测信息 叠加到光波上并能解调出来，就可构成光纤传感器的一种应用。常用的光调制有强度调制、 相位调制、频率调制及偏振调制等几种。下面以光纤压力传感器为例简要说明光纤传感器 的应用。 新知学习 五 、光纤传感器的应用举例 光纤传感器中光强度调制的基本原理可简述为以被测对象所引起的光强度变化，来实现对被测对象的检测。 新知学习 五 、光纤传感器的应用举例 图为一种按光强度调制原理制成的光纤压 力传感器结构图。这种压力传感器的工作原理是： 新知学习 五 、光纤传感器的应用举例 图为一种按光强度调制原理制成的光纤压 力传感器结构图。这种压力传感器的工作原理是： 01 02 03 04 (1)被测力作用于膜片，膜片感受到被测力而 向内弯曲，使光纤与膜片间的气隙减小，使棱镜与 光吸收层之间的气隙发生改变。 (2)气隙发生改变引起棱镜界面上全内反射的 局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入 吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强减小。 (3)接收光纤内反射光强度的改变可由桥式光 接收器检测出来。 (4)桥式光接收器输出信号的大小只与光