9.2光纤传感器（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

课题一 图像传感器 课题二 光纤传感器 课题三 智能传感器 课题四 网络传送器 2024/1/4 1 模块九 现代检测技术 模块九 现代检测技术 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，越来越多的传感器智能检测系统、物联网系统广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建筑等各个领域的自动化设备及自动化生产过程中。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，促进现代测量技术手段更快、更广泛发展，测量技术将在网络时代发生革命性变化。 2024/1/4 2 课题二 光纤传感器 3 ◆ 知识点 ¤　了解光纤传递的基本知识 ¤　学习光纤图像传感器的基本原理 ◆ 技能点 ¤　光纤图像传感器的适用场所及使用方法 [任务提出] 光纤传感器是20世纪70年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，与以电为基础的传感器有着本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介，具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、容易实现远距离监控等特点，适于测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力等物理量。 4 5 图9-2-1 工业内窥镜的外形与结构 某天然气公司是一家炼化一体年产千万吨炼油的大型综合企业，为保证成品正常输送，需要寻找适合石化行业的长距离管道视频检测方案，用以对管线内部的焊接质量进行监查，对管道内部是否存在异物进行排查，并精准定位以便割口取出。要求监测管道直径100~800mm，检测距离大于100米，视频图像清晰，且可以精准定位。请给出任务方案。 6 [任务分析] 工业内窥镜可以成为解决问题的关键。使用工业内窥镜，可以直接观察到设备内部的肉眼不易直接观察的隐蔽地方，进行箱体、管道内部的检测和故障诊断，既不需设备解体，也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然，可直视，也可侧视，大大提高工作效率。 那么这种工业内窥镜采用何种传感器作为成像和传输的元件？该传感器的结构和工作原理怎样？这些构成本课题研究的中心内容。 7 [相关知识] 一、光纤传递的基本知识 ⒈光纤结构与导光原理 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤结构如图9-2-2所示。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯（纤芯）和玻璃包皮（包层）两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在此传输。包层材料一船为SiO2，可以是单层，也可以是多层结构，取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。双层结构间形成良好的光学界面。 8 9 图9-2-2 光纤结构 对于多模光纤光纤，可以用几何光学的方法分析光波的传播现象。此时，光线既是在两层结构之间的界面上靠全反射进行传播。由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。 光缆由多根光纤组成，光纤间填入阻水油膏以保证传光性能，主要用于光纤通信。 10 二、光纤传感器工作原理及分类 1.光纤传感器结构 光纤传感器是一种把不易测量的某种物理量转变为可测的光信号的装置，其结构示意图如图9-2-3所示。它由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号后经信号处理得到期望的被测量。 11 与以电为基础的传统传感器相比较，光纤传感器在测量原理上有本质的差别。它是以光学测量为基础，其前端感光元件大多仍是使用前文所述的固态图像传感器完成。 12 图9-2-3 光纤传感器结构示意图 2.光纤传感器的分类 根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。 （1）功能型（全光纤型）光纤传感器 如图9-2-4所示。它是将对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，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，增加其长度可提高灵敏度。 13 14 图9-2-4 功能型光纤传感器 15 （2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 如图9-2-5所示。光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”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