第6章 其他种类的传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

1 第一 光纤传感器 第二 激光传感器 第三 固体图像传感器 第6章 其他种类的传感器 问题 光纤是如何导光的？ 光纤传感器的结构原理怎样？如何实现测量的？ 如何实现检测应用的？ 包括：结构；测量原理，分类 3 光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)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，它与以电为基础的传感器有本质区别。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质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 第一　光纤传感器 4 一、光纤结构 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，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R 2r n2 n1 n n2 n1 纤芯 包层 光纤结构 5 二、光导纤维导光的基本原理 光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。 1、斯乃尔定理（Snell's Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。 n1 n2 θr θi (a)光的折射示意图 可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。 n1、n2、θr、θi之间的数学关系为 n1sinθi=n2sinθr 6 当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。 式中：θi0——临界角 θi0=arcsin(n2/n1) sinθi0=n2/n1 sinθr＝sin90º＝1 n1 n2 θr θi (c)光全反射示意图 n1 n2 θr θi (b)临界状态示意图 当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态。这时有 将光限制在光纤中传播的条件 7 2、光纤导光原理及数值孔径NA 如何保证将光限制在光纤中传播的条件： θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º n0sinθi=n1sinθj n1sinθk=n2sinθr sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr θj θi θk θr A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纤导光示意图 Na(Numerical　Aperture)为“数值孔径”，是光纤的一 个基本参数，反映了聚光能力（Na≥1，聚光能力强）。 只有入射角θi＜arcsinNa的光线才可进入光纤被全反射 传播 。 8 三、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。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，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 原理：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，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 9 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。 光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率； φ——光相位；t——光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受