第9章 新型传感器.ppt
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1、第9章 新型传感器,2019/6/27,2,一、教学目标,(1)了解光纤传感器和超声波传感器的概念。 (2)掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的物理性质。 (3)熟悉两种新型传感器在工程上的应用。,二、教学重点和难点,1、重点:超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。 2、难点:超声波的物理性质。,三、教学学时 6学时,9.1 光纤传感器及其应用,光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量轻以及耗能少等优点。,光的全反射实验,各种装饰性光导纤维,发光二极管产生多种颜色的光线,通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下,可产生动态图
2、案。,上海东方明珠,9.1.1 光纤的基本概念,1.光纤的结构,(a)光纤的截面图 (b)光纤的外观图 图9-1 光纤的结构 1纤芯;2包层;3缓冲层;4加强层;5PVC护套,光缆的外形及光纤的拉制,光纤拉制塔: 拉制速度:6001000m/min 石英预制棒:直径为4060mm,长约1m 连续拉制成直径为125m,长为100200km的光纤,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时,一部分能量反射回原介质;另一部分能量则透过分界面,在另一介质内继续传播。,光的全反射,当减小入射角c时,进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小,将导致折射波只能在介质分界面上传
3、播。对这个极限值时的入射角,定义为临界角c。当入射角小于c时,入射光线将发生全反射。,光在光纤中的全反射,光纤的类型,阶跃型:光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致,称为多模光纤。,梯度型:梯度型光纤的的折射率呈聚焦型,即在轴线上折射率最大,离开轴线则逐步降低,至纤芯区的边沿时,降低到与包层区一样。,单孔型光纤的纤芯直径较小(数微米)接近于被传输光波的波长,光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导,能量损失很小,适宜于远距离传输。,9.1.2 光纤传感器的结构原理,(a) 传统传感器,(b)光纤传感器,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光
4、的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化,称为被调制的信号光,在经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。,9.1.3 光纤传感器的分类,1.根据光纤在传感器中的作用进行分类 分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器,(a)功能型,1)功能型光纤传感器,光纤水听器,光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探,也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测,它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。,(b)非功能型,2)非功能型光纤传感器,光纤传感器外形,3)拾光型
5、光纤传感器,(c)拾光型,光纤温度传感器,2.根据光受被测对象的调制形式进行分类,强度调制型光纤传感器 偏振调制型光纤传感器 频率调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器,1)强度调制型光纤传感器,强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变化而引起敏感元件参数的变化,从而导致光强度的变化来实现测量的传感器。 这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的反射光强度的变化,以及物质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传感器。,2)偏振调制型光纤传感器,偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变化来传递被测信号的传感器。 这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉
6、第效应做成电流或磁场传感器,它可以避免光源强度的变化对其产生的影响,因此,灵敏度较高。,3)频率调制型光纤传感器,频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变化来进行监测的一种传感器。,4)相位调制型传感器,相位调制型传感器是利用被测量对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或者传播常数发生变化,从而导致光的相位发生变化,通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量,从而得到被测量的信息。,9.1.4 光纤传感器的应用,1.反射式光纤位移传感器 非功能,图9-6 反射式光纤位移传感器的工作原理,2.光纤压力传感器,图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的原理图 1
7、Y形光纤束; 2壳片; 3膜片,3.光纤温度传感器,图9-8 光纤温度传感器示意图 1感温黑色壳体 2彩色液晶 3入射光纤;4出射光纤,适用于远距离防爆场所的温度测量,保护管,光纤温度传感器,4.热双金属式光纤温度开关,图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图 1遮光板; 2双金属片 测温范围:1050摄氏度 缺点:反应慢,5.球面光纤液位传感器,(a)不接触液体的工况 (b)浸在液体中的工况 图9-10 球面光纤液位传感器的原理图 1入射光纤; 2透明球形端面; 3包层; 4出射光纤,6.斜端面光纤液位传感器,(a)在空气中 (b)在液体中 图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图 1
8、、2光纤; 3棱镜,7.单光纤液位传感器,图9-12 单光纤液位传感器的结构 1光纤; 2耦合器,(a)尖顶磨平镀反射膜的探头(b)尖顶磨平并粘上突出物的探头 图9-13 改进的光纤液位探头,探头离开液面,有液体附着,不能立即响应。,9.2 超声波传感器及其应用,主要学习超声波的物理特性,着重了解超声波在检测技术中的一些应用,也涉及无损探伤的设备及方法。,声波频率的界限划分,1.次声波,次声波是频率低于20赫兹的声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,78Hz的次声波会引起人的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。,在自然界中,海上风暴、火山爆发、大陨石落地、海啸、电闪雷鸣、波浪击岸、水
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