第六章 其他种类传感器6(传感器原理及检测技术)

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第六章其他种类的传感器2光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)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、磁场等物理量第一节光纤传感器3一、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'sLaw）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。n1n2θrθi(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=n2sinθr4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/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意图n1n2θrθi(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52、光纤结构分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光纤结构来说明。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。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构63、光纤导光原理及数值孔径NA入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθjsinθk=(n2/n1)sinθr因θj=90º－θk所以θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sinn0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。当n０=1时7上式sinθi0为“数值孔径”NA(NumericalAperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为rinn22221sinsin22210sinnni2sin10niΔ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差当θr=90º的临界状态时，θi=θi0当θr90º时，sinθiNA，θiarcsinNA，光线消失。这说明arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播当θr=90º时当θr90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsinNAθiθi0=arcsinNA8二、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，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。tAEsin10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、光纤传感器的分类11（1）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）光纤传感器利用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(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器122）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，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）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象13（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。142）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）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频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。154）相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。16三、光纤传感器的应用（一）温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种。1、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17下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，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182、透射型半导体光纤温度传感器当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即gEhggEhc因λ＝c/v，则产生本征吸收条件h——普朗克常数；v——光频率因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20℃)时,120μm厚的GaAs材料的透射率曲线。19由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为ttEtEgg20式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；α——经验常数(eV／K)；β——经验常数(K)。8508009009501000010203040t=20℃波长λ/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)eVEg522.10对于GaAs材料，由实验得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K20由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1T2T3T3T1T2相对发光强度半导体透射测量原理透射率波长21（二）压力的检测种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。1、采用弹性元件的光纤