传感与测试技术-光纤传感器.ppt
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1、第六节 光纤传感器,基本工作原理:外界环境因素如压力、温度、电场、磁场等变化时,将引起光纤传输的光波量,如光强、相位、颇率、偏振态等变化。因此,如果能测量出光波量变化的大小,就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小。,光纤,光缆直径,85m,光缆,人的头发,光纤结构,它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯,和折射率n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。,光纤导光原理,根据几何光学原理,当光线以较小的入射角1由光密介质1射向光疏介质2(即n1n2)时,则一部分入射光将以折射角2折射入介质2,其余部分仍以1反射回介质1。依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律
2、,有:当2=90时,入射 角1称为临界角c 当1c时,光线 发生全反射,光纤导光原理,光线由折射率为n0的外界介质射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为:,光纤导光原理,数值孔径:n0sinic,用NA表示。当n0=1时,sin-1NA=ic即为端面入射临界角。光纤的数值孔径越大,表明在越大的入射角范围内入射的光线均可在光纤界面实现全反射。作为传感器的光纤,一般采用,光纤传感器,分类:功能型光纤传感器:结构型光纤传感器:,功能型光纤传感器,利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体的传感器。传感器中的光纤是连续的。,结构型光纤传感器原
3、理,在结构型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件。,光纤传感器的应用,光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中,用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。,光纤温度传感,在电力系统,测定温度、电流等参数。如对高压变压器和大型电机的定子、转子的温度检测,由于电类传感器易受强电磁场的干扰,在这些场合中只能用光纤传感器。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,在传播中的每一点都会产生反
4、射,反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反(亦称为“背向”)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点的光纤的环境温度)越高,反射光的强度也越大。,光纤传感器的特点,光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小。光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。,半导体传感器,工作原理:半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等量的敏感性。分类:磁敏传感器热敏传感器 气敏传感器湿敏传感器固态图像传感器,磁敏传感器,霍尔元件:利用霍尔效应的半导体磁电转换元件。霍尔效
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