第9章 新型传感器课件

1、第9 9章 新型传感器 2022-5-12一、教学目标一、教学目标（1 1）了解光纤传感器和超声波传感器的概念。了解光纤传感器和超声波传感器的概念。 （2 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。）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 3）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点：、重点：超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。2 2、难点：、难点：超声波的物理性质。超声波的物理性质。三、教学学时三、教学学时 6 6学时学时9.1 9.1 光纤传

2、感器及其应用光纤传感器及其应用 光纤传感器具有灵敏度高、光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、电绝缘性能好、抗电磁干扰、频带宽、动态范围大、结构频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量轻以及简单、体积小、质量轻以及耗能少等优点。耗能少等优点。 光的全反射实验光的全反射实验 各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。上海东方明珠上海东方明珠9.1.1 9.1.1 光纤的基本概念光纤的基本概

3、念1.光纤的结构光纤的结构（a a）光纤的截面图）光纤的截面图 （b b）光纤的外观图）光纤的外观图图图9-1 9-1 光纤的结构光纤的结构1 1纤芯；纤芯；2 2包层；包层；3 3缓冲层；缓冲层；4 4加强层；加强层；5 5PVCPVC护套护套光缆的外形光缆的外形及光纤的拉制及光纤的拉制光纤拉制塔：光纤拉制塔：拉制速度：拉制速度：6001000m/min石英预制棒：直径石英预制棒：直径为为4060mm，长约，长约1m连续拉制成直径为连续拉制成直径为125m，长为，长为100200km的光纤的光纤光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角1 1从介质从介质1

4、 1射到介质射到介质2 2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一的分界面上时，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。部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。 光的全反射光的全反射 当减小入射角当减小入射角c c时，进入介质时，进入介质2 2的折射光与分界面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的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角角c c。当入射角小于。当入射角小于c c时，入射光线将发生时，入射光线将发生全反射全反射。光在光在光纤中光

5、纤中的全反射的全反射 光纤的类型光纤的类型 阶跃型阶跃型：光纤：光纤纤芯纤芯的折射率分布各点均的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。匀一致，称为多模光纤。 梯度型梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦：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，降低则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。到与包层区一样。 单孔型光纤单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁接近于被传输光波的波长，光以电磁场场“模模”的原理在纤芯中传导，能量损的原理在纤芯中传导，能量损失很小，

6、适宜于远距离传输。失很小，适宜于远距离传输。 9.1.2 9.1.2 光纤传感器的结构原理光纤传感器的结构原理（a） 传统传感器传统传感器（b）光纤传感器）光纤传感器 光纤传感器的基本工作原理是将来自光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，导致数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频光的光学性质（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

7、参数。测器，经解调后，获得被测参数。 9.1.3 9.1.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器中的作用进行分类根据光纤在传感器中的作用进行分类 分为分为功能型功能型光纤传感器、光纤传感器、非功能型非功能型光纤传感器光纤传感器和和拾光型拾光型光纤传感器光纤传感器 （a a）功能型）功能型 1 1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器光纤水听器光纤水听器 光纤水听器主要用于海光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘洋、

8、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。器试验的先进检测手段。（b）非功能型2 2）非功能型光纤传感器）非功能型光纤传感器光纤传感器光纤传感器外形外形 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器（c）拾光型）拾光型光纤温度传感器光纤温度传感器 2. 2.根据光受被测对象的调制形式进行分根据光受被测对象的调制形式进行分类类 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 偏振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频率调制型光纤

9、传感器 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 1 1）强度调制型光纤传感器）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强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的被测量的变化变化而引起而引起敏感元件参数的变化敏感元件参数的变化，从而导致，从而导致光强度的变化光强度的变化来实现测量的传感器。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、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振动、温度、位

10、移等各种强度调制型光纤传感器。感器。 2 2）偏振调制型光纤传感器）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偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振光偏振的变化的变化来传递来传递被测信号被测信号的传感器。的传感器。 这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流或磁场传感器，它可法拉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，以避免光源强度的变化对其产生的影响，因此，灵敏度较高。因此，灵敏度较高。 3 3）频率调制型光纤传感器）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频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射

11、到被测量物体上时反射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回来的光的频率发生变化来进行监来进行监测的一种传感器。测的一种传感器。 4 4）相位调制型传感器）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相位调制型传感器是利用被测量对敏感元件的作用，使元件的作用，使敏感元件的折射率或者敏感元件的折射率或者传播常数发生变化传播常数发生变化，从而导致，从而导致光的相位光的相位发生变化发生变化，通过检测干涉条纹的变化量，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量，从而得到被来确定光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。测量的信息。 9.1.4 9.1.4 光纤传感器的应用光纤传

12、感器的应用1.反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 非功能非功能图图9-6 9-6 反射式光纤位移传感器的工作原理反射式光纤位移传感器的工作原理2. 2.光纤压力传感器光纤压力传感器图图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的原理图膜片反射式光纤压力传感器的原理图1Y形光纤束；形光纤束； 2壳片；壳片； 3膜片膜片3. 3.光纤温度传感器光纤温度传感器图图9-8 光纤温度传感器示意图光纤温度传感器示意图1感温黑色壳体感温黑色壳体 2彩色液晶彩色液晶 3入射光纤；入射光纤；4出射光纤出射光纤适用于远距离防爆场所的温度测量适用于远距离防爆场所的温度测量 保护管保护管光纤温度传感器光纤温度传感器 4.

13、 4.热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关图图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图热双金属式光纤温度开关的原理图1遮光板；遮光板； 2双金属片双金属片 测温范围：测温范围：1050摄氏度摄氏度 缺点：反应慢缺点：反应慢5. 5.球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 （a）不接触液体的工况）不接触液体的工况 （b）浸在液体中的工况）浸在液体中的工况图图9-10 球面光纤液位传感器的原理图球面光纤液位传感器的原理图1入射光纤；入射光纤； 2透明球形端面；透明球形端面； 3包层；包层； 4出射光纤出射光纤6. 6.斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器（a）在空气中）在空气中 （b）在液

14、体中）在液体中图图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图反射式斜端面光纤液位传感器的原理图1、2光纤；光纤； 3棱镜棱镜7. 7.单光纤液位传感器单光纤液位传感器图图9-12 单光纤液位传感器的结构单光纤液位传感器的结构1光纤；光纤； 2耦合器耦合器 （a）尖顶磨平镀反射膜的探头（）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）尖顶磨平并粘上突出物的探头图图9-13 改进的光纤液位探头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。探头离开液面，有液体附着，不能立即响应。9.2 9.2 超声波传感器及其应用超声波传感器及其应用 主要学习超声波的主要学习超声波的物理特性

15、物理特性，着重了，着重了解超声波在检测技术中的一些解超声波在检测技术中的一些应用应用，也涉及也涉及无损探伤无损探伤的设备及方法。的设备及方法。声波频率的界限划分声波频率的界限划分1. 1.次声波次声波次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。停止跳动。 在在自然界自然界中，海上风暴、中，海上风暴、火山火山爆发、大爆发、大陨石陨石落地、落地、海啸海啸、电闪雷鸣、波浪击岸、水中漩涡、空中、电闪

16、雷鸣、波浪击岸、水中漩涡、空中湍湍流流、龙卷风龙卷风、磁暴、磁暴、极光极光等都可能伴有次声波的等都可能伴有次声波的发生发生.在人类活动中，诸如核在人类活动中，诸如核爆炸爆炸、导弹飞行、火、导弹飞行、火炮发射、轮船航行、汽车争驰、高楼和大桥摇晃，炮发射、轮船航行、汽车争驰、高楼和大桥摇晃，甚至像鼓风机、甚至像鼓风机、搅拌机搅拌机、扩音喇叭等在发声的同、扩音喇叭等在发声的同时也都能产生次声波。据研究称，著名的时也都能产生次声波。据研究称，著名的“杀人乐杀人乐曲曲“黑色星期天黑色星期天所弹奏的旋律也是属于次声波。所弹奏的旋律也是属于次声波。 2. 2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音

17、乐可使人陶醉。3. 3.超声波超声波 蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。9.2.1 9.2.1 超声波的物理性质超声波的物理性质1.超声波的本质超声波的本质 高于高于20KHz的声波的声波 具有指向性好、能量集中、具有指向性好、能量集中、穿透本领大等特点穿透本领大等特点 2022-5-149蝙蝠依靠蝙蝠依靠超声波超声波捕食捕食2022-5-150压电陶瓷压电陶瓷或或磁致伸磁致伸缩材料缩材料在高电压窄在高电压窄脉冲作用下，可得脉冲作用下，可得到较大功率的超声到较大功率的超声波，可以被聚焦，波，可以被聚焦，能用于集成电路及能用于集成电路及塑料的焊接。塑料的焊接。 超声波塑料焊接机超声

18、波塑料焊接机2022-5-1512. 2.超声波的传播方式超声波的传播方式 超声波的传播方式主要可分为纵波、超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。横波、表面波等几种。 2022-5-152纵纵 波波2022-5-153横横 波波 2022-5-154表表 面面 波波3. 3.声速和波长声速和波长1 声速声速 取决于介质取决于介质2 波长波长 f=c2022-5-155弹性系数弹性系数密度密度声阻抗声阻抗Z ZZ=Z=c c4. 4.超声波的反射与折射超声波的反射与折射 当超声波从一种介质向另一种介质传播当超声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其时，如果两

19、者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过分界面进入第二种介质。穿过分界面进入第二种介质。 当两种不同的介质声阻抗相差较大时，当两种不同的介质声阻抗相差较大时，便会产生超声波反射。便会产生超声波反射。 9.2.2 9.2.2 超声波传感器的应用超声波传感器的应用2022-5-158超声波可以被聚焦，具有超声波可以被聚焦，具有能量集中的特点。能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器2022-5-159超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介超声波

20、被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。现象类似于光波。便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器2022-5-160超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t t，再乘以被测体的声速常数再乘以被测体的声速常数c

21、 c，就是超声脉冲，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以在被测件中所经历的来回距离，再除以2 2，就得到厚度就得到厚度 ： 21ct2022-5-161手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪2022-5-162超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚2022-5-163超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚2022-5-164双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头2022-5-165双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）2022-5-166超声波用于高效清洗超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液当弱的声波

22、信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。减小，液体中形成的微小气泡被压碎。 经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压瞬

23、间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为力，这种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声波清洗，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。清洗和冲刷工件内外表面的作用。 超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。等行业。2022-5-168超声波清洗原理及清洗器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器超声换能器气泡气泡波浪

24、波浪清洗物清洗物2022-5-169超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。就可测得液体的液面。 2022-5-170超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形超声发生器喇叭形超声发生器2022-5-171超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右的超声波。如果有人左右的超声波。如果有人进入信号的

25、有效区域，相对速度为进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移偏移 f。 2022-5-172超声波多普勒测量车速超声波多普勒测量车速2022-5-173多普勒效应多普勒效应 如果波源和观察如果波源和观察者之间有相对运者之间有相对运动，那么观察者动，那么观察者接收到的频率和接收到的频率和波源的频率就不波源的频率就不相同了，这种现相同了，这种现象叫做多普勒效象叫做多普勒效应。应。 测出测出 f f 就可得到就可得到运动速度。运动速度。2022-5-174超声波多普勒测量风速超声波多普勒测量

26、风速风 风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小 2022-5-175A A型超声波探伤型超声波探伤起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷2022-5-176钢轨探伤车钢轨探伤车滑板式探头滑板式探头 2022-5-177高速钢轨高速钢轨探伤车探伤车 铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）称做轮式探头）2022-5-178 构件的超声探伤（续）构件的超声探伤（续）B 超超 胎儿的胎儿的B超影像超影像超声波流量计超声波流量计9.3 9.3 微波传感器微波传感器9.3.1 微波的物理特性微波的物理特性 1. 微波的特性微波的特

27、性 微波是波长为微波是波长为11000mm，频率为，频率为300MHz3000GHz的电磁波，它既有电磁波的特的电磁波，它既有电磁波的特性，具有波粒二象性，又与普通的无线电波及和性，具有波粒二象性，又与普通的无线电波及和光波不同。光波不同。2. 微波的特点：微波的特点：p 可定向辐射，空间直线传输；可定向辐射，空间直线传输；p 遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；p 绕射能力差；绕射能力差；p 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光灯强光灯 影响很小；影响很小；p 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。水对微波的吸收作用最强。 9.3.2微波传感器的工作原理微波传感器的工作原理 微波传感器由微波传感器由微波振荡器和微波天线微波振荡器和微波天线组成。组成。微波振荡器是产生微波的装置，微波振荡器微波振荡器是产生微波的装置，微波振荡器由速调管、磁控管或某些固体元件组成。由由速