光纤、红外、激光传感器（传感技术课件）

任务8.1霍尔传感器任务8.2压电传感器项目8其他类型的传感器任务8.3超声波传感器任务8.4光纤、红外、激光传感器8.4

红外传感器

光纤传感器

激光传感器红外传感器不同的颜色和亮度代表不同的温度

任何物体只要温度高于绝对零度（-273.15℃），内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热分布相对应的热像图。

红外热成像原理光学成像物镜对准被测目标，被测物的红外辐射能量成像在红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，一般工作在8~14μm波段上。人眼的视场与客观世界光辐射的比较紫外光可见光红外线紫外线可见光红外线

客观世界的光辐射人眼能感知的光辐射红外热像手指的血流图狗手枪钻的发热部位CPU的红外热像.热成像仪在电力领域的使用变电设备热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置白天的图像与晚上的热像对比热像各种输电设备的热像输电线接头过热各种电灯的热象光纤传感器光的全反射演示光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1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。光线的在两种介质界面的反射与折射a）θ1＞θc时的情况b）θ1=θc时的情况c）θ1＜θc时的情况光的全反射当减小入射角时，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播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。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塔的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。光的全反射光纤的结构1－纤芯2－包层3－缓冲层4－加强层5－PVC外套光纤的结构（续）

光在光纤中的全反射

光缆的外形及光纤的拉制

光纤的类型a）阶跃型b）梯度型c）单孔型折射率：光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。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。典型多模光纤：50/125μm、62.5/125μm（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）梯度型光纤梯度型光纤的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低。单孔型光纤也称为单模光纤，中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。能量损失很小，适宜于远距离传输。典型单模光纤直径：9/125μm（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）光纤的损耗光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。光纤传感器光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件，直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。光纤传感器多用于高电压、易爆等场合，不易产生电火花。光纤液位测量

当不存在液体时，在棱镜探头端面产生全部内部反射。当存在着液体时，光线不能产生全部内部反射，一部分光经过折射后进入液体。两种情况下，接收光强产生差异，从而达到检测液位效果。光纤液位传感器

光纤液位传感器用于高压变压器

冷却油的液位检测1－鹅卵石2－冷却油3－高压变压器4－高压绝缘子5－冷却油液位指示窗口6－光纤液位传感器7－连通器光纤温度传感器1－感温黑色壳体2－液晶3－入射光纤4－出射光纤LED发出的可见光投射到入射光纤中，经过光纤的传递进入感温黑色壳体中，感温黑色壳体内部充满彩色液晶，入射光经彩色液晶散射后进入出射光纤中，经过光纤传递作用在光敏三极管上，形成输出信号。当被测温度升高时，彩色液晶的颜色就会变暗，光强度变弱，光进入出射光纤，作用在光敏三极管后进行放大，得到的输出电压反映被测温度的变化。光纤温度传感器适用于远距离防爆场所的温度测量。保护管内为作为敏感元件的高温光纤低温传导光纤光纤温度传感器光纤混凝土应变传感器

1－入射光纤2－气隙3－出射光纤4－钢板5－混凝土6－光源光纤连接头7－传导光纤连接头当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当受外力作用时，光纤则发生许多微弯，原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射，但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。埋入式光纤光栅应变传感器埋入式光纤光栅应变传感器是针对桥梁混凝土箱梁、大坝坝体、高层建筑及其他混凝土构件或预制件内部应力变形测量需求开发的高性能应变计。光纤大电流传感器

1－大电流导线2－光纤线圈当线偏振光（见光的偏振）在光纤中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，上述现象称为法拉第效应。B光纤大电流传感器（续）

基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器应用于架空电缆线路的电流测量和记录。光纤大电流传感器

光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型遮断式光纤式光电开关应用采用遮断型光纤光电开关对IC芯片引脚进行检测。激光传感器激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。固体激光器：红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器、钕玻璃激光器气体激光器：二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器液体激光器：有机染料激光器4.半导体激光器：砷化镓激光器激光传感器激光的特点1.高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至更小。所以通常称激光是平行光。2.高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。3.单色性好单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用λ表示波长，△λ表示谱线宽度，△λ则越小，单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。它的而普通的氦氖激光器所产生的激光从上面数字可以看出：激光的谱线宽度比普通光源相比提高了几万倍，因此激光是最好的单色光源。激光的特点激光的特点4.高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。激光是受激辐射光，它的波长分布范围很窄，颜色很纯，其振动、频率、相位都高度一致。白光是复合光，其频率、振动、相位都不一致。发生干涉时，激光形成的干涉图样更稳定，所以激光的相干性比白光的好。激光的特点4.高相干性光的干涉：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。两束光波相遇产生干涉现象的必要条件是：①频率相同；②光矢量(即电场强度矢量E)的振动方向相同；③在相遇处两束光的相位差恒定。激光传感器的应用激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、精度高，测量范围广，抗光、电干扰能力强，因此激光得到了广泛的应用。激光位移传感器半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到具体的位移。三角法测量原理激光测距传感器探测系统向目标发射波束，波束被目标表面放射产生回波信号。回波信号中直接或简介地包含待测信息。接收与信号处理系统通过接收和分析回波信号，获得被测量。回波分析法测量激光测距传感器汽车防撞探测器激光测距传感器用来监测汽车前后方向与其他汽车的距离，当汽车间距小于预定安全距离时，汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车，或者对司机发出报警，可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用，其优点更加明显。车流量监控及车轮廓描画激光测距传感器固定到高速或者重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直地面向下，对准一条车道的中间位置，当有车辆通行时，激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的相对改变值，进而描绘出所测车的轮廓。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果，能够区分各种车型，对车身高度扫描的采样率可以达到10厘米一个点（在40Km/h时，采样率为11厘米一个点）。对车流限高，限长，车辆分型等都能实时分辨，并能快速输出结果。激光测速双光束短距离近红外测量车速：通过双光束测得激光传感器与车辆的距离：L1和L2，由于光束间的夹角大小固定，因此可算出宽度W，由时间间隔：T2-T1，可得出车速。激光传感器发射的是近红外的光波，不能被雷达探测器、电子狗等