【正文】 為此 ， 在測量邊和參比邊各設(shè)置了一個封有干擾氣體的濾波氣室 , 它能將 CO2氣體對應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收 , 因此左右兩邊吸收氣室的紅外線能量之差只與被測氣體 （ 如 CO） 的濃度有關(guān) 。 它是為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響 。 第 8章 光電式傳感器 如被測氣體的濃度愈大 , 兩束光強的差值也愈大 , 則電容的變化也愈大 , 因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度 。 測量時 （ 如分析 CO氣體的含量 ） , 兩束紅外線經(jīng)反射 、 切光后射入測量氣室和參比氣室 。 測量氣室中通入被分析氣體 , 參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體 （ 如 N2等 ） 。 圖 8 36是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖 。 不同氣體的吸收波段（ 吸收帶 ） 不同 , 圖 8 35給出了幾種氣體對紅外線的透射光譜 , 從圖中可以看出 , CO氣體對波長為 有很強的吸收能力 , CO2氣體則在 長大于 13μm的范圍 ， 對紅外線有較強的吸收能力 。 反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡 , 并在鏡的表面鍍金 、 鋁 、 鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料 。 目前已有一種帶單片機的智能紅外測溫儀 , 利用單片機與軟件的功能 , 大大簡化了硬件電路 , 提高了儀表的穩(wěn)定性 、 可靠性和準(zhǔn)確性 。 被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上 , 紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出 。 步進電機帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動 , 將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線 。 圖 8 34是目前常見的紅外測溫儀方框圖 。 當(dāng)物體的溫度低于 1000℃ 時 , 它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了 , 可用紅外探測器檢測溫度 。 光子探測器的主要特點是靈敏度高 , 響應(yīng)速度快 , 具有較高的響應(yīng)頻率 , 但探測波段較窄 , 一般需在低溫下工作 。 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測器 , 統(tǒng)稱光子探測器 。 這稱光子效應(yīng) 。 輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢 , 從而反映出入射的紅外輻射的強弱 , 熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率 。 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時 , 引起薄片溫度升高 , 使其極化強度降低 , 表面電荷減少 , 這相當(dāng)于釋放一部分電荷 , 所以叫做熱釋電型傳感器 。 第 8章 光電式傳感器 熱釋電紅外探測器由具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為 “ 鐵電體 ” 是的材料制做的 。 而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最高 , 頻率響應(yīng)最寬 , 所以這種探測器倍受重視 , 發(fā)展很快 。 但熱探測器主要優(yōu)點是響應(yīng)波段寬 , 響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域 , 可以在室溫下工作 , 使用方便 , 應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛 。 第 8章 光電式傳感器 1. 熱探測器 熱探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng) , 探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 , 進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 ， 通過測量物理參數(shù)的變化 , 便可確定探測器所吸收的紅外輻射 。 紅外探測器是紅外傳感器的核心 。 這三個波段對紅外探測技術(shù)特別重要 , 因為紅外探測器一般都工作在這三個波段 （ 大氣窗口 ） 之內(nèi) 。 它在大氣中傳播時 , 大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶 , 紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的 , 空氣中對稱的雙原子氣體 , 如 N O H2等不吸收紅外線 。 而且 , 紅外線被物體吸收時 , 可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。 一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的 。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分 , 即近紅外 、 中紅外 、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外 。 第 8章 光電式傳感器 一 、 紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線 , 它是一種不可見光 , 由于是位于可見光中紅色光以外的光線 , 故稱紅外線 。 ④ 紅外測距和通信系統(tǒng) 。 ② 搜索和跟蹤系統(tǒng) , 用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo) , 確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤 。 它已在科技 、 國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 。 82。 這些特點是孔板 、 渦輪等許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的 。 如果外界擾動是由流體的渦流引起的 ,那么干涉圖樣的斑紋或斑點就會隨著振動的周期變化來回移動 , 這時測出斑紋或斑點移動 , 即可獲得對應(yīng)于振動頻率 f的信號 , 根據(jù)式 （ 8 6） 推算流體的流速 。 在多模光纖中 , 光以多種模式進行傳輸 , 在光纖的輸出端 , 各模式的光就形成了干涉花樣 , 這就是光斑 。 式 （ 8 6） 是旋渦流體流量計測量流量的基本理論依據(jù) 。 d ——流體中物體的橫向尺寸大小 。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 8 32所示 。 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單 、 制造容易 、 成本低 、 便于推廣應(yīng)用 , 可在 10~300℃ 的溫度范圍內(nèi)進行測量 , 響應(yīng)時間約為 2 s。 這里僅介紹一種光強調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器 , 下圖 8 30為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 ２ ． 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度 、 壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器 。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應(yīng) 。 激光束通過分光板后分為兩束光 , 透射光作為參考光束 , 反射光作為測量光束 。 222011s i n nnnNA c ??? ?（ 8 5） 第 8章 光電式傳感器 三 、 １ ． 光纖加速度傳感器 光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖 8 29所示 。 所以NA 是光纖的一個重要參數(shù) 。 其意義是 : 無論光源發(fā)射功率有多大 , 只有入射光處于 2θc 的光錐內(nèi) , 光纖才能導(dǎo)光 。 為滿足光在光纖內(nèi)全內(nèi)反射 , 光入射到光纖端面的臨界入射角 θc 應(yīng)滿足下式 : cccc nnnn ????? c os)2s i n(s i ns i n 1110 ?????2221212121 )s i n(1s i n1 nnnnnncc ??????? ??即 )1a rc s i n( 22201nnnc ???第 8章 光電式傳感器 由此可知：為滿足光在光纖內(nèi)的全反射 ， 光入射到光纖端面的入射角 θ應(yīng)滿足 一般光纖所處環(huán)境為空氣 , 則 n0=1。 當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成 θ角時 , 根據(jù) 斯涅耳光的折射定律 , 在光纖內(nèi)折射成 θ′, 然后以 角入射至纖芯與包層的界面 。 但在光纖中 , 光的傳輸限制在光纖中 , 并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離 , 光纖的傳光原理是基于光的 全反射 。則 結(jié)論：當(dāng)光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角大于或等于臨界角，即： 就發(fā)生 全反射 現(xiàn)象。使折射角 β=90186。繼續(xù)增大入射角，仍然如此。當(dāng) α增加到某一角度時，可使 β=90186。如下圖所示 a a’ β 介質(zhì) I 介質(zhì) II 11 v ?22 v ?v1 v2 a = a’ 12s ins innn???條件是 n1 n2 第 8章 光電式傳感器 其中， n1為介質(zhì) 1的折射率， n2為介質(zhì) 2的折射率。 第 8章 光電式傳感器 纖芯 包層 保護層 第 8章 光電式傳感器 2． 光纖的傳光原理 由光學(xué)知識可知：當(dāng)光線射到兩種不同介質(zhì)的分界面時。 纖芯的折射率 n1略大于包層的折射率 n2, 光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì) , 在包層外面還常有一層保護套 , 多為尼龍材料 。 中心的圓柱體叫纖芯 , 圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層 。 第 8章 光電式傳感器 二 、 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 1． 光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維簡稱為光纖 。 為了滿足特殊要求 , 出現(xiàn)了保偏光纖 、 低雙折射光纖 、 高雙折射光纖等 。特點是傳輸性能差 ， 但制造容易 ， 連接和耦合方便 。 一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖 。 1） 單模光纖 ——單模光纖的纖芯直徑較小 ， 通常為 2~12μm。此時光纖僅作為光信息的傳輸介質(zhì)。此時光纖既是敏感元件又是光信息的傳輸介質(zhì)。這就是光纖傳感器的測量原理。經(jīng)敏感元件 可引起光纖內(nèi)光強度、頻率、相位、偏振等發(fā)生變化 。如下圖所示 敏感 元件 光接 收器 信號 處理系統(tǒng) 光纖 光源 被測 參數(shù) 光接 收器 信號 處理系統(tǒng) 光纖 光源 被測 參數(shù) (a) 功能型傳感器 (b) 非功能型傳感器 第 8章 光電式傳感器 2. 光纖傳感器的工作原理 其測量原理是基于光可被外界參數(shù)調(diào)制的原理。 它能用于溫度 、 壓力 、 應(yīng)變 、位移 、 速度 、 加速度 、 磁 、 電 、 聲和 PH值等各種物理量的測量 , 具有極為廣泛的應(yīng)用前景 。 MnpD ?第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 光 纖