【正文】 (3) 應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 光纖旋渦流量傳感器 ? 加速度通過一定質(zhì)量的物體，在平衡力的反作用下可產(chǎn)生位移、形變、旋轉(zhuǎn)等。測出頻率就可知流速。 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 KD300光纖位移傳感器性能指標(biāo) ? 分辨率： ；反應(yīng)頻率： 70kHz； ? 信號輸出： 010V ； DC100歐姆； ? 儀器工作溫度： 10攝氏度 65攝氏度； ? 測量不受磁場或靜電影響，能對幾乎所有非金屬甚至漆黑表面物體進(jìn)行操作； ? 探針長度： 3in.()探針； ? 電纜線長度： 36in.(914 mm)； ? 電源：小于 3W,115/230V,50400Hz。 第 9章 新型光電傳感器 ? 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 工作原理： ? 由于光纖有一定的數(shù)值孔徑，當(dāng)光纖探頭緊貼被測物體時(shí)，接收光敏元件無光電信號； ? 被測物體逐漸遠(yuǎn)離光纖時(shí)接收光纖照亮的區(qū)域 B2越來越大； ? 當(dāng)整個(gè)接收光纖被照亮?xí)r，輸出曲線達(dá)到光峰值； ? 被測體繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)部分光線被反射光信號減弱，曲線下降。 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 結(jié)構(gòu)： 反射式光纖位移傳感器一般是將發(fā)射和接收光纖捆綁組合在一起，端面分布形態(tài)的組合形式不同，影響位移測量范圍和靈敏度。 ? 反射式光纖位移傳感器 第 9章 新型光電傳感器 (3) 應(yīng)用 ? 被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上，光通量發(fā)生變化。 ? 光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。 ? 一般測溫范圍在 100～ 300℃ 。 ? 當(dāng)光源的光強(qiáng)度經(jīng)光纖達(dá)到半導(dǎo)體薄片時(shí)，透過薄片的光強(qiáng)受溫度的調(diào)制。 (2) 非功能型（稱傳光型） NFF（ NonFunction Fibre Optil Sensor） 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 利用半導(dǎo)體材料的 能量隙 隨溫度幾乎成線性變化。 ? 3db耦合器將光信號耦合輸入輸出，換能器利用集成和光電技術(shù)可把所有元件裝入一個(gè)很小裝置內(nèi)與光纖對接耦合。 ? 在被測對象作用下，如 光強(qiáng) 、相位 、 偏振態(tài) 等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測量信息。 ? 光纖的類型較多大致可分為 功能型 和 非功能型 兩大類?！?ω，由頻譜儀分析 △ ω頻率變化，獲得流體速度。△ ω ? 形成的光頻率為測量光 : ωs=ω0177。 ? ? ? ?/ 1 / 1 /sf f c c fcf???? ? ? ?? ? ?光 速 ； 運(yùn) 動(dòng) 速 度 ； 光 源 頻 率第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ⑸ 頻率調(diào)制 ? 測量原理： ? 激光光束頻率 ω0， 由分束送兩路； ? 調(diào)制光 ωR作參考光源送光敏探測器； ? 分束器 2將 ω0的光束經(jīng)光纖射入流體； ? 流體速度 υ，流體中微粒照亮?xí)r產(chǎn)生反射光，反射光通過光纖返回； ? 多普勒效應(yīng)使反射光產(chǎn)生頻移 △ ω 探測器 分束器 1 分束器 2 參考光 ωR=ω0ω1 ω0 ωs =ω0177。 PZT壓電陶瓷環(huán) 光纖 附加電壓 第 9章 新型光電傳感器 光纖干涉儀 傳感器原理及應(yīng)用 ⑸ 頻率調(diào)制 ? 當(dāng)光敏器件與光源之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，光敏器件接收到的光頻率 fs與光源頻率 f 不同，這種現(xiàn)象稱光的“ 多普勒效應(yīng) ”； 第 9章 新型光電傳感器 波源不動(dòng) ,觀察者相對介質(zhì)以 運(yùn)動(dòng)，聲音的頻率不同。 ? 相位調(diào)制器是將光纖繞在圓柱型 PZT （壓電陶瓷）上或鍍有PVF2材料。 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟? U3 U1 U2 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ⑷ 相位調(diào)制 ? 濾波器濾掉環(huán)境干擾信號，通過有關(guān)信號頻段。 π/2 π 3π/2 相對光強(qiáng) 相差 相位干涉儀輸出波形 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟? 第 9章 新型光電傳感器 ? 相位調(diào)制光纖傳感器的信號檢測有多種： 傳感器原理及應(yīng)用 ⑷ 相位調(diào)制 ? 由于 3db耦合器的作用，兩個(gè)光電探測器輸出為： ? ?? ?? ?? ?? ?1 0 02 0 03 0 01 c o s1 c o s2 c o sU U s tU U s tU K U s t??????? ? ?????? ? ??????? ????經(jīng)差動(dòng)放大輸出? ?? ?03/20UKststU???????00 正比于光源功率； 信號與參考光混合效率； 系統(tǒng)相位差； 放 大倍數(shù)； 被測信號相位變化；若系統(tǒng)相差 ，系統(tǒng)處于嚴(yán)格平衡狀態(tài)。 ⑷ 相位調(diào)制 光纖分路器 ? 在光源和檢測器之間，干涉儀只含光纖元件，換能器把被測量轉(zhuǎn)換成光束的相位變化。 馬赫 ——澤德干涉儀原理 第 9章 新型光電傳感器 ? 常見的 馬赫 ——澤德 （ MachZehnde)干涉儀原理 傳感器原理及應(yīng)用 ? 雖然空氣光路系統(tǒng)有大的動(dòng)態(tài)范圍，但實(shí)現(xiàn)非常困難，通常只能限制在實(shí)驗(yàn)室工作條件。 ? 當(dāng)移動(dòng)鏡面位移時(shí) 合成光的干涉強(qiáng)度 發(fā)生變化。 ? 借助干涉儀將 相位變化 轉(zhuǎn)換為 光強(qiáng)的變化 。 ，利用這種原理可制成光纖電流傳感器。 第 9章 新型光電傳感器 θ 傳感器原理及應(yīng)用 ? 法拉第磁光效應(yīng) ? 如稀土玻璃的常數(shù) K= ～ （ ）； 1T(特斯拉） = 104 GS ? 處于 ，長 10cm的稀土玻璃棒，可使偏振光的光矢量偏轉(zhuǎn) 22176。 ⑵ 光的強(qiáng)度調(diào)制 X 入射 光 源 S 出射 透鏡 接 收 D 被測物體 液 面 測 量 ? 折射率調(diào)制（略） 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 法拉第磁光效應(yīng) (又稱磁致旋光效應(yīng) ) ? 當(dāng) 線偏振光 通過處于磁場下的透明介質(zhì)時(shí)， 光線的偏振面（矢量振動(dòng)方向）將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度 θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B以及介質(zhì)的長度 L成正比： ? θ=KBL K為物質(zhì)常數(shù)。 特征包括： ? 被測物體與光纖端面的 距離 ； ? 被測物體表面的 光潔度 （反射率）； ? 相對 傾角 。 靜光柵 動(dòng) %相對強(qiáng)度 X相對位移 5 光柵調(diào)制實(shí)現(xiàn)壓力測量 第 9章 新型光電傳感器 μm 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ⑵ 光的強(qiáng)度調(diào)制 傳感器原理及應(yīng)用 ? 反射式 強(qiáng)度調(diào)制 ? 由多根光纖束組成入射、接收光纖，被測物體將光束反射回光纖，經(jīng)反向傳輸后由光敏器件接收。 ⑵ 光的強(qiáng)度調(diào)制 入射 光源 S 出射 透鏡 接收 D 彈性薄膜 P 光調(diào)制實(shí)現(xiàn)氣壓測量 第 9章 新型光電傳感器 透鏡 傳感器原理及應(yīng)用 ⑵ 光的強(qiáng)度調(diào)制 ? 透射式 光柵調(diào)制 ? 一個(gè)固定、一個(gè)移動(dòng)，當(dāng)光柵作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過光柵間的光強(qiáng)會發(fā)生變化。 光 探 測 器 傳感器原理及應(yīng)用 ? 透射式 開關(guān)調(diào)制 ? 入射、接收光纖固定不動(dòng)，當(dāng)光纖端面有物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，出射光纖的光強(qiáng)變化。 ? 接收光強(qiáng)與兩圓的 交疊面積 有關(guān)。 ? 根據(jù)傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為： 透射 、 反射 、 折射 。 ? 目前光電器件只能測量光的 強(qiáng)度 和 顏色 ，其他物理量是 通過這兩個(gè)量間接測量的。 ? 光纖傳感器 通過光調(diào)制器技術(shù)，使光的某些特性受被測量的作用，如 光強(qiáng) 、 偏振方向 、 顏色 、 波長 等等。 ? 光纖的接頭有光信號放大裝置。? 在一根率減率為 10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸 1Km后，光強(qiáng)下降到入射時(shí)的 1/10。有特殊要求的稱特殊光纖。 ? 單模光纖 性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。 ? 模式值 V小，就是 α值?。?纖芯直徑小 μm） 傳播的模式越少。 ? 模式值越大，允許傳播的模式值越多。但 NA越大光信號畸變越大，要適當(dāng)。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。???反射定律 全反射的應(yīng)用 雙筒望遠(yuǎn)鏡 照相機(jī) (2) 光纖的傳光原理 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 光密介質(zhì)（ n1） 光疏介質(zhì)（ n2） ? 全反射條件 入射角 θ ≤ θc（臨界入射角 ） ? 由斯乃爾（ Snell）折射定律可導(dǎo)出，當(dāng)端面外介質(zhì)折射率為 N0時(shí)，光射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為 221201a r c s in ( )c NNN? ??(2) 光纖的傳光原理 傳感器原理及應(yīng)用 由于空氣中折射率近似為 0 1N ?2212a r c s in ( )c NN? ??? 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（ N N2）決定的，與光纖的幾何尺寸 (直徑 )無關(guān)。?39。 第 9章 新型光電傳感器 (2) 光纖的傳光原理 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 12s i n s i n 39。光線全部被反射時(shí)的入射角 θc稱 臨界角 。 光纖結(jié)構(gòu)和傳輸原理 第 9章 新型光電傳感器 (1) 光纖結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng)用 ? 光纖的傳播基于光的 全反射 原理。 ? 光導(dǎo)纖維的 導(dǎo)光能力 取決于纖芯和包層的性質(zhì)， ? 纖芯 折射率 N1略大于 包層折射率 N2（ N1＞ N2）。光纖傳感器是 20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)。 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 ? 光導(dǎo)纖維 ——簡稱 光纖 ? 光纖最早用于通訊，高錕的發(fā)明使通信高速公路得到迅猛的發(fā)展。 ? 現(xiàn)在的光纖每公里衰減被控制在 5%。 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 ? 2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)家 高錕 以及兩位美國科學(xué)家。 M2A膠囊 CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用 CCD傳感器的應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 ? M2A攝影膠囊（ Mouth anus） 傳感器原理及應(yīng)用 ? 光在玻璃光纖中傳輸會 劇烈衰減 ，經(jīng) 1公里衰減到 1/100億 。 ? CCD被廣泛用于 在線檢測 尺寸 、 位移 、 速度 、 定位 和 自動(dòng)調(diào)焦 等方面。 傳感器原理及應(yīng)用 ? 例如用 CCD識別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用； ? 自動(dòng)流水線裝置 ， 機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī) 。 ? 裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。最小尺寸為 2=，滿足要求 . TCD132D光敏元空間尺寸 （ 14 μm 2） 40μm 傳感器原理及應(yīng)用 CCD傳感器的應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 工件尺寸測量 CCD測試設(shè)備 CCD測試與繪圖設(shè)備 傳感器原理及應(yīng)用 CCD傳感器的應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 雙鏡面直接檢測產(chǎn)品 晶片尺寸測量 傳感器原理及應(yīng)用 ? CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)（電子束掃描）掃描系統(tǒng)； ? 與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓。 ）為 ； ? 根據(jù) CCD測量精度要求 ，最小尺寸 ， 必須要大于兩個(gè) CCD光敏元空間尺寸 。 ? 利用 CCD配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管尺寸進(jìn)行監(jiān)測； ? 實(shí)際尺寸：上壁厚 d下壁厚 d外徑 D ? β 為 成像物鏡的 放大倍率 ； ? t 為 CCD像元尺寸； ? 上壁、下壁、外徑的像元個(gè)數(shù)（即脈沖數(shù)）分別為： n1（上壁）、 n2 （下壁）、 N（外徑） 2d1d D 傳感器原理及應(yīng)用 ? 根據(jù)已