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1、传感器原理与应用第九章第1页，本讲稿共10页图图图图9-10 9-10 9-10 9-10 热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关1 1 1 1 遮光板；遮光板；遮光板；遮光板；2 2 2 2 双金属片双金属片双金属片双金属片接收接收接收接收光源光源光源光源1 12 2例例9-2 遮光式光纤温度计遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化
2、。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。直方向产生位移从而使输出光强发生变化。第2页，本讲稿共10页例例例例9-3 9-3 透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器透射型半导体光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的半导体的吸收光谱与材料的EgEg有关，而有关，而有关，而有关，而EgEg却随温度的不同而却随温度的不同而却随温度的不同而却随温度的不同而不同。不同。不同。不同。EgEg与温度与温度与温度与温度t t的关系可表示为：的关系可表示为：的关系可表示为：的关系可表示为：
3、半导体材料的半导体材料的半导体材料的半导体材料的E Eg g随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长长长长 g g随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。随温度的上升而增大。第3页，本讲稿共10页这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，这个性质反映在半导体的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体其透射率曲
4、线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的的的的 g g（t t）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而着温度的升高而减小，即通过检减小，即通过检减小，即通过检减小，即通过检测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度测透射光的强度或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可或透射率，即可检测温度变化。检测温度
5、变化。检测温度变化。检测温度变化。相相相相对对对对发发发发光光光光强强强强度度度度透透透透射射射射率率率率LEDLED发光光谱发光光谱发光光谱发光光谱半导体透射率半导体透射率半导体透射率半导体透射率T T1 1TT2 2TT3 3T T3 3T T1 1T T2 2波长波长波长波长图图图图9-12 9-12 半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理半导体透射测量原理第4页，本讲稿共10页光纤光纤光纤光纤环氧胶环氧胶环氧胶环氧胶半导体半导体半导体半导体反射膜反射膜反射膜反射膜利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头利用
6、半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头利用半导体的吸收特性制作的光纤温度传感器的单端式探头结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返结构如图。光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。则出射光强将随温度的变化而变化。则出射光强将随温度的
7、变化而变化。则出射光强将随温度的变化而变化。第5页，本讲稿共10页例例例例9-4 9-4 膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器光源光源光源光源接收接收接收接收Y Y形光纤束形光纤束形光纤束形光纤束壳体壳体壳体壳体P P弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片Y Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y Y形光形光形光形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光
8、纤纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。第6页，本讲稿共10页光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿没有能
9、量损失。当锯齿没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.例例例例9-5 9-5 微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器D DS SF FF F变形
10、器变形器变形器变形器光纤光纤光纤光纤d d第7页，本讲稿共10页原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角原来光束以大于临界角 C C的角度的角度的角度的角度 1 1在纤芯内传输为全反射；但在纤芯内传输为全反射；但在纤芯内传输为全反射；但在纤芯内传输为全反射；但在微弯处在微弯处在微弯处在微弯处 2 2 1 1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增，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时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加时，光
11、纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加时，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。因此，通过检测纤芯或包加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的检测由压力引起的检测由压力引起的检测由压力引起的位移等物理量。位移等物理量。位移等物理量。位移等物理量。
12、1 1 n n0 0n n2 2n n1 1 2 2 3 3第8页，本讲稿共10页例例例例9-6 9-6 光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器光弹式光纤压力传感器图图图图9-17 9-17 9-17 9-17 光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器1 1 1 1、7 7 7 7 起偏器；起偏器；起偏器；起偏器；2 2 2 2、8 1/48 1/48 1/48 1/4波长板；波长板；波长板；波长板；3 3 3 3、9 9 9 9 光弹性元件；光弹性元件；光弹性元件；光弹性元件；4 4 4 4、10 10 10 10 检偏器
13、；检偏器；检偏器；检偏器；5 5 5 5 光纤；光纤；光纤；光纤；6 6 6 6 自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜线偏振光线偏振光光源光源光源光源1 12 23 34 4P P圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光第9页，本讲稿共10页从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈振方向呈振方向呈振方向呈4545的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而的压力作用于晶体时，使晶体
14、呈双折射从而的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，使出射光成为椭圆偏振光，使出射光成为椭圆偏振光，使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射由检偏器检测出与入射由检偏器检测出与入射由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压上的光强，即可测出压上的光强，即可测出压上的光强，即可测出压力的变化。其中力的变化。其中力的变化。其中力的变化。其中1/41/4波长波长波长波长板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。系统获得最大灵敏度。(b)(b)(b)(b)传感器结构传感器结构传感器结构传感器结构P P5 56 67 78 8 9 91010第10页，本讲稿共10页