第十八讲 光纤传感器
教学课题：光纤传感器和超声波传感器
教学目的：
1、了解光纤传感器的工作原理；
2、了解超声波传感器的工作原理；
3、掌握光纤传感器和超声波传感器的应用。
教学重点：光纤传感器和超声波传感器的电路
教学难点：光纤传感器和超声波传感器的电路
教学时间：2课时
教学过程及内容：
以石化企业为例，辽化是一所大型国有石化企业，拥有多种类液体储罐300多座。这些储罐中已有的液位仪均已老化，并且大多是机械、电子测量仪，有些甚至仍在延用人工测量的方法，安全性可靠性都得不到保障。目前所用的检测手段与光纤液位遥测系统仪相比，技术上整整落后两代，若将其全部换成光纤遥感液位仪，仅辽化一个单位就可创300万元左右的产值。军用光纤传感器需求量也相当大，目前主要集中在光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速度传感器和光纤压力传感器，它们应用遍及陆、海、空三军，预计将有80亿人民币的市场需求。
一、光纤及工作原理
定义：光纤是一种传输信号的导光纤维。
结构：中央有个细芯称为芯子，高折射率的玻璃材料制成，直径只有几十微米；芯子外面有包皮，低折射率的玻璃或塑料制成，100-200微米；最外层为保护层。保证入射到光纤内的光波集中在芯子内传输。
工作原理：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。光在界面上经无数次反射，呈锯齿形状路线在芯内向前传播，最后从光纤的另一端传出，这就是光纤的传光原理。
二、光纤传感器
光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件
三、光纤传感器的分类
光纤传感器一般分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。   
四、光纤传感器的应用
光纤位移传感器
                       超声波传感器
一、声波的本质和分类
声波是一种机械波。
1．可闻声波：振动频率在20Hz～20kHz的范围内，可为人耳所感觉。
2．次声波：振动频率在20Hz以下人耳无法感知，但许多动物却能感受到。比如地震发生前的次声波就会引起许多动物的异常反应。
3．超声波：振动频率高于20kHz的机械振动波。
超声波的特点：指向性好，能量集中，穿透本领大，在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。
超声波的传播方式
超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。
三、超声波发生器和接收器原理
超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。
压电晶片除具有正压电效应还具有逆压电效应。
正压电效应：某些物质在外力作用下内部出现极化现象，表面产生符号相反的电荷而形成电场，外去，
逆压电效应：在压电晶片的两个电极面上施加交流电压，压电晶片就产生机械振动，也称电致伸缩效应。
    在电极上施加频率高于20KHZ的交流电压，压电晶片就会产生超声机械振动，从而发出超声波。
                 超声波探头结构示意图
a）单晶直探头  b）双晶直探头  c）斜探头
1－接插件  2－外壳  3－阻尼吸收块  4－引线  5－压电晶体  6－保护膜
7－隔离层  8－延迟块  9－有机玻璃斜楔块  10－试件  11－耦合剂 
超声波传感器的应用
超声波液位计
超声波测距计
超声波探伤
超声波防盗报警器
湖北三峡职业技术学院机电系               第18讲   光纤传感器               《检测技术与应用》
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