传感器技术 教学课件作者 陈建元 第四章 光电式传感器2.pptVIP

第四章 光电式传感器 第四章 光电式传感器 因此探测器接收的光波频移为 （式4-58） 式中θ1为散射体运动速度方向与入射光反方向间夹角。θ2为散射体运动速度方向与散射光方向间夹角。 从式4-53、式4-58可以看出，光源或散射体的运动速度与多普勒频移量Δv之间成线性关系，在其它参量已知的情况下，测量出Δv值即可得到光源或散射体运动速度。在实际测量装置中，通常采用图4-42(b）的配置结构，即光源和探测器均固定不动，而散射体就是需要测量其运动速度的物体，在测量流体流速时，散射体即为流体中天然或人为加入的微小颗粒，颗粒的运动速度即为流体流速。 二、光学多普勒频移的测量—光外差方法 光波的频率非常高，但是多普勒效应引起的频移量却通常较小，因此使用光谱仪来测量频移量是非常困难的。让我们作一个数量级估算，对于氦-氖激光，光波频率约为 2×1015Hz，当物体运动速度为 1m/s时，多普勒颇移Δv约为 1.4 X107Hz(设 θ1=θ2=0），将其换算为波长则有Δλ＝10-6nm，这么小的波长差即使用法布里-珀罗干涉仪也很难进行分辨。只有当物体运动速度再提高2个数量级，用FP干涉方法才可实现测量。 在大多数实际测量应用中，是利用了光学外差检测方法来对频移量进行测量的。这一方法源于无线电技术中的外差检波原理，将两束频率不同的光波入射具有平方律响应的光电探测器（如光电倍增管、硅光二极管、雪崩二极管等）中，两光波在探测器中叠加混频，由于光波频率很高，原入射光波以及它们的和频等高频成分的振荡速度太快，超过了探测器的响应时间，探测器输出的只是它们的时间平均值，只有差频成分存在随时间变化的信号输出，这被称为光学外差检测技术。 如果将被物体散射的光波和激光器出射后未发生频移的光波（称为参考光）同时送入平方律探测器，它们的电场振动可以用下式分别表示： （式4-59） 式中φ1、φ2分别为它们的初位相； 为带有多普勒频移光波的圆频率； 为激光器原出射光波圆频率， 合成后的电场振动为 （式4-62） 可以看出，输出信号只包括一个直流成分和一个差频交流成分，由于输入探测器的光波频率为ν0和ν0+Δν，因此交流成分的频率上Δν即是多普勒频移量，通过频谱分析仪即可得到这一数值。 综上所述，激光多普勒测速方法包括用激光作为光源，将被测运动物体散射（或反射）的具有多普勒频移的光波送入探测器进行外差检测，探测器输出的信号通过电子线路处理，最后输出多普勒频移量或直接输出运动物体的速度值。 4．7 光纤传感器 光纤是20世纪后半叶的重要发明之一，它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通讯。由于光纤具有许多新的特性，因此在其他领域也发展了许多新的应用，其中之一就是构成光纤传感器。 光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等独特优点，受到世界各国广泛重视。现已证明，光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值等对多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。 本章首先介绍光纤传感器的基本原理，然后列举几种典型的光纤传感器，力求使读者能掌握光纤传感器基本原理及其运用，并为读者从事设计和评价光纤传感器打下基础。 4．7．1 光纤传感器基础 一、光纤波导原理 光纤波导简称光纤，它是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。如图4-43所示，它由折射率nl较大（光密介质）的纤芯，和折射率n2较小（光疏介质）的包层构成的双层同心圆柱结构。 图4-44 光纤的基本结构与波导 图4-45 光在两介质面上的折射和反射 根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质 2（即nl＞n2）时（见图4-44），则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。 依据光折射和反射的斯涅尔（Snell）定律，有 （式4-63） 当θ1角逐渐增大，直至θ1＝θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播（θ2＝90°）。对应于θ2＝90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式4-63则有 （式4-64） 由图4-43和图4-44可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质（纤芯）内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤波导的工作基础。 同理，由图4-43和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质（空气n0＝0）射入纤芯时实现全反射的临界角（始端最大入射角θc