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1、第9章 新型传感器第9章 新型传感器Date第9章 新型传感器9.1 光纤传感器及其应用19.2 超声波传感器及其应用2Date第9章 新型传感器知识目标： （1）了解光纤传感器和超声波传感器的概念。 （2）掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的 物理性质。 （3）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。教学目标技能目标： （1）能够使用常用仪器检查两种传感器性能，判别 其好坏。 （2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块 电路。 （3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。Date第9章 新型传感器情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良
2、好的交流与团队合作能力。教学重难点教学重点：超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。教学难点： 超声波的物理性质。Date第9章 新型传感器9.1 光纤传感器及其应用光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干 扰、频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量 轻以及耗能少等优点。 Date第9章 新型传感器光的全反射实验 Date第9章 新型传感器各 种 装 饰 性 光 导 纤 维 Date第9章 新型传感器发光二 极管产生多 种颜色的光 线，通过光 导纤维传导 到东方明珠 球体的表面 。在计算机 控制下，可 产生动态图 案。上海东方明珠Date第9章 新型传感器9.1.1 光纤的基本概念（
3、a）光纤的截面图 （b）光纤的外观图 图9-1 光纤的结构 1纤芯； 2包层； 3缓冲层； 4加强层； 5PVC护套1.光纤的结构Date第9章 新型传感器光缆的外形及光 纤的拉制Date第9章 新型传感器光的反射、折射当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的 分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能 量则透过分界面，在另一介质内继续传播。 Date第9章 新型传感器光的全 反射当减小入射角时，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c。当 入射角小于c时，入射光线将发生全反射。Date第9章 新型传感器
4、光在光纤中的全反射Date第9章 新型传感器光纤的类型 阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点 均匀一致，称为多模光纤。 Date第9章 新型传感器梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴 线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的 边沿时，降低到与包层区一样。 Date第9章 新型传感器单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传 输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导 ，能量损失很小，适宜于远距离传输。 Date第9章 新型传感器（a） 传统传感器9.1.2 光纤传感器的结构原理Date第9章 新型传感器（b）光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光
5、 纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作 用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率 、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光 ，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参 数。 Date第9章 新型传感器（a）功能型1）功能型光纤传感器1.根据光纤在传感器中的作用进行分类 分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光 型光纤传感器 9.1.3 光纤传感器的分类Date第9章 新型传感器优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等Date第9章 新型传感器光纤水听器 Date第9章 新型传感器（b）非功能型2）非功能型光纤传感器D
6、ate第9章 新型传感器光纤传感器外形Date第9章 新型传感器3）拾光型光纤传感器（c）拾光型Date第9章 新型传感器光纤温度传感器 Date第9章 新型传感器2.根据光受被测对象的调制形式进行分类 分为： 强度调制型光纤传感器 偏振调制型光纤传感器 频率调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器 Date第9章 新型传感器1）强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变 化而引起敏感元件参数的变化，从而导致光强 度的变化来实现测量的传感器。这种光纤传感 器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的 反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者 光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等
7、 各种强度调制型光纤传感器。 Date第9章 新型传感器2）偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变 化来传递被测信号的传感器。这种传感器可利 用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流 或磁场传感器，它可以避免光源强度的变化对 其产生的影响，因此，灵敏度较高。 Date第9章 新型传感器3）频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射 到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变 化来进行监测的传感器。Date第9章 新型传感器4）相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器是利用被测量对敏感元 件的作用，使敏感元件的折射率或者传播常数 发生变化，从而导致光的相位发
8、生变化，通过 检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化 量，从而得到被测量的信息。 Date第9章 新型传感器1.反射式光纤位移传感器 图9-6 反射式光纤位移传感器的工作原理9.1.4 光纤传感器的应用Date第9章 新型传感器Date第9章 新型传感器Date第9章 新型传感器2.光纤压力传感器图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的原理图 1Y形光纤束； 2壳片； 3膜片Date第9章 新型传感器3.光纤温度传感器图9-8 光纤温度传感器示意图 1感温黑色壳体； 2彩色液晶； 3入射光纤； 4出射光纤Date第9章 新型传感器保护管内 为高温光纤低温光纤光纤温度传感 器 Date第9章 新型
9、传感器4.热双金属式光纤温度开关图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图 1遮光板； 2双金属片Date第9章 新型传感器5.球面光纤液位传感器（a）不接触液体的工况 （b）浸在液体中的工况 图9-10 球面光纤液位传感器的原理图 1入射光纤； 2透明球形端面； 3包层； 4出射光纤Date第9章 新型传感器6.斜端面光纤液位传感器（a）在空气中 （b）在液体中图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图 1、2光纤； 3棱镜Date第9章 新型传感器7.单光纤液位传感器图9-12 单光纤液位传感器的结构 1光纤； 2耦合器Date第9章 新型传感器（a）尖顶磨平的探头 （b）尖顶磨平并粘上
10、突出物的探头 图9-13 改进的光纤液位探头Date第9章 新型传感器9.2 超声波传感器及其应用主要学习超声波的物理特性，着重了解 超声波在检测技术中的一些应用，也涉 及无损探伤的设备及方法。Date第9章 新型传感器9.2.1 超声波的物理性质1.超声波的性质高于20 KHz的声波 具有指向性好、能量 集中、穿透本领大等 特点 Date第9章 新型传感器蝙蝠依靠超声波捕食Date第9章 新型传感器超声波与可闻声波不 同，它可以被聚焦，具有 能量集中的特点。超声波雾化器超声波加湿器Date第9章 新型传感器超声波塑料焊接机压电陶瓷或磁 致伸缩材料在 高电压窄脉冲 作用下，可得 到较大功率的
11、超声波，可以 被聚焦，能用 于集成电路及 塑料的焊接。 Date第9章 新型传感器便携式超声波 探鱼器超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到 两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折 射现象，这一现象类似于光波。Date第9章 新型传感器2.超声波的传播方式超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。Date第9章 新型传感器纵波Date第9章 新型传感器横波 Date第9章 新型传感器表面波Date第9章 新型传感器3.声速和波长 1.声速取决于介质2.波长c = f弹性系数 密度 声阻抗Z： Z=cDate第9章 新型传感器4.超声波的反射与折射 当超声波从一种介质向另一种介质传
12、播 时，如果两者的声阻抗不同，就会在其 分界面上产生反射和透射现象，使一部 分能量返回第一种介质，另一部分能量 穿过分界面进入第二种介质。当两种不 同的介质声阻抗相差较大时，便会产生 超声波反射。 Date第9章 新型传感器9.2.2 超声波传感器的应用双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲 ，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来， 并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发 射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t ，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲 在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就 得到厚度 ： Date第9章 新型传感器手持式超声波测厚仪Date第9章 新型传感器超声波测厚仪石料
13、测厚Date第9章 新型传感器 超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴 木料测厚Date第9章 新型传感器双晶超声波测厚探头Date第9章 新型传感器双晶超声波测厚探头（续）Date第9章 新型传感器超声波清洗机当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压 ，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的 气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一 定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡 被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个 气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百 度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“ 空化作用
14、”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的 冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多 用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。Date第9章 新型传感器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂 、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器气泡波浪清洗物Date第9章 新型传感器3.超声波液位计在液罐上方安装空气传导 型超声发射器和接收器， 根据超声波的往返时间， 就可测得液体的液面。 Date第9章 新型传感器超声波液位计的原理图1液面；2直管；3空气超声探头； 4反射小板；5电子开关 Date第9章 新型传感器喇叭形超声发 生器Date第9章 新型传感器4.超声防
15、盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发 射器发射出频率 f=40 kHz左右的超声波。如果有人 进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回 接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移 f。 Date第9章 新型传感器超声 波多 普勒 测量 车速Date第9章 新型传感器 多普勒效应前进方向的 频率升高如果波源和观察者之间 有相对运动，那么观察 者接收到的频率和波源 的频率就不相同了，这 种现象叫做多普勒效应 。测出f 就可得到运动 速度。Date第9章 新型传感器超声波多普勒测量风速 风风引起超声波的频率 变大或变小Date第9章 新型传感器A型超声波探伤起始波 缺陷反射波 底波工件缺陷5.超声波无损探伤Date第9章 新型传感器钢轨探伤车滑板式探头 Date第9章 新型传感器高速钢轨探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式 探头（也称做轮式探头 ）Date第9章 新型传感器构件的超声探伤（续）Date第9章 新型传感器Date
