第9章新型传感器 9.1光纤传感器 光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感 器具有灵敏度高,不受电磁波干扰,传输频带宽,绝缘性能好,耐水抗腐蚀性好,体积小,柔 软等优点。目前已研制出多种光纤传感器,可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、 振动、水声、温度、电压、电流;磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 911光纤传感器的基础知识 9.1.1.1光纤传感器的工作原理 图9.1.1是光纤的结构示意图。它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。包层的 外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层,使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头 发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成,其折射率略大于包层的折射率, 般包层直径为几微米到几十微米。 设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为(其典型值是n1=146~1.51,n2=144-1.50),且 n1>n2。当光线从空气(折射率为n)中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为o,则在光 纤内折射成角60的光线B,然后光线B以中(中1=90°-中1)角入射到纤芯与包层的交界面上。 由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2),光线B的一部分光被反射,成为反射光D:另一部分 光折射成为折射光C。这时入射光线与折射光线应满足
第9章 新型传感器 9.1 光纤传感器 光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感 器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔 软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、 振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 9.1.1 光纤传感器的基础知识 9.1.1.1 光纤传感器的工作原理 图9.1.1是光纤的结构示意图。它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。包层的 外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层，使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头 发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成，其折射率略大于包层的折射率， 一般包层直径为几微米到几十微米。 设纤芯的折射率为n1，包层的折射率为 (其典型值是n1＝1.46～1.51，n2 =1.44～1.50)，且 n1> n2。当光线从空气(折射率为n0 )中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为θ0，则在光 纤内折射成角θ0的光线B，然后光线B以φ1 (φ1＝90°-φ1 )角入射到纤芯与包层的交界面上。 由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2 )，光线B的一部分光被反射，成为反射光D；另一部分 光折射成为折射光C。这时入射光线与折射光线应满足
n1sin中1=n2sin中 (9-1-1) 由于n1〉n2,当ψ为某值时,可使ψ2=90°,即折射光沿界面传播,此现象称为全反射。使 中2=90°的中角称为临界角,以中表示。由式(7-1)可知(因sin中2=1),其临界角为 (9-1-2) arcsin 即 n1 例如:n1=1.51,B2=1.48,则中=87.2 若继续加大入射角中1,(即中1≥中2),光不再产生折射,而形成了光的全反射,光线被限制 在纤芯中传播。于是式(9-1-2)为 sin, >22 nI 这就是光纤传光的基本工作原理。 在实际应用中,更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时,能使折射光完全在纤芯中传播, 即如图9.1.1所示中,中0角为何值时方能使中1≥中2。当光线在A点(空气中,其折射率为n1) 入射,则有 1=n1cos(9-1 式中1=90-中1 要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射,应满足式(9-1-3),而Sm=±Vl-cosg
n1sinφ1 = n2sinφ2 (9-1-1) 由于n1> n2，当φ1为某值时，可使φ2＝90°，即折射光沿界面传播，此现象称为全反射。使 φ2＝90°的φ1角称为临界角，以φ0表示。由式(7-1)可知(因sinφ2＝1)，其临界角为 (9-1-2) 即 例如：n1＝1.51，n2=1.48，则φ0＝87.2 若继续加大入射角φ1，(即φ1≥φ2)，光不再产生折射，而形成了光的全反射，光线被限制 在纤芯中传播。于是式(9-1-2)为 (9-1-3) 这就是光纤传光的基本工作原理。 在实际应用中，更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时，能使折射光完全在纤芯中传播， 即如图9.1.1所示中，φ0角为何值时方能使φ1≥φ2。当光线在A点(空气中，其折射率为n1) 入射，则有 (9-1-4) 式中θ1＝90°-φ1。 要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射，应满足式(9-1-3)，而 1 2 1 n n sin = 1 2 0 n n = arcsin 1 2 1 n n sin 0 0 1 1 1 1 n sin = n sin = n cos 1 2 1 sin = 1- cos
cos<,l-(2)2 所以 (9-1-5 将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得 sing.< (9-1-6) 这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值可由式(9-1-6)求出 若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径N这个概念,则 n2-n2=N(9-1-8) N是光纤的一个基本参数,它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值,反映了光纤的 集光能力。可以证明 当N≤1时,集光能力与的平方成正比; 当Na≥1时,集光能力可达最大。 从式(9-1-8)可看出,纤芯与包层的折射率差值越大,数值孔径就越大,光纤的集光能力 越强。以上我们讨论光纤的传光原理时,忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射 于光纤中的光,存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等) 其中一部分光在传播途中就损失了,因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去
所以 (9-1-5) 将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得 (9-1-6) 这就是能产生全反射的最大入射角范围。入射角的最大值可由式(9-1-6)求出 (9-1-7) 若仿照研究透镜那样，引入光纤的数值孔径Na这个概念，则 (9-1-8) Na是光纤的一个基本参数，它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值，反映了光纤的 集光能力。可以证明 当Na ≤1时，集光能力与的平方成正比； 当Na ≥1时，集光能力可达最大。 从式(9-1-8)可看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力 越强。以上我们讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射 于光纤中的光，存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等)， 其中一部分光在传播途中就损失了，因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。 2 1 2 ) n n cos 1-( 2 2 2 1 0 0 n - n n 1 sin 2 2 2 1 0 0 n - n n 1 sin = n - n N n 1 sin 2 2 2 1 0 0 = =
9.1.1.2光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类 在物性型光纤传感器中,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,即是利用被测物 理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而构成 的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。物性型光纤传感 器的光纤本身就是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度,尤其是利用 干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器,具有极高的灵敏度。制造这类传感器 的技术难度大,结构复杂,调整较困难。 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件,只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或 在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反 射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路,所以要使光纤得 到足够大的受光量和传输的光功率。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。结构 型光纤传感器结构简单、可靠,技术上易实现,但灵敏度、测量精度一般低于物性型光 纤传感器。 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的 类型,对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管 激光二极管具有亮度高,易调制,尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对 发射功率影响小等优点。除此之外,还有采用白炽灯等作光源
9.1.1.2 光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类。 在物性型光纤传感器中，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，即是利用被测物 理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而构成 的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。物性型光纤传感 器的光纤本身就是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度，尤其是利用 干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。制造这类传感器 的技术难度大，结构复杂，调整较困难。 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或 在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反 射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路，所以要使光纤得 到足够大的受光量和传输的光功率。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。结构 型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度一般低于物性型光 纤传感器。 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的 类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。 激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对 发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源
9.1.2光纤传感器的应用 9.1.2.1物性型的光纤微弯曲式传感器 光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的,这样可以免除周围环境污染的影响, 适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好,性 能稳定等优点。 9.1.2.2结构型的传输光光纤传感器 在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中,主要依据敏感元件对光强的调制 如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图。该传感器是通过半导体光吸收 片吸收光的能量,对传输光的光强进行调制的一个实例。在图中输入光纤和输出光纤两 端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片,并用不锈钢管加以固定,使半导体 与光纤成为一体。其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件。由半导体物理可知, 在光源给定的情况下,通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小。在该图 中采用了恒流源电路激励光源。该测试系统组成时,须将光纤的一端与光电接收点固化 耦合,光纤的另一端与发光二极管固化耦合。这样构成了一个光纤耦合器。敏感元件的 夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的。系统组成并通过调试后,光源发出的稳 定光通过输入光纤传到半导体敏感元件,透射光强受到所测温度的调制,并由输出光纤 接收,传到光电探测器(如光电二极管),转换成电信号输出,从而达到测温的目的。该 系统的温度测量范围为-_20~300℃,精度约为3℃,响应时间常数约为2s,能在强电场环 境中工作。 利用光纤构成的传感器还有很多,目前真正实用化的光纤传感器尚不多。主要原因 是噪声源、检测方法、封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决
9.1.2 光纤传感器的应用 9.1.2.1 物性型的光纤微弯曲式传感器 光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的，这样可以免除周围环境污染的影响， 适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好，性 能稳定等优点。 9.1.2.2 结构型的传输光光纤传感器 在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中，主要依据敏感元件对光强的调制。 如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图。该传感器是通过半导体光吸收 片吸收光的能量，对传输光的光强进行调制的一个实例。在图中输入光纤和输出光纤两 端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片，并用不锈钢管加以固定，使半导体 与光纤成为一体。其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件。由半导体物理可知， 在光源给定的情况下，通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小。在该图 中采用了恒流源电路激励光源。该测试系统组成时，须将光纤的一端与光电接收点固化 耦合，光纤的另一端与发光二极管固化耦合。这样构成了一个光纤耦合器。敏感元件的 夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的。系统组成并通过调试后，光源发出的稳 定光通过输入光纤传到半导体敏感元件，透射光强受到所测温度的调制，并由输出光纤 接收，传到光电探测器(如光电二极管)，转换成电信号输出，从而达到测温的目的。该 系统的温度测量范围为-20~300℃，精度约为3℃，响应时间常数约为2s，能在强电场环 境中工作。 利用光纤构成的传感器还有很多，目前真正实用化的光纤传感器尚不多。主要原因 是噪声源、检测方法、封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决
中1>中 n1 包层2-纤芯 图9.1.2光纤微弯对传播光的影响 Er R1 VDX C R △气 [0口 △m|R 1—光纤2—支架3-半导体光吸收片4数字面板表 图9.1.3半导体吸收式光纤传感器测温原理图
n1＞ n2 n1 n2 φ1＞ φ2 Φ1＜ φ2 θ0 2 1 图9.1.2 光纤微弯对传播光的影响 1-包层 2-纤芯 C VD3 VD2 VD1 VT R2 R1 R3 +E1 1 3 2 R4 R5 R6 Rf +E2 4 图9.1.3 半导体吸收式光纤传感器测温原理图 1--光纤 2--支架 3--半导体光吸收片 4--数字面板表 - +
9.1.2.3 seNsor-型三维激光扫描传感器 1.概述: nxSensor-I是美国netware公司(www.nextwareinc,com)最新推出的获取三维空间中 不透明物体表面形状的新型传感器,是世界上最为精确的激光图象传感器之一,可广泛 用于三座标测量、逆向工程、产品设计、仿形、修改和模具制造等领域 2.基本工作原理: 该传感器是激光技术、电子成像和数字信号处理等学科的完美结合。是测量物体表 面坐标的同类产品中最为先进的。与其他传统的激光器件或传感器不同, seNsor-I不 需在计算机中插入内置板卡, 而是通过嵌入式的DSP技术和 软件自动处理图象并直接实时 的产生3D坐标。基于USB的即插 即用的特性使得 seNsor-I可 以非常容易的工作在PC和其它 系统中。有了高效、精确、 激光扫描 点资料处理 误差分析 便携的 nx Sensor-I,您将不会 应用各种 再为如何将三维物体输入计算机 AD/CAM软件,如 而烦恼。一切都变得简单! ProE、UG、 Solid Work 借助数控机床、加工中心或 MasterCAM,即可生成 专用机械装置就可以构成能 CNC加工程序。 测量任何大小工件的逆向工程cAD建模 系统。三维激光扫描传感器 工作流程如图9.1.4所示 图914三维激光扫描传感器工作流程
9.1.2.3 nxSensor-I型三维激光扫描传感器 1．概述: nxSensor-I是美国nextWare公司（www.nextwareinc.com）最新推出的获取三维空间中 不透明物体表面形状的新型传感器，是世界上最为精确的激光图象传感器之一，可广泛 用于三座标测量、逆向工程、产品设计、仿形、修改和模具制造等领域 2．基本工作原理： 该传感器是激光技术、电子成像和数字信号处理等学科的完美结合。是测量物体表 面坐标的同类产品中最为先进的。与其他传统的激光器件或传感器不同，nxSensor-I不 需在计算机中插入内置板卡， 而是通过嵌入式的DSP技术和 软件自动处理图象并直接实时 的产生3D坐标。基于USB的即插 即用的特性使得nxSensor-I可 以非常容易的工作在PC和其它 系统中。有了高效、精确、 便携的nxSensor-I,您将不会 再为如何将三维物体输入计算机 而烦恼。一切都变得简单！ 借助数控机床、加工中心或 专用机械装置就可以构成能 测量任何大小工件的逆向工程 系统。三维激光扫描传感器 工作流程如图9.1.4所示： 图9.1.4 三维激光扫描传感器工作流程
3.性能参数: 传感器型号: nx Sensor-I Standoff: 170mm 完整测量范围:-70(z)x60mm(y)( far end)+50(z)x30(y)mm( near end) 最佳范围:-30(z)x45m(y)( far end)+30(z)x35(y)mm( near end) 最大采样点:最大每秒6,400点 分辨率: 5 um 精确度: up to 25um 工作温度 2030C 工作电压:DC+12Vat0.5A 保存温度:1050C 适用操作系统: Windows98/2000/XP 尺寸 138mm(L)X 93mm(W)x 39mm(H) 重量: 0.4kg
3．性能参数： 传感器型号： nxSensor-I Standoff: 170mm 完整测量范围：-70(z) x 60mm(y)(far end) ~ + 50(z) x 30(y)mm (near end) 最佳范围： -30(z) x 45mm(y)(far end) ~ + 30(z) x 35(y)mm (near end) 最大采样点： 最大每秒6，400点 分辨率： 5 um 精确度： up to 25 um 工作温度： 20~30 C 工作电压： DC +12V at 0.5A 保存温度： 10~50 C 适用操作系统：Windows 98/2000/XP 尺寸： 138mm (L) x 93mm (W) x 39mm (H) 重量： 0.4kg
92红外线传感器 红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性,实现自动检测的传感器。在物理学中 我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波,它们之间的差别只是波 长(或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图92.1所示 的波谱图,称之为电磁波谱。 波长104Km10Km1K 1m1cm1mm1μm1nm0.1nm 频率3×1013×1023×1053×1053×103×1013×10413×1073×1083×1021 丁紫 名称 声波 无线电波 红外线见外X射线y射线 光线 图9.21电磁波波谱图 从图中可以看出,红外线属于不可见光波的范畴,它的波长一般在0.76-600μm之间 (称为红外区)。而红外区通常又可分为近红外(0.73~1.5μm)、中红外(1.5-10m)和远 红外(10μm以上),在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。近年来,红外辐射技术已 成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域
9.2 红外线传感器 红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中， 我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波 长(或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图9.2.1所示 的波谱图，称之为电磁波谱。 图9.2.1 电磁波波谱图 从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76—600μm之间 (称为红外区)。而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm)、中红外(1.5一l0μm)和远 红外(10μm以上)，在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。近年来，红外辐射技术已 成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。 名称 声波 无线电波 红外线 可 见 光 紫 外 线 X射线 γ射线 频率 波长 104 Km 10 Km 1 Km 1 m 1cm 1mm 1 μm 1 nm 0.1 nm 3×10-1 3×102 3×105 3×108 3×1010 3×1011 3×1014 3×1017 3×1018 3×1021
9.2.1红外辐射的产生及其性质 红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程 是物体受热而引起的,只有在绝对零度(-273.16℃)时,一切物体的分子才会停止运动。所 以在绝对零度时,没有一种物体会发射红外线。换言之,在一般的常温下,所有的物体都是 红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。 红外线和所有的电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质,但它的特点 是热效应非常大,红外线在真空中传播的速度c=3×10m/s,而在介质中传播时,由于介质 的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律 e 式中,为通过厚度为x的介质后的通量;l为射到介质时的通量;e为自然对数的底;为与 介质性质有关的常数 金属对红外辐射衰减非常大,一般金属材料基本上不能透过红外线;大多数的半导体材料 及一些塑料能透过红外线;液体对红外线的吸收较大,例如厚1(m)的水对红外线的透明度 很小,当厚度达到1cm时,水对红外线几乎完全不透明了;气体对红外辐射也有不同程度的 吸收,例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收,它对波长为 1~5μm,8~14μm之间的红外线是比较透明的,对其他波长的透明度就差了。而介质的不 均匀,晶体材料的不纯洁,有杂质或悬浮小颗粒等,都会引起对红外辐射的散射 实践证明,温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有 选择地接收某一范围的波长,就可以达到测量的目的
9.2.1 红外辐射的产生及其性质 红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程 是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所 以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是 红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。 红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点 是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质 的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律 （9-2-1） 式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与 介质性质有关的常数。 金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料 及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度 很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的 吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为 1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不 均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。 实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有 选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。 Kx I I e − = 0