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项目十 光纤传感器的应用
一、教学目标
1.了解光在光纤中的传播方式。
2.了解光纤的分类。
3.掌握光纤传感器的工作原理。
4.掌握光纤传感器测量直线位移的方法。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生能识别光纤传感器，能根据任务要求，正确安装光纤传感器，完成光纤传感器测量直线位移的电路接线，正确测量直线位移并且获取读数的相关知识，通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对认识更完整，更清晰。
四、教学难点
1.能识别光纤传感器。
2.能根据任务要求，正确安装光纤传感器。
3.正确完成光纤传感器测量直线位移的电路接线。
4.正确测量直线位移并且读数正确。
五、教学内容
任务一 光纤传感器在位移检测中的应用
知识链接
一、光纤的基本概念
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中传输光信号的工具。光纤在通信、医疗、传感器、艺术装饰等很多方面有很多应用，如图所示。
光纤的应用
1.光的全反射
如图（a）所示，根据几何光学可知，当光由光密物质射出至光疏物质（即n1>n2）时，一部分光线会以折射角θr折射入光疏介质，其余部分光线以θi反射回光密物质。当折射角大于入射角时：
根据上式可知，如果逐渐增大入射角，则对应的折射角也会进一步增大，当入射角进一步增大时，折射光线只能在两种介质的分界面上传播，如图（b）所示。
光的全反射
此时所对应的入射角我们称为临界角，用θi0表示。
当入射角继续增大，即θi>θi0时，如图（c）所示，入射光线不再发生折射，全部反射回光密介质，此时称为光的全反射。光纤作为传输介质传递光信号时，采用的就是光的全反射原理，这样可以减少损耗。
2.光纤的结构和分类
（1）光纤的结构
光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外由纤芯、包层、涂敷层三部分组成，如图所示。
光纤的结构
纤芯由直径5～75um的石英玻璃组成，光能量主要在纤芯内传输。包层直径为100～200um，折射率略低于纤芯，主要是给光的传输提供反射面和光隔离。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。涂敷层由硅酮或丙烯酸盐材料构成，用于隔离杂光，给光纤提供一定的机械保护。由尼龙或其他有机材料构成的套层主要是起到提高机械强度、保护光纤的作用。
（2）光纤的分类
按纤芯和包层材料性质分类为玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等；按纤芯的折射率分布的不同可以分阶跃型、渐变型和W型三种，如图所示；按照光纤的传输模式可以分成单模光纤和多模光纤。
折射率分布不同的光纤纤芯
纤芯的直径和折射率决定了光纤的传输特性，图表示了三种不同光纤的纤芯和折射率对光线传播的影响。
光纤类型和全反射形式
单模光纤纤芯折射率为n1 保持不变，到包层突然变为n2，纤芯直径只有8~10μm，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,所以称为单模光纤，其信号畸变很小,用在大容量长距离的系统。
阶跃型的纤芯折射率分布和单模光纤相似。这种光纤一般纤芯直径2a=50～80μm，光纤纤芯的折射率各点分布均匀、一致,特点是信号畸变大,只能用于小容量短距离系统。
二、光纤传感器
1.光纤传感器
光纤传感器是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感器。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易被各种光检测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高速发展的现代电子装置和计算机相匹配。
2.光纤的分类
根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型两大类。
（1）功能型（全光纤型）光纤传感器
利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来进行被测量的检测，所以这类传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用单模光纤。
功能性光纤结构示意图
非功能型光纤的结构示意图
（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器
利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅起导光作用，即只当作传播光的媒介，被测对象的调制功能是由其他光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的。
此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
三、光纤传感器的应用
1.反射式光纤位移传感器
反射式光纤位移传感器的结构如图所示，光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光强与反射体表面性质、反射体到光纤探头的距离有关。
反射式光纤位移传感器的结构
当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者距离的增加而减小,具体的传输特性如图所示。
反射式光纤位移传感器的传输特性
2.光纤液体浓度传感器
光纤液体浓度传感器的U型敏感元件如图所示。放入液体中的光纤部分为裸芯，此时液体起到了包层的作用，液体的折射率就是包层折射率。
光纤液体浓度传感器
由于折射率的改变致使光在纤芯中传播的光束模式发生变化，有一部分入射光就不再满足全反射的条件，就会在两种媒质的交界面处发生光的折射现象，致使一部分光能量损失掉。根据光探测器测得光的强度减少的部分即可知液体的浓度。
3.微弯光纤压力传感器
如图（a）所示光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，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，如图（b）所示。锯齿板受到的压力越大，使光纤微弯增大，散射掉的光随之增加，纤芯输出光强度相应减小。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，或检测由压力引起的位移等物理量。
微弯光纤压力传感器
任务二 磁敏电阻在转速检测中的应用
知识链接
一、磁阻效应
1.磁阻效应
磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。当霍尔效应达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加，从外电路看，电阻增大，这种现象称为磁阻效应。
如图（a）LW的纵长方形片,由于自由电子的运动偏向一侧,必然产生霍尔效应，当霍尔电场施加的电场力和磁场对自由电子施加的洛伦兹力平衡时,自由电子的运动轨迹就不再偏移，所以长方形片中段的自由电子运动方向与L平行，只有两端才有所偏移，这样自由电子的运动路径增长并不多，电阻加大也不多。
自由电子的运动轨迹的偏移
上图的横长方形片，自由电子在偏转过程中其自由电子的运动路径增长较多，霍尔电动势降低，所以效果比图（a）明显。实验表明当B=1T时，电阻可增大10。
图（c）所示是现在常用的磁敏电阻结构，即按图（b）的原理把多个横长方形片串联而成，片和片之间的金属导体将霍尔电动势短路掉，使之不能形成电场，于是电子的运动总是偏转的，电阻增加的比较多。
实际上，圆盘形的磁阻最大，故磁敏电阻大多做成圆盘结构，如图所示。
圆盘形磁敏电阻
2.磁敏电阻的基本特性
（1）灵敏度
磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁敏电阻的灵敏度用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场 — 电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁敏电阻的电阻值，RB为施加磁感应强度时磁敏电阻的阻值。
（2）温度特性
半导体磁敏电阻的温度特性不好。电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。
二、磁阻效应的应用
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞鉴别、位置测量等。如图所示磁敏电阻的应用。
磁敏电阻的应用
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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