傳感器與檢測(cè)技術(shù)第九章2023/4/26第1頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.1光纖傳感器及其應(yīng)用19.2超聲波傳感器及其應(yīng)用2目錄2023/4/26第2頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日知識(shí)目標(biāo)：（1）了解光纖傳感器和超聲波傳感器的概念。

（2）掌握光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及超聲波傳感器的物理性質(zhì)。（3）熟悉兩種新型傳感器在工程上的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠使用常用儀器檢查兩種傳感器性能，判別其好壞。（2）能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作基本檢測(cè)單元模塊電路。（3）能夠?qū)χ谱鞯哪K電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。2023/4/26第3頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。（2）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團(tuán)隊(duì)合作能力。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：超聲波的物理性質(zhì)和光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理。教學(xué)難點(diǎn)：超聲波的物理性質(zhì)。2023/4/26第4頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.1光纖傳感器及其應(yīng)用光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕以及耗能少等優(yōu)點(diǎn)。2023/4/26第5頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

光的全反射實(shí)驗(yàn)

2023/4/26第6頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各種裝飾性光導(dǎo)纖維

2023/4/26第7頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠2023/4/26第8頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.1.1光纖的基本概念（a）光纖的截面圖（b）光纖的外觀圖圖9-1光纖的結(jié)構(gòu)1—纖芯；2—包層；3—緩沖層；4—加強(qiáng)層；5—PVC護(hù)套1.光纖的結(jié)構(gòu)2023/4/26第9頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光纜的外形及光纖的拉制

2023/4/26第10頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光的反射、折射

當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。2023/4/26第11頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

光的全反射

當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。2023/4/26第12頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光在光纖中的全反射

2023/4/26第13頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光纖的類型

階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點(diǎn)均勻一致，稱為多模光纖。2023/4/26第14頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開(kāi)軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時(shí)，降低到與包層區(qū)一樣。2023/4/26第15頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日單孔型光纖

單孔型光纖的纖芯直徑較小（數(shù)微米）接近于被傳輸光波的波長(zhǎng)，光以電磁場(chǎng)“?！钡脑碓诶w芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。2023/4/26第16頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）傳統(tǒng)傳感器9.1.2光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理2023/4/26第17頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（b）光纖傳感器光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。2023/4/26第18頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）功能型

1）功能型光纖傳感器1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用進(jìn)行分類分為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器9.1.3光纖傳感器的分類2023/4/26第19頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等

2023/4/26第20頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光纖水聽(tīng)器2023/4/26第21頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（b）非功能型2）非功能型光纖傳感器2023/4/26第22頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光纖傳感器外形

2023/4/26第23頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3）拾光型光纖傳感器（c）拾光型2023/4/26第24頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光纖溫度傳感器2023/4/26第25頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式進(jìn)行分類分為：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器2023/4/26第26頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)量的變化而引起敏感元件參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致光強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的傳感器。這種光纖傳感器可利用光纖的微彎損耗、振動(dòng)膜或者液晶的反射光強(qiáng)度的變化，以及物質(zhì)的熒光輻射或者光路的遮斷等構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。2023/4/26第27頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2）偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器是一種利用光偏振的變化來(lái)傳遞被測(cè)信號(hào)的傳感器。這種傳感器可利用光在磁場(chǎng)媒介中傳播的法拉第效應(yīng)做成電流或磁場(chǎng)傳感器，它可以避免光源強(qiáng)度的變化對(duì)其產(chǎn)生的影響，因此，靈敏度較高。2023/4/26第28頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3）頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器是一種利用單色光照射到被測(cè)量物體上時(shí)反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。2023/4/26第29頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4）相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器是利用被測(cè)量對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或者傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光的相位發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位的變化量，從而得到被測(cè)量的信息。2023/4/26第30頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.反射式光纖位移傳感器圖9-6反射式光纖位移傳感器的工作原理9.1.4光纖傳感器的應(yīng)用2023/4/26第31頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2023/4/26第32頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2023/4/26第33頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.光纖壓力傳感器圖9-7膜片反射式光纖壓力傳感器的原理圖1—Y形光纖束；2—?dú)て?—膜片2023/4/26第34頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.光纖溫度傳感器圖9-8光纖溫度傳感器示意圖1—感溫黑色殼體；2—彩色液晶；3—入射光纖；4—出射光纖2023/4/26第35頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器

2023/4/26第36頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4.熱雙金屬式光纖溫度開(kāi)關(guān)圖9-9熱雙金屬式光纖溫度開(kāi)關(guān)的原理圖1—遮光板；2—雙金屬片2023/4/26第37頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5.球面光纖液位傳感器（a）不接觸液體的工況（b）浸在液體中的工況圖9-10球面光纖液位傳感器的原理圖1—入射光纖；2—透明球形端面；3—包層；4—出射光纖2023/4/26第38頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日6.斜端面光纖液位傳感器（a）在空氣中（b）在液體中圖9-11反射式斜端面光纖液位傳感器的原理圖1、2—光纖；3—棱鏡2023/4/26第39頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日7.單光纖液位傳感器圖9-12單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)1—光纖；2—耦合器2023/4/26第40頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）尖頂磨平的探頭（b）尖頂磨平并粘上突出物的探頭圖9-13改進(jìn)的光纖液位探頭2023/4/26第41頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.2超聲波傳感器及其應(yīng)用主要學(xué)習(xí)超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測(cè)技術(shù)中的一些應(yīng)用，也涉及無(wú)損探傷的設(shè)備及方法。2023/4/26第42頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.2.1超聲波的物理性質(zhì)1.超聲波的性質(zhì)高于20KHz的聲波具有指向性好、能量集中、穿透本領(lǐng)大等特點(diǎn)2023/4/26第43頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日蝙蝠依靠超聲波捕食2023/4/26第44頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。

超聲波霧化器

超聲波加濕器2023/4/26第45頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

超聲波塑料焊接機(jī)

壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。2023/4/26第46頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日便攜式超聲波探魚(yú)器

超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。2023/4/26第47頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.超聲波的傳播方式超聲波的傳播方式主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。2023/4/26第48頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日縱波2023/4/26第49頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日橫波

2023/4/26第50頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日表面波2023/4/26第51頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.聲速和波長(zhǎng)1.聲速

取決于介質(zhì)2.波長(zhǎng)

c

=

λf彈性系數(shù)密度聲阻抗Z：Z=ρc2023/4/26第52頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4.超聲波的反射與折射當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，如果兩者的聲阻抗不同，就會(huì)在其分界面上產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，使一部分能量返回第一種介質(zhì)，另一部分能量穿過(guò)分界面進(jìn)入第二種介質(zhì)。當(dāng)兩種不同的介質(zhì)聲阻抗相差較大時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生超聲波反射。2023/4/26第53頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.2.2超聲波傳感器的應(yīng)用

雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度：2023/4/26第54頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日手持式超聲波測(cè)厚儀2023/4/26第55頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超聲波測(cè)厚儀石料測(cè)厚2023/4/26第56頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚2023/4/26第57頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雙晶超聲波測(cè)厚探頭2023/4/26第58頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）2023/4/26第59頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超聲波清洗機(jī)當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。2023/4/26第60頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超聲波清洗原理及清洗器

（參考湖南省瀏陽(yáng)市醫(yī)用儀具廠、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物2023/4/26第61頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.超聲波液位計(jì)

在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。2023/4/26第62頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超聲波液位計(jì)的原理圖1—液面；2—直管；3—空氣超聲探頭；4—反射小板；

5—電子開(kāi)關(guān)2023/4/26第63頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

喇叭形超聲發(fā)生器2023/4/26第64頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4.超聲防盜報(bào)警器

圖中的上半部分