新型传感器及其在汽车上的应用n.ppt

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1、新型传感器及其在汽车上的应用n2021/9/201第十二章新型传感器2021/9/202新型传感器是利用新效应、新材料及新的加工工艺制造的传感器。2021/9/203三图像传感器二智能传感器一光纤传感器本节主要内容五气体浓度传感器四超声波传感器2021/9/204§12.1光纤传感器光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。2021/9/205特

2、点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、生物医学、环保、食品、化工……测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、图像……2021/9/206一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯包层外套2021/9/2072.光纤的分类1）按折射率分布折射率变化规律分类阶跃型梯度型采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦

3、光纤。阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。2021/9/2082）按传输模式光纤传输模式是指光波传播的

4、途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。2021/9/209一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大

5、（50~100μm），传输模式较多称为多模光纤，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。2021/9/20103.光纤的导光原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。2021/9/2011斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（折射率大）入射

6、至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2时，2＞1。(a)光的折射示意图可见，入射角1增大时，折射角2也随之增大，且始终2＞1。n1、n2、2、1之间的数学关系为n1sin1=n2sin2n1n2122021/9/2012当2=90º时，1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态（1→10）。这时有n1n2(b)临界状态示意图2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2＝sin90º＝1临界角n

7、1n2(c)光全反射示意图12当1＞i0并继续增大时，2＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。2021/9/2013n1n2n0阶跃型光纤传光示意图011？习题：若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？2021/9/20144.光纤特性1）数值孔径数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数。2）损耗：光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数入射端光功率出射端光功率2021/9/201

8、5吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料损耗。散射损耗，是由于材料密度及浓度不均匀引起的。光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。2021/9/20