变频器应用技术课件

2011年3月3日 湖州职业技术学院
传感器与检测技术（第二版） 传感器与检测技术（第二版） 湖州职业技术学院机电分院
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 光导纤维传感器 简称光纤传感器)是七十年代迅 简称光纤传感器 速发展起来的一种新型传感器。 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， 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 耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。 已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、 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、 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 电流；磁场、核辐射等方面的测量。 十分广阔。 十分广阔。
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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， 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， 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、 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。 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
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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。
n2 n1 θ0 A 3
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n 0 sinθ 0 = n 1sinθ 1 = n 1cosφ1
式中θ 式中 1＝90°-φ1 °
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(9-1-4)
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纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大， 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。 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 忽略了光在传播过程中的各项损耗。 于光纤中的光， 存在有损耗 如费涅耳反射损耗 、 光 如费涅耳反射损耗、 于光纤中的光 ， 存在有损耗(如费涅耳反射损耗 吸收损耗、 全反射损耗、弯曲损耗等)， 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， 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。 将入射光的能量传播出去。
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+E1
R2 R1 VD2 3 VT
1
+E2
C VD3 2
Rf
+
R6பைடு நூலகம்
4
R4 VD1 R3
R5
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
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n1sinφ1 = n2sinφ2
(9(9-1-1)
为某值时， 90° 由于n1> n2，当φ1为某值时，可使φ2＝90°，即折射 90° 光沿界面传播， 此现象称为全反射。 光沿界面传播 ， 此现象称为全反射 。 使 φ2＝90° 的
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nxSensor9.1.2.3 nxSensor-I型三维激光扫描传感器
1.工作原理 1.工作原理 如下图所示，该传感器是激光技术、 如下图所示，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。 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 标的同类产品中最为先进的。 或传感器不同，nxSensor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 板卡，而是通过嵌入式的DSP技术和软件自动处理图象 DSP 并直接实时的产生3 坐标。基于USB的即插即用的特性 并直接实时的产生3D坐标。基于USB的即插即用的特性 USB 使得nxSensor-I可以非常容易的工作在PC和其它系统 使得nxSensor- 可以非常容易的工作在PC和其它系统 nxSensor PC 中。
在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中， 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。 主要依据敏感元件对光强的调制 。 该传感器是通过半 导体光吸收片吸收光的能量， 导体光吸收片吸收光的能量 ， 对传输光的光强进行调 如下图所示。 制，如下图所示。
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φ1 角称为临界角 ， 以 φ0 表示 。 由式 ( 7 - 1 ) 可知 ( 因 角称为临界角， 表示。 由式( 可知( sinφ2＝1)，其临界角为
n2 φ 0 = arcsin 即 n1 例如： 51， 48， 87. 例如：n1＝1.51，n2=1.48，则φ0＝87.2
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三维激光扫描传感器工作流程
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2．性能参数： 性能参数： 传感器型号： nxSensor传感器型号： nxSensor-I 行程: 行程: 170mm
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5 um up to 25 um 20~30 C
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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， 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、 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， 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 波长 或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照 或频率 的不同而已。 波长(或频率 排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。 波长 或频率)排成如下图所示的波谱图 称之为电磁波谱。 或频率 排成如下图所示的波谱图，
这就是光纤传光的基本工作原理。 这就是光纤传光的基本工作原理。
n2 sinφ1 > n1
(9-1-3)
在实际应用中，更关心的是光线以多大角度入射光纤端面 在实际应用中， 所示中， 时，能使折射光完全在纤芯中传播，即如图9.1.1所示中， 能使折射光完全在纤芯中传播，即如图 所示中 φ0角为何值时方能使 角为何值时方能使φ1≥φ2。当光线在 点(空气中，其折 空气中， 角为何值时方能使 。当光线在A点 空气中 射率为n1)入射， 射率为 入射，则有 入射
φ3
C
B
φ1 θ1
φ2
D
2
1
1-纤芯 2-包层 3-外护套
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设纤芯的折射率为n1， 设纤芯的折射率为 ，包层的折射率为 (其典型 其典型 值是n1＝1.46～1.51，n2 =1.44～1.50)，且n1> n2。 值是 ＝ ～ ， ～ ， 。 当光线从空气(折射率为 中射入光纤的一个端面 当光线从空气 折射率为n0)中射入光纤的一个端面， 折射率为 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 的 并与其轴线的夹角为 ，则在光纤内折射成角θ0的 光线B，然后光线 以 光线 ，然后光线B以φ1 (φ1＝90°-φ1)角入射到纤芯 ＝ ° 角入射到纤芯 与包层的交界面上。 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 的一部分光被反射，成为反射光 ； 即 的一部分光被反射， ，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。 另一部分光折射成为折射光 。这时入射光线与折射 光线应满足 ：
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结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件， 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。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。 传光元件。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， 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。 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。 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， 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。 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， 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。 小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。