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第8章 光纤传感技术基础


第8章

光纤传感技术基础

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8.1

光纤传感技术的理论基础

在光纤传感器中,大多数被测量需要通过某种物理效 应转为光波参数的变化。这些物理效应成为设计光纤传感器 的理论基础。本章仅介绍与光有关的物理效应。 1 8.1 光纤传感技术的理论基础<

br />
2

8.2

传感器的性能指标及标定

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8.1

光纤传感技术的理论基础
4

1 8.1.1 光光效应

2 8.1.2 光电效应

3 8.1.3 电光效应

8.1.4 磁光效应

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8.1.1

光光效应

当光波照射到某些运动或静止的物质后,光波的某些参 数(如波长)会发生改变,这种现象称为光光效应。 1.光的多普勒效应 ? 当光源和光探测器相对运动时,光探测器接收到的光波 的频率与光源发出的光波的频率不同。两者接近时,接 收的光波频率高;两者远离时,接收的光波频率低,这 种现象称为光的多普勒效应。
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8.1.1

光光效应

? 假设有个光源每隔时间 T 发出一个波列,即光源的周期 为 T ,速度为 c 。当它静止时,相邻两个波列的时间 间隔为 T ,距离间隔为

? ? cT

(8.1)

当光源以速度 vs 向着观察者运动时,在每两个相邻的波 列之间的时间里光源移动的距离为 vsT ,如图8.1所示。 于是,下一个波峰到达观察者所需的时间便减少了vsT / c , 则相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间为

Tb ? T ? (vsT / c)< T

(8.2)
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8.1.1

光光效应

? 即这时相对于观察者而言,光波的周期变短了,频率变高了。 根据频率与光色之间的关系可知,光的颜色会向蓝光偏移。 物理学上,把这一现象称为蓝移。这时到达观察者那里的两 个相邻的波列的距离,即波长就变为 ?b ? cT ? vsT ? 即波长变短了。这两个波长的比值为 ?b Tb v ? ?1? s ? T c (8.3)

? 即波长比减少了 vs /c ,把这个相对增加量就称为蓝移量, 它取决于光源的远离速度。由于一般情况下 vs << c , 所以看不到光谱的蓝移现象;仅当与c可以比较时,才有可能 出现较为明显的蓝移现象。
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8.1.1
?

光光效应
?b Tb vs ? ?1? ? T c
(8.3)

? 图8.1 多普勒效应示意图

? 若光源是离开观察者运动的,这时只需将以上公式中 ?v 改为

象。

vs

就可以了。所不同的是,这时将出现光的红移现

s

? 根据光源的移动速度,由式(8.3)可以计算出光在频谱中的 偏移量;反之,根据光在频谱中的偏移量,也可以计算出 光源相对光探测器的移动速度。
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8.1.1

光光效应

? 2. 萨格纳克效应 ? 光学系统以角速度 ? 旋转,旋转半径为 R ,则与旋转方向 同向行进的光线比静止时的行进路程长,而反向行进的光线 比静止时行进的路程短,这种现象称为萨格纳克效应。同向 和反向行进的两束光的时间差 △t 和路程差 △L 分别为
?t ? t1 ? t2 ? L L ? c1 ? R? c2 ? R?

(8.4)

?L ? c1t1 ? c2t2

(8.5)
(8.6)

? 若在真空中,时间差为

2RL ?t ? 2 ? ? c0
? ?t ? 4?LR ?? ?0 c0

相位差为

?? ?

2?c0

?0

(8.7)
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8.1.1

光光效应

? 3.拉曼效应和布里渊效应 ? 光照射到某些物质(气体、液体或者固体)时,该物质

会散射出原来光源所不具有的且与原来光源光谱偏离较
大的光谱,这种现象称为拉曼效应。 ? 光照射到某些物质时,该物质会散射出与入射光谱偏离 较小的光谱,这种现象称为布里渊效应。 ? 物质对光的散射有多种形式,常用的有瑞利散射、拉曼 散射和布里渊散射。
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8.1.1
? (1) 瑞利散射

光光效应

? 散射体线度远小于入射光波时,光子与分子发生了弹性碰 撞,它们之间没有能量的交换,这种散射就是瑞利散射。 ? 瑞利散射的特点是:散射光频率与入射光频率相同,但散 射光的强度与波长的四次方成反比,即入射光波长越短, 散射越强烈,而且散射光在不同方向发生偏振现象。 ? (2) 拉曼散射 ? 在光的散射过程中,若是分子的状态也发生了改变,则入 射光与分子交换能量的结果将导致散射光频发生变化,这 种现象称为拉曼效应。这种效应的散射称为拉曼散射。
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8.1.1

光光效应

? 拉曼效应的特点可以总结为以下两点: ? ① 在每条原入射谱线 ?0 的两侧,均伴有频率差为 ? j 的 若干条谱线。在长波一侧的频率为 (?0 ? ? j ) ,称为红伴线

或斯托克斯线;在短波一侧的频率为 (?0 ? ? j )

,称为紫

伴线或反斯托克斯线,其中 j ? 1, 2,3,? ,这意味着拉曼 光谱可以有一对伴线、二对伴线、…… 不过,紫伴线明显 弱于红伴线。

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8.1.1

光光效应

? ② 频差2 ? j 与入射光频率 ?0无关,它们却与散射物
质的红外吸收频率一致,这表明散射物质的分子本征振
动参与了拉曼散射过程,而与入射光发生了相互作用。

? (3) 布里渊散射
? 物体内声波(或者超声波)对光的散射称为布里渊散射。

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8.1.2

光电效应

? 电子在光的作用下从金属的表面逸出的现象称为光电效应,

逸出来的电子称为光电子,光电子在电场作用下而形成了电
流,这种电流被称为光电流。 ? 1.光电发射效应(外光电效应) ? 由光的量子性可以知道,一束以光速运动的粒子流,这些粒 子称为光子,每一个光子具有一定的能量,即

E ? hv

(8.8)

式中,h 为普朗克常数, h ? 626 ? 10?34 J ? s ; v 为运动光的 频率。
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8.1.2

光电效应

? 不同频率的光子具有不同的能量,光的波长越短,光子的 频率越高,光子的能量也就越大;反之,光子的波长越长, 其光子的能量也就越小。 ? 光照射物体,可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这 些物体,物体中的电子吸收入射光子的能量之后,光子的 能量的一部分用于电子逸出物体表面的逸出功A,另一部分 2 变成逸出电子的动能 1 mv0 。根据能量守恒定律,有 2

1 2 hv ? mv0 ? A0 2
? 式中,m 为电子质量; v 0 为逸出电子的初速度

(8.9)

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8.1.2

光电效应

? 式(8.9)称为爱因斯坦(Einstein)光电效应方程,它描述了 外光电效应的基本规律。它表明: ? (1) 光电子能否产生取决于入射光子的能量是否大于该物体 的逸出功 ?0 。

? 不同物质具有不同的逸出功,即每一种物质都具有一个对应 的光频域值,称为红限频率 ? 0 。当入射光的频率低于红限 频率时,光子的能量不足以使物体内的电子逸出,即使光强 再大,也不会产生光电子;反之,入射光的频率高于红限频 率时,即使光线微弱,也会有光电子发射出来。
? 与红限频率对应的波长 ?0 ? hc / A0 称为红限波长。
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8.1.2

光电效应

? (2) 当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成 正比。即光强越强,意味着入射光子的数目就越多,逸出 的光电子数目也就越多。 ? (3) 光电子逸出物体表面时具有初始动能 E ? 1 mv 2, K 0 2 因此,外光电器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也

会有光电流产生。为了使光电流为零,必须加负的截止电
压,而截止电压与入射光的频率成正比。

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8.1.2

光电效应

? 2.内光电效应
? 当光照射到物体上使物体的电阻率发生变化,或者产生 电动势的现象,称为内光电效应。内光电效应又分为光

电导效应和光生伏特效应两类。
? (1)光电导效应

? 在光线作用下,电子吸收光子能量,从键合状态过渡到
自由状态,从而引起材料电阻率的变化,这种效应称为 光电导效应。
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8.1.2

光电效应

? 光电导效应的机理是: 当光照射到光电导体上时,若这种光电导体为本征半导体 材料,且光辐射能量又足够强,则光电导材料价带上的电 子将被激发到导带上去,从而使导带的电子减少而价带的 空穴增加,致使光电导体的电导率增大。光强越强,阻值 越低。为了实现能级的跃迁,入射光子的能量

h? 必须大

于光导材料的禁带宽度 E ,由此入射光能导出光电导效 g 应的临界波长 ?0 为

?0 ? hc / Eg

(8.10)
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8.1.2

光电效应

? (2) 光生伏特效应
? 半导体受到光的照射产生电势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特效应有以下三种形式: 1 2 3

殿巴效应 (也叫做侧 向光效应)

PN结光生伏特 效应(也称为 结光电效应或 者势垒效应)

贝克勒效应

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8.1.3

电光效应

? 物质的光学特性受到电场的影响而发生变化的现象称为电 光效应。光电效应有线性和非线性两种。 ? 1.鲍格鲁斯效应(线性光电效应) ? 某些单轴晶体(如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵)在外加电场 作用下转变为双轴晶体,这类感生双折射现象最早由鲍格 鲁斯(Pockels)于1893年开始研究,因此称为鲍格鲁斯效应。 ? 鲍格鲁斯效应是一种线性电光效应,它一般有两种:一种 是外加电场平行于光的传播方向,称为纵向鲍格鲁斯效应; 另一种是外加电场垂直于光的传播方向,称为横向鲍格鲁 斯效应。其示意图如图8.2所示。
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8.1.3

电光效应

图8.2

鲍格鲁斯效应的示意图

? 图8.2中,P1 和P2 是两块透振方向互相垂直的偏振片,中间 放一块磷酸二氢钾(KDP)晶体,由于光束要通过电极,所以 电极通常用透明的金属氧化物镀层、网栅或环制成。晶体本 身不加电场时通常是单轴晶体,并且其光轴沿光束的传播方 向。不加电场时,光沿光轴方向传播,不产生双折射。
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8.1.3

电光效应

? 沿光轴方向加电场后,由晶体光学理论可知,在垂直于电 场方向的平面上,存在着两个互相垂直的主振动方向。 ? 当一束线偏振光垂直入射到上述装臵的晶体中时,若光振 动方向与晶体主轴方向成夹角,那么,这束偏振光将可以 分解为两个振幅相等、互相垂直的线偏振光。 ? 它们在晶体内传播方向虽然相同,但传播速度并不一样, 所以从厚度为的晶体出射后,这两束线偏振光将有一个固 定的相位差:

?? ?
? 式中,? 率差。

2?

?

? nmax ? nmin ? L

(8.11)

是光在真空中的波长; nmax ? nmin 称为感生折射
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8.1.3

电光效应
1 3 nmax ? no ? n0 ? E 2

? 根据晶体光学理论,它们分别满足下面的公式: (8.12) (8.13)

nmin

1 3 ? no ? n0 ? E 2

? 式中,no 是 o 光在 KDP 中的折射率;E 是外加电场强 度; ? 是电光系数,是一个与晶体的取向有关的量。将 式(8.12)与式(8.13)代入式(8.11)得

?? ?

2?

?

3 n0? LE

(8.14)
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8.1.3

电光效应

? 式(8.14)说明,两垂直等幅的线偏振光通过一定厚度的 KDP晶体,所产生的相位差和电场强度成正比。考虑到 电场与电压的关系,即,可得相位差与电压的关系式为

?? ?

2?

?

3 n0? U

(8.15)

? 式(8.15)说明,KDP晶体是一个在电场作用下的特殊波
片,这种波片不是通过改变它的厚度来控制相位的变化, 而是通过施加不同的外加电场,即改变外加电压来控制 相位的变化。
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8.1.3

电光效应

? 由此可见,原来一束光强不变的线偏振光,通过这样的 一个装臵以后,就可以调节加在晶体上的电势差以调制 光强的变化。 ? 在通光孔径相等的情况下,加于晶体上的电势差要比相
1/10 应的克尔盒低
1/ 5 ~

,并且从接通电源到建立电光 ,故可以获得的

效应所需的时间也很短,一般小于 ?9 s 10 调制频率,

? 因而,近年来鲍格鲁斯盒往往可以用做高速开关。
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8.1.3

电光效应

? 2.电光克尔效应
? 在电场作用下,某些各向同性的透明介质变为各向异性,
从而使光产生双折射,这种现象称为电光效应。由于它是 由克尔(J. Kerr)在1875年发现的,所以也称为电光克尔 效应。

图8.3

克尔电光效应实验图 www.ysu.edu.cn

8.1.3

电光效应

? 如图8.3所示的实验装臵,把某种液体(如硝基苯)放在 装有平行板电容器的玻璃盒内,再把玻璃盒放在正交的尼 科尔棱镜 N1 和 N2 之间,在电容器没有充电以前,光不能

通过,加电场以后,电容器两极板之间的液体获得单轴晶
体的性质,其光轴沿电场方向。 ? 实验指出,折射率的差值正比于电场强度的平方,即

no ? ne ? kE 2

(8.16)
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8.1.3
差为

电光效应

? 在通过厚度为的液体以后,o 光和 e 光之间所产生的相位

?? ?

2?

?

d0 ? no ? ne ? ?

2?

?

d0 kE 2

(8.17)

? 式中,k 称为克尔常量,它只和液体的种类有关(在这 里假设电场是匀强的,并且光线传播的方向和电场方向 垂直),装有平板电极并盛有特定液体的玻璃盒称为克 尔盒。
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8.1.3

电光效应

? 如果平板间的距离为 d ,电势差为 U ,由于 E ? U / d , 则 2? U2 ?? ? kd 0 2 (8.18) ? d 式中, ? , d 0 , d 的单位为 m ; U 的单位为 V 。 ? 3.古亭-鲍鲁效应和底歇效应 ? 某些固态晶体在光线照射下的受激时间内可以发出荧光, 此时再加入电场时,在电场作用下,有的荧光会得到加

强,称为古亭-鲍鲁效应,而有的荧光会减弱,称为底歇
效应。
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8.1.4

磁光效应

? 臵于磁场中的物体,受到磁场的影响后其光学性质发生

变化的现象,称为磁光效应。
? 1.法拉第效应 ? 平面偏振光(直线偏振光)通过带磁性的物体时,其偏 振光的振动面将发生偏转,这种现象称为法拉第效应。

? 在某些晶体中(如水晶),单色线性偏振光沿光轴方向
通过晶体以后,其光振动面而会转动,这就是晶体中的 旋光现象。
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8.1.4

磁光效应

? 在有些非晶体中也有旋光现象。晶体中的旋光现象有如下 性质: ? (1) 对于一定波长的光,振动面旋转的角度 ? 与晶片厚度 d 成正比,即 ? ? ? d ? (2) 有些物质的旋光性质有左旋之分。旋光率分别用 和

??

表示。对同一物质其左、右值相同(

??

=

? ? )。

??

? (3) 当光的传播方向改变时,物质的左旋或右旋的性质不 变,因此,如果通过晶体的偏振光从镜面上反射后再通过

同一晶体,则振动面就恢复到原来的方向。
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8.1.4

磁光效应
?
是光传播方向与

? (4) 对各面异性的晶体,其旋光率 晶体光轴夹角的函数。 ? 2.磁光克尔效应

? 当照射到强电磁铁板面上的直线偏振光反射时,其偏振 面的偏转角会随磁场强度的变化而变化,这种现象称为 磁光克尔效应。

? 3.科顿-蒙顿效应
? 当光线照射硝基苯等芳香族化合物时,若在与入射光相 垂直的方向上加外磁场,化合物便可呈现双折射特性, 这种现象称为科顿-蒙顿效应。
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8.2

传感器的性能指标及标定

? 光纤传感器是近年来的新型传感器,目前我国还没有 对此类传感器制定产品标准。本章介绍传统传感器的 性能指标的定义及传感器的标定方法。 8.2.1

?

传感器的性能指标

8.2.2

?

传感器的标定

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8.2.1 传感器的性能指标
? 由于传感器的类型较多,使用要求差别较大,要列出可
用来全面衡量传感器质量优劣的统一指标极其困难。

? 迄今为止,国内外还是采用一些基本参数和比较重要的
环境参数指标的方法来作为检测、使用和评价传感器的 依据。 ? 表8.1列出了传感器的一些常用性能指标,供读者参考。

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8.2.2

传感器的标定

? 通常,在明确输入-输出变换对应关系的前提下,利用某

种或标准的标准器具对传感器进行标度称为标定;
? 将传感器在使用中或存储后进行的性能复测称为校准。 ? 标定的基本方法:利用标准设备产生已知的非电量(如 标准力、压力、位移等)作为输入量,输入待标定的传

感器,然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较,
获得一系列校准数据或曲线。

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8.2.2

传感器的标定

? 传感器的标定系统一般由以下几部分组成:

? (1) 被测非电量的标准发生器,如活塞式压力计、测力机、 恒温源等。
? (2) 被测非电量的标准测试系统,如标准压力传感器、标 准力传感器、标准温度计等。 ? (3) 待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等。 所配接的仪器作为标准测试设备使用,其精度是已知的。 ? 例如,力值传递系统如图8.4所示。
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8.2.2

传感器的标定

图8.4

力值传递系统
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8.2.2

传感器的标定

? 1.传感器的静态标定
? 静态标定主要用于检验、测试传感器(或传感系统)的静 态特性指标,如静态灵敏度、非线性、滞后、重复性等。 ? 进行静态标定首先要建立静态标定系统。图8.5所示为应 变式测力传感器静态标定系统。

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8.2.2

传感器的标定

图8.5

应变式测力传感器静态标定系统

? 图8.5中,测力机产生标准力,高精度稳压电源经精密电阻 箱衰减后向传感器提供稳定的供桥电压,其值由数字电压 表读取,传感器的输出电压由另一块数字电压表指示。
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8.2.2

传感器的标定

? 图8.6是由液压缸产生测力并由测力机或标准力传感器读

取力值的标定装臵。测力计读取力值的方式可以用百分
表读数、光学显微镜读数与激光干涉仪读数等。

图8.6

测力标定装臵
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8.2.2

传感器的标定

? 2.传感器的动态标定 ? 动态标定主要用于检验、测试传感器(或传感系统)的动 态特性,如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。

? 对传感器进行动态标定,需要对它输入已标准激励信号。
? 常用的标准激励信号分为两类:

? 一类是周期函数,如正弦波、三角波等,以正弦波最为常 用;二是瞬变函数,如阶跃波、半正弦波等,以阶跃波最 为常用。
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8.2.2

传感器的标定

? 图8.7中,振动的振幅由读数显微镜读取,振动频率由频率 计指示。若测得传感器的输出电量,即可以通过计算得到位 移传感器、速度传感器、加速度传感器的动态灵敏度。若改 变振动频率,并设法保持振幅、速度或加速度不变,则可以 相应地获得上述各种传感器的频率响应。

图8.7

振幅测量法标定系统框图 www.ysu.edu.cn

8.2.2

传感器的标定

? 利用激光干涉法测量振幅,将获得更高的标定精度。

? 上述振幅测量法称为绝对标定法,精度较高,但所需设 备复杂,标定不方便。
? 工程上通常采用比较法进行标定,俗称背靠背法。图8.8 给出了比较法的原理框图。

图8.8

比较法的原理框图 www.ysu.edu.cn

8.2.2

传感器的标定

? 图8.8中,灵敏度已知的标准传感器1 与待标传感器2 背靠

背安装在振动台台面的中心位臵上,同时感受相同的振动
信号。这种方法可以用来标定加速度传感器、速度传感器 或位移传感器。 ? 利用上述标定系统,采用逐点比较法还可以标定待标测振 传感器的频率响应。 ? 随着技术的进步,在上述方法的基础上,已发展成连续扫 描法。
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8.2.2

传感器的标定

? 图8.9示出了一种加速度传感器的连续扫描频响标定系统。

图8.9 一种加速度传感器的连续扫描频响标定系统

? 它由被标传感器回路和标准传感器-振动台回路组成。后者 可以保证电磁振动台产生恒定加速度。图8.9中的拍频振荡 器可以自动扫频,扫描速度与记录仪走纸速度相对应,于是 记录仪即给出被标传感器的频响曲线。
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8.2.2

传感器的标定

? 有些高频传感器,若采用正弦激励法标定,要产生高频激 励信号非常难,因此不得不改用瞬变函数激励信号。

? 压力传感器的激波管法是采用瞬变函数激励信号进行动态
标定的典型例子。 ? 激波管是一种阶跃压力波发生器。它分为高压腔(又称为 压缩腔),中间用薄膜隔开称为二室型。有时为了获得较 高的激波压力,整个激波管被分为高、中、低三个压力段,

称为三室型。
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8.2.2

传感器的标定

? 下面介绍二室型激波管产生阶跃波的原理,以及用其标定

压力传感器的过程:
? 当向高压腔充以高压气体使膜片突然破裂(超压自然破膜 或用撞针击破)时,高压腔的气体突然挤向低压腔,形成 速度很快的冲击波(激波)。传播过程中,波阵面到达处 的气体压力、密度与温度都发生突变;波阵面未到处,气

体不受波的扰动。波阵面过后,波阵面后面的气体温度、
压力都比波阵面前高。由于激波波阵面很薄,气体压力由 波前压力跃升到波后压力只需极短的时间,因此形成了理

想的压力脉冲。
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8.2.2

传感器的标定

? 二室型激波管法标定系统如图8.10所示。

图8.10

二室型激波管法标定系统 www.ysu.edu.cn

8.2.2

传感器的标定

? 二室型激波管标定压力传感器的过程: ? 二室型激波管法标定系统由气源、激波管、测速和被标压力 传感器及记录器四个部分组成。 ? 压缩空气经减压器、控制阀进入激波管高压腔,在一定压力 下破膜后,入射激波经传感器 T1 处,T1 输出信号由放大器、 限幅器加至电子计数器,开始计数;入射 T1 经传感器T2 处,T2 输出信号使计数器停止计数,从而求得激波波速。 触发传感器 T3感受激波信号后,经放大器送入记忆式示波 器的输入端,启动示波器扫描;紧接着被标传感器 T4 被激 励,其输出的信号被示波器记录;通过频谱分析仪获得传感 器的固有频率。
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?8.1 效应研制的? ?8.2 ?8.3



什么是光电效应?哪些光电器件是基于此

瑞利散射和拉曼散射的基本规律 传感器是如何标定的?

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08-第8章 光纤放大器单元
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