1、第 7 章 新型传感器7.1 光纤传感器7.1.1 光导纤维的结构和传光原理一、光导纤维结构与类型1、光纤结构 图 7-1-1外 套包 层纤 芯2、类型二、光纤传光原理1光在纤芯与包层交界面上的传博入射角 反射角 1 1折射角 2 2sinsin所以 临界角121290isin)(sin12c全反射（只有反射没有折射）条件： 2nc12光在光纤端头的传播 1110 cos90sinsi n即 2121 )(con所以 02010ssin光纤数值孔径 021sinnNAc全反射要求 )(i10c3光在光纤内传播1在满足全反射条件下（ 或 ） ，光线就能在纤芯和包层的界面上不断c0c1地产生全反射
2、，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。2弯曲光纤：R弯曲光纤曲率半径 d光纤直径R4d 时，仍满足全反射条件，光纤传输损耗很小R4d 时，不满足全反射条件，光纤传输损耗很大7.1.2 光纤传感器的基本原理和类型一、光纤传感器的基本原理被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。二、光纤传感器的分类功能型光纤用作敏感元件，常用单模光纤非功能型光纤用作传感元件，常用多模光纤三、传输光的调制方式1调制方式种类 光强调制应用最多光相位制无频率制光波长制光
3、偏振制2光强调制方式辐射式光纤位移式 图 71-5 入射光纤不动 出射光纤不动插入式 图 71-6微弯损耗式 图 71-7四、光纤传感器的优点缺点优点 1、灵敏度高2、电绝缘性能好，抗电磁干扰3、耐腐蚀，耐高温4、体积小，重量轻缺点：断线修复需专用工具7.2 CCD 图象传感器7.2.1 CCD 的工作原理CCD 器件由 MOS 光敏元阵列和读出移位寄存器组成。一、MOS 光敏元阵列执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像1、MOS 光敏元结构 图 72-1金属电极上施加正偏压形成“势阱” ，光生电子被势阱俘获形成 “电荷包” ，势阱所俘获的电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。2、光敏元阵列光
4、敏元有规则的排列一个光敏元一个象素光敏元阵列一幅光生电荷图像二、读出移位寄存器执行电荷转移功能1、结构原理 图 72-2特点：硅底复盖遮光层，只传送电荷包，不产生电荷包每三个相邻的电极组成一个耦合单元(亦即传输单元)，三个电极分别由三个相位相差 120的时钟脉冲 , , 来驱动， 1232、电荷传输过程：每经历一个时钟脉冲周期，电荷就向右转移三极即转移一级。7.2.2 CCD 图象传感器的结构一、线列阵1、组成 读 出 移 位 寄 存 器 线 阵转 移 栅光 敏 元 线 阵2、结构 图 7-2-4(a)单排结构(b)双排结构3、工作过程：各光敏元同时曝光，生成“电荷包”各光敏元的电荷包同时并行
5、转移到对应移位寄存器 电极下1移位寄存器串行依次输出各个“电荷包”二、面列阵1、组成 图 7-2-6阵水 平 读 出 移 位 寄 存 器 线存 储 器 面 阵光 敏 元 面 阵2、工作过程： 面曝光各光敏元同时曝光，生成一幅“电荷包”图像 场转移“电荷包”从光敏元面阵并行转移到存储器面阵 行转移“电荷包”逐行从存储器面阵并行转移到水平读出移位寄存器 位移出水平读出移位寄存器逐位串行输出，移出一行，再移下一行。7.3 红外传感器7.3.1、红外线及其特性一、红外线在电磁波谱中的位置 图 7-3-1也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线,故称为红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波
6、长范围大致在 0.75m1000m。二、红外线的特性1、 具有可见光的一切特性，2、 具有光热效应，能辐射热量。3、 红外光在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。7.3.2 红外探测器的类型一、光敏红外探测器1、电真空器件(光电管、光电倍增管 )，2、半导体器件二、热敏红外探测器1、 对比 图 7-3-2热敏探测器的响应速度较低，响应时间较长，但具有宽广的、比较平坦的光谱响应。2、 类型：室温探测器，不需冷却，热敏电阻、热电偶和热电堆，低温探测器，需冷却。7.3.3 热释电红外探测器一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电
7、极化现象、称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。二、热释电红外传感器1、 组成结构及内部电路 图 7-3-32、 应用：探测人体用的红外传感器用于防盗报警、来客告知及非接触开关等供测温使用的热释电红外传感器，其测温范围可达801500。三、热释电红外探测模块及其应用1、 热释电红外探测模块 HN911 图 7-3-42、 应用实例自动门控制原理电路 图 7-3-57.4 超声波与核辐射传感器7.4.1 超声波传感器一、超声波及其性质1、 超声波的定义： 振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。高于 2 Hz 的机械波称为超声410波。2、 超声波与声波的异同：相同点：传播速度也取
8、决于介质的密度和介质的弹性常数在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换不同点：振动频率高而波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播。能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。3、超声波的指向角 图 7-4-2DfC2.1.sin二、超声波传感器。产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。1、组成：由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成2、典型结构：图 7-4-2(a)为直探头，可发射和接收纵波；(b)为斜探头，可发射和接收横波；(c)为双探头 ，一个发射，一个接收；(d)为水浸探头，可浸在液体中。3、工作原理：逆压电效应将高频电振动转换成机械
9、振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。三、超声检测方法1、 透射法用两个探头，分别置于被测对象的相对两侧，一个发射超声波，一个接收超声波。2、 反射法通常采用一个超声波探头，兼做超声波发射和接收用。3、 频率法是利用超声波测量流速时采用的方法，见 10.3 节7.4.2 核辐射传感器。一、核辐射检测的物理基础1、放射性同位素 同位素原子序数相同而原子质量不同的元素。 核衰变原子不是由于外来原因而自发地产生核结构变化。0tae式中 a0,a分别为初始时与经过时间 t 秒后的原子核数衰变常数半衰期 ln2.693放射性同位素具有核衰变性质的同位素2、核辐射 定义放射性同位素在
10、衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为“核辐射” 。 射线种类： 射线由带正电的 粒子组成， 射线由带负电的 粒子所组成， 射线由中性的光子所组成。放射性强度：放射性强度也是随时间按指数衰减，即0tIe式中 I0,I分别为初始时与经过时间 t 秒后的放射性强度。3、 核辐射与物质间的相互作用电离、 粒子在穿过物质时，在其经过的路程上形成许多离子对。吸收 和 射线在穿过物质层后，其能量强度按指数规律衰减，可表示为：0exp()Ih反射 射线在物质中穿行时容易改变运动方向。二、核辐射传感器核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。1、放射源要求：采用的同位素有较长的半衰期及合适
11、的放射强度应使射线从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小。2、探测器(1)电离室 图 7-5-2(2)盖格计数管 图 7-5-3(3)闪烁计数器 图 7-5-43、核辐射的防护在实际工作中要采取各种措施来减小射线的照射强度和照射时间。7.5 半导体集成传感器7.5.1 集成霍尔传感器一、开关型集成霍尔传感器1、 典型电路 图 7-5-1 由霍尔元件、差分放大、施密特触发器、输出级组成2、 迟滞特性 图 7-5-2 BH越小，灵敏度越高。B 越大，抗干扰能力越强。3、 应用：在引脚“3”与“4”之间或“2”与“4”之间接上负载电阻，常态应处“截止状态” ，可以延长使用寿命。二、线性
12、集成霍尔传感器1、 典型电路 图 7-5-1 由霍尔元件、差分放大、输出级组成。2、 应用：在引脚“7”与“4”之间接上负载电阻,在引脚“1”与“6”之间接上 R8，适当选取 R8的阻值，可以改变电路增益。7.5.2 集成湿度、压力、加速度传感器一、集成湿度传感器 IH36051、 组成结构 电容式集成湿度传感器与其调理电路一起制作在陶瓷基片上。2、 输出特性 在 时，输出直流电压 U0与相对湿度 H0成线性关系：Ct250(.62.1)E在 C 时，实际的相对湿度应按下式进行温度补偿计算t0/(1.54.08)Ht二、集成压力传感器 MPX21001、组成结构 集固态压阻式应变电桥、温度补偿
13、、校准和信号调理于同一块芯片上。2、输出特性 输出的直流电压与输入的被测压力成线性正比关系。三、 集成加速度传感器 ADXL501、组成结构 集电容式加速度传感器、振荡器、解调器及放大器、基准电源等于同一块芯片上。3、 输出特性 输出直流电压与加速度成正比。7.5.3 集成温度传感器一、热敏二极管和三极管1、 热敏二极管 在一定温度范围内，PN 结正向电压与温度呈近似线性关系： lnDSkTIUq因绝对温度 T(K)与摄氏温度 t(C)的关系 ，故近似有273.TtCt0摄氏零度时的 PN 结正向电压。0C电压温度系数。通常在 0250温度范围内，C= 2mV/。2、 热敏三极管晶体管的发射结
14、也是 PN 结，晶体管基射电压 也适用上式。但晶体管的发射结beU比二极管有更好的线性和互换性，所以通常将晶体管的基极与集电极短接作为 PN 结温度传感器。3、热敏管测温电路实例 图 7-5-5为了提高灵敏度，可采用多个 PN 结串联，温敏二极管电流或三极管集电极电流应保持恒定，为使输出电压与摄氏温度 t 成正比需设调零电路。二、集成温度传感器1、 电流型集成温度传感器输出电流 I0正比于绝对温度 T，与摄氏温度 t 成线性关系。tCII0式中 为 0C 时的输出电流， 一般为 273.2A。0I电流温度系数 一般为 1AK 或 1A /，I2、 电压型集成温度传感器输出电压 U0正比于绝对温度 T，与摄氏温度 t 成线性关系。tCVV0式中 为 0C 时的输出电压，有的为 0mV, 有的为 500mV。电压温度系数 有的为为 20mV/, 有的为 10mV/。v3、 频率型集成温度传感器输出为脉冲宽度固定（10ms） 、脉冲间隔随温度变化的方波信号。4、 数字型集成温度传感器将温度转换成对应二进制数码串行输出。有模数转换式和脉冲计数式两种。7.6 传感器的发展趋势一、开发新型传感器二、传感器的集成化和多功能化三、传感器的智能化四、研究生物感官，开发仿生传感器
