感测技术--ch2-3

1、2.2 红外光传感器红外光传感器红外辐射红外辐射红外光传感器工作原理与结构红外光传感器工作原理与结构红外光传感器的应用红外光传感器的应用 红外辐射的本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样。 红外光在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气

2、窗口）之内。 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号处理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要

3、介绍热释电型探测器。 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。 热释电效应及其传感器热释电效应：铁电晶体存在自发极化，温度不变下晶体表面极化电荷不变，它吸附空气中的符号相反电荷达到平衡。当晶体吸收红外光而温度生高 时，极化强度减小，释放 一定的吸附电荷，若与一 电阻连接成回路会形成电 流。因温度变化引起自发 极化强度变化而释放吸附 电荷的现象称热释电效应-+R若极化电荷如图所示，确定电阻

4、上的电流方向若铁电晶体的温度不变求电阻上电流大小方向当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，反映入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 ps ：极化强度，单位面积上极化电荷，C/cm2 ； ps /dT：铁电晶体的热释电系数； dT/dt：与红外线强度成正比，所以输出信号 正 比红外线强度；dtdTdTdpSRRdtSpdRdtdqIRUss)(U热释电传感器的结构与工作原理结构：双元型红外线传感器主要有：敏感元件、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等。敏感元

5、件：2个极性相反热释电单元，可以抵抗可见光、大部分红外线干扰，只对运动人体敏感场效应管和高阻抗变换管：用于阻抗变换和信号放大滤光窗：在一块玻璃上镀的多层滤光薄膜，对阳光、电 灯光抗干扰，仅对人体发出的红外线(7-14微米)最敏感 自然界任何高于0K的物体都将产生红外光谱，温度不同对应的红外线波长也不同。人体都有恒定的体温，一般为37度，发出10微米左右的特定波长红外线。菲涅尔透镜：增大热释电传感器的探测距离，是一组透镜，每个只有一个不大的视场，且相邻视场不连续都相隔一个盲区。当人体在具有此透镜的传感器监控范围内移动时，形成一个不断交替变化的盲区和亮区使敏感单元的温度不断变化在热释电红外传感器中

6、有两个关键性的元件，一个是热释电红外敏感单元(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，在探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个元件是菲涅尔透镜，有折射式和反射式，作用有两个：一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这

7、样PIR就能产生变化的电信号。 PIR：Pyroelectric Infrared，热电红外感应开关的主要元件是一片新型热释电红外探测模块HN911L和一只MOS管。HN911L内电路包括高灵敏度红外传感器、放内电路包括高灵敏度红外传感器、放大器、信号处理电路、输出电路等大器、信号处理电路、输出电路等。热释电红外传感器遥测移动人体发出的微热红外线信号，送入HN911L，在输出端得到放大后的电信号。MOS场效应管输入阻抗极高，接在栅源间的电容充电后，电容电压可保持很长时间，在此期间，MOS管导通。利用这一特点，可实现延时功能。本开关电路原理如附图所示。Cl对220V市电降压，VSl、VS2对负半

8、波旁路，对正半波削波稳压，经VDl整流、C2滤波后得到12V直流电压。12V电压除为三极管Vl供电外，经R2降压、VS3稳压、C3滤波后得到6V电压作为ICl电源。当ICl未探测到红外信号时，输出端第脚为高电平。V1无基极偏置而截止，V2亦截止，灯泡EL不亮。有人进入楼道口时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，经ICl处理后，第脚输出低电平，V1导通。12V直流电压经Vl、VD3给电容C4充电，V2迅速饱和导通，灯泡EL点亮。人走过后，ICl的第脚恢复高电平。V1截止。这时，C4放电期间仍维持V2继续导通。随着C2上电压的下降，V2由饱和区进入放大直至截止区，EL亦相应地由亮逐渐变暗直至熄

9、灭。电路中，BPl为ICl的增益调节电阻，RP2为照明延时时间调整电位器。CdS为光敏电阻，白天受光照射，电阻极小，使ICl增益极低，其第脚不输出电平，夜晚CdS阻值很大，ICl恢复工作。CdS可暴露于灯光下，因为V2一旦导通，即使V1立即截止，V2仍可由C4放电来维持工作。 光子探测器光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是

10、灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。 红外光传感器的应用红外光传感器的应用1、 红外测温仪红外测温仪 利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。 常见的红外测温仪方框图。图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐

11、射变换为电信号输出。 透 镜滤 光 片红 外 探 测 器步 进 电 机调 制 盘温 度 传 感 器前 放选 放同 步检 波加 法 器“”调 节线 性 化A / D数 显多 谐振 荡 器放 大目前已有一种带单片机的智能红外测温器， 利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定性、 可靠性和准确性。 2.3 CCD图象传感器图象传感器 光固态图象传感器主要有CCD和MOS。CCD是一中以电荷的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的。 CCD（电荷耦合器件）它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金

12、属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有

13、的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。一、MOS光敏单元光敏

14、单元 CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。 MOS是在P型硅衬底上生长一层S iO2 ，再在 S iO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。P-SiA、势阱的产生、势阱的产生 MOS的金属电极加正压U，电极下的P型硅区域内空穴被排斥而赶走，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。B、电荷的存储、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量

15、与入射到势阱附近的光强成正比。 CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。二、读出移位寄存器二、读出移位寄存器 势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。A、电荷的定向转移、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。 要求： 多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。 金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相、三相CCD电极的结构电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个

16、相位差120时钟脉冲驱动。12314 72 5836 9驱动（， ， ）驱动（ ， ， ） （驱动 ， ， ）11 231001t 时刻，为（）， 组电极下形成深势阱，势阱中存储电荷形成电荷包。23121212tt时刻至 时刻， 电压线性减小，为高电平，组电极下的势阱变浅，组电极下形成深势阱，电荷从 组电极下逐渐转移到 组电极下。向右移，直至输出。、依此类推，电荷由势阱中。电荷逐渐全部移入至Ntt4321243C、电荷的输出、电荷的输出 在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输

17、出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。3123OGniULR0USiP0I输出二极管电流法三、线阵电荷耦合器件三、线阵电荷耦合器件线阵CCD结构原理图 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分） （2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。 （3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。图7-12 各脉冲的波形和相位四、面阵电荷耦合器件四、面阵电荷耦合器件 光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束

18、后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出（一帧对应光敏区MOS的数量） 。光敏区存储区读出寄存器 CCD图像传感器应用图像传感器应用 1、线阵、线阵CCD器件检测工件尺寸器件检测工件尺寸(2 )LNdd ML工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。2、文字图像识别系统、文字图像识别系统 邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，

19、传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。 读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统2.4 2.4 光纤传感器光纤传感器一、光纤传感器的基本知识一、光纤传感器的基本知识1、光纤结构、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外层一层尼龙保护套。2、传输原理、传输原理光的全内反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件 光由纤芯到包层表面，由光的折射定律。 。时，光在纤芯中全反射当为临界角此时全反射

20、时，CCCCnnnn1221sin90sinsin（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。011211sinsinsin(90)cos1 sinnnnnn222102221212210arcsin11sinnnnnnnnnnCC光全反射时，即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。（。之为数值孔径反映光纤聚焦本领，称2221sin)4 . 02 . 0sinnnNANANACC希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。C光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤 模的概念模的概念 光纤传输光波

21、，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2 的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。 模的确定模的确定 光纤传输模数由归一化频率确定。/2 rNA（梯度型）（阶跃型）光纤传输模的总数为4222NN芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤二、光纤传感器二、光纤传感器功能型（传感型）和非功能型（传光型）。1、功能型光纤、

22、功能型光纤用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。2、非功能型光纤（光通讯）、非功能型光纤（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。光纤传感器光纤传感器 应用应用 光强调制光强调制相位调制相位调制Mach-Zehnder干涉原理图偏振调制偏振调制光纤电流传感器光纤电流传感器 三、光纤传感器三、

23、光纤传感器 应用应用 1、 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时, 由于质量块M对上下光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于汇合处） 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。 由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化)4(4222222211111dSadELmnmaSELnLnLnLnL相位变化为两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比

24、。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，即而算出加速度。LLL应变LSFE/杨氏模量 由于光纤感受温度变化时，光纤的折射率发生变化，而且因光的热胀冷缩使长度变化。使光纤的光程差及相位变化。可测温度和压力。2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）C光纤微弯对传播光的影响光纤微弯对传播光的影响当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光外，一部分光透射进入包层。导致光能的损耗。输出光强度减小。光纤微弯曲传感器光纤微弯曲传感器 2.12 激光传感器激光传感器 教学目的与要求教学目的与要求：理解激光产生的原理，掌 握激光

25、和激光器的特性，了解激光传感 器的工作原理与应用；重点内容重点内容：激光传感器的工作原理难点内容难点内容：激光产生的原理教学方法教学方法：讲授法一、一、激光的工作原理激光的工作原理 hEE12 1、光的发射与光的吸收、光的发射与光的吸收 光的发射光的发射：当原子从高能级向低能级跃迁时，两能级之差部分以光子形式发射出去的现象；光的吸收光的吸收：当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量的现象；光的发射和吸收规律光的发射和吸收规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率2、光发射的三种跃迁过程、光发射的三种跃迁过程1) 自发辐射自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃

26、迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2 )受激辐射过程受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。3)受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在受激辐射与受激吸收过程同时

27、存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优势时,光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。 3、粒子数分布、粒子数分布 当一束光通过具有能级E1和E2（假定E2E1)的介质时：1) 正常分布：正常分布：高能级E2上原子数N2少于低能级E1上原子数N1 ， N2/ N11 激活介质或增益介质：能引起粒子数反转分布的介质 二、激光器的产生条件二、激光器的产生条件1、光学谐振腔、光学谐振腔 作用作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的 方向性和单色性、高亮度的激光束。 结构结构：由两个反射镜和增益

28、介质组成，这两个反 射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜,下图 稳定腔稳定腔：近轴光线在谐振腔内部多次来回反射 时，光线离轴的高度不会无限增大，称此 腔为稳定腔。2、外部能量泵浦使粒子数反转分布外部能量泵浦使粒子数反转分布3、增益介质增益介质 三、激光器的种类与结构三、激光器的种类与结构 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。 固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激光器、钛宝石激光器、半导体激光器。 气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染料作为激光器的工作物质。 半导体激光器：属于固体激光器 四、半导体激光二