第八章新型传感器

第八章新型传感器

8.1光纤传感器8.2CCD图像传感器8.3超声波及声表面波传感器8.1光纤传感器

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。

光纤传感器优点:

不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光纤传感器应用:温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等多个物理量的测量。8.1.1光导纤维的结构和传光原理

一、光纤结构

光导纤维结构-----纤芯,包层,外套。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，二、光纤的种类

①阶跃型

阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变，但在纤芯和包层界面处折射率有突变。②缓变型

渐变型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。

1：按照光纤折射率分为2：按其传输模式来分为：

单模：纤芯直径只有传输光波波长的几倍，而且纤芯细、包层厚、传输性能好，但制造、连接困难；多模：纤芯直径是传输光波波长的很多倍，而且纤芯厚、包层薄、制造、连接容易；二、光纤的种类

三、光纤传光原理

当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射

（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：1：Snell定理2：光纤导光

n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1当θr=90°的临界状态时，Sinθi定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θi>arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θi<arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。8.1.2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、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。

1功能型（FunctionalFiber，

缩写为FF）——光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。

2非功能型（NonFunctionalFiber，缩写为NFF）光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。二、光纤传感器的分类

光源光敏元件被测对象测得信息光导纤维光源光敏元件被测对象测得信息光导纤维敏感元件功能型非功能型三、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

光频率制

光波长制

光偏振制

2．光强调制方式

①辐射式：被测对象本身就是光源，它发出的辐射能强弱与被测对象的量值有关，而且是直接进入出射光纤。光电器件接收并测量出其辐射能就可测定待测量的大小。

②光纤位移式：这种调制方式有两根光纤：一根入射光纤；一根为出射光纤。入射光纤不动，被测量使出射光纤作横向或纵向移动。

一般是用于光强的小位移调制。三、传输光的调制方式

③插入式：在入射光纤和出射光纤之间插入被测对象，入射光纤传送一定的光通量到达被测对象，受被测参数调制后的光通量由出射光纤输出。

三、传输光的调制方式

④微弯损耗式：当光纤发生弯曲到一定程度使光线入射角小于临界角，射到纤芯与包层界面的光有一部分将透过界面进入包层而造成损耗－微弯损耗。从而引起光纤出射断的光通量发生变化。通常用这种原理来测量微压或微位移。

三、传输光的调制方式

图(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图(b)所示为光纤在点压力作用下，"引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。

四、光纤传感器的应用1光纤压力传感器图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。

2光纤传感器器测流量四、光纤传感器的应用8.2CCD图像传感器

CCD（ChargeCoupleDevice）图像传感器——电荷耦合器件，美国贝尔实验室于1969年发明的。由CCD构成的图像传感器是一种具有自扫描功能的摄像器件。它具有体积小，重量轻，使用电压低（<20V），可靠性高，不需要强光照明等优点。

光图像传感器CCD图像传感器CMOS图像传感器基本组成部分一、MOS光敏元阵列

1、MOS光敏元结构

8.2.1CCD的工作原理

MOS光敏元阵列：执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像。读出移位寄存器――执行电荷转移功能MOS光敏元的结构它是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。耗尽区：电极加正偏压，排斥空穴，无空穴的区域，偏压越大，耗尽区越深

电荷包：少数载流子（电子）吸引到最高正偏压电极下势阱：加偏压后在金属电极下形成的深耗尽层，阱内存储少子电荷（少子）注入方法：光注入、电注入、热注入2：工作原理二、读出移位寄存器――执行电荷转移功能

1、结构原理

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φ1、φ2、φ3来驱动。

2、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。

8.2.2CCD图象传感器的结构

一、线列阵

1、组成

2、结构

(a)单排结构

(b)双排结构

光敏元阵列转移栅读出移位寄存器

3、工作过程：

①各光敏元同时曝光，生成“电荷包”；②各光敏元的电荷包同时并行转移到对应移位寄存器电极下；③移位寄存器串行依次输出各个“电荷包”。二、面列阵

1、组成

光敏元面阵存储器面阵水平读出移位寄存器线阵2、工作过程：

（1）面曝光――各光敏元同时曝光，生成一幅“电荷包”图像；（2）场转移――“电荷包”从光敏元面阵并行转移到存储器面阵；

（3）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；（4）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。

三实际应用1：光学文字识别装置(OCR)2：数码相机8.3超声波与声表面波传感器

一、超声波及其性质

振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。能为人耳所闻的机械波（频率在16～2×104Hz之间）称为声波；

超声波：高于2×104Hz的机械波；

微波：

3×108～

3×1011Hz之间的波。

二、超声波传感器

1、超声波传感器——利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置。

2、超声波探头常用的材料：压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。工作原理：利用压电材料的压电效应。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可做为发射探头。利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。超声波探头中的压电陶瓷芯片将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。三、超声检测方法

1、透射法——用两个探头，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——利用超声波测量流速时采用的方法。

1、超声波测量液位和物位原理在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。四、超声波传感器应用c：超声波在被测介质中的传播速度。由此可见，只要知道超声波速度，就对以通过精确地测量时间t的方法来精确测量距离L。声速c在各种不同的液体中是不同的。即使在同一种液体中，由于温度和压力不同，其值也不相同。由于液体中其它成分的存在及温度的不均匀都会使c发生变化，引起测量误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。同学们是否注意：当一辆汽车响着喇叭从你身边疾驶而过时，喇叭的音调会由高变低，好像汽车驶来的时候唱着音符“1”，离开的时候就唱音符“7”了。1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，观察到的波的频率都会发生变化，并且做出了解释，人们把这种现象叫做多普勒效应。－1－－7－2、超声波多普勒测量车速模拟实验让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过（图甲）。这种情况下的“过人频率”是9人／秒；如果观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图乙）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图丙）。

甲乙丙超声波情况相似当波源和观察者相对静止时，1s内通过观察者的