第8章新型传感器课件

第八章新型传感器18.1光纤传感器8.2CCD图像传感器8.3激光与红外传感器8.4超声与声表面波传感器8.5核辐射传感器8.6传感器发展的新趋向第八章新型传感器28.1光纤传感器8.1.1光导纤维的结构和传光原理一、光纤的结构图8-1-1光纤的基本结构纤芯：直径约5~75μm；由玻璃或塑料制成；光主要在纤芯中传输。包层：围绕着纤芯的圆筒形部分；直径约100~200μm；由较纤芯折射率小的玻璃或塑料制成。尼龙外套：在包层外起保护作用，也可以以颜色来区分各种光纤；直径约1mm。3二、光纤的种类1.按材料分：玻璃光纤塑料光纤2.按传输模式分：单模光纤（纤芯细、包层厚、性能好）多模光纤（纤芯粗、包层薄）图8-1-2单模和多模光纤结构单模多模纤芯的直径只有传输光波波长几倍的光纤是单模光纤；纤芯直径比光波波长大很多倍的是多模光纤。4二、光纤的种类3.按折射率分布分：阶跃光纤缓变光纤（梯度型；自聚焦光纤）图8-1-3阶跃型光纤和缓变型光纤5（光密介质）（光疏介质）三、光纤的传光原理图8-1-4光纤传光原理折射率n1>n2，入射角θ1较小时，入射的光线一部分折射入介质2，一部分反射回介质1。因为：n1>n2据Snell定律有：所以：入射角θc称为临界角。当：将产生全反射。==全反射条件：6三、光纤的传光原理图8-1-4光纤传光原理光纤传光原理：由于光纤纤芯的折射率大于包层的折射率，所以在光纤纤芯中传播的光只要满足全反射条件，光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在纤芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端。n0为光纤所处环境的折射率，一般为空气，空气n0=1。7三、光纤的传光原理图8-1-4光纤传光原理要求入射光能在光纤内产生全反射，则入射光的端面入射角φ

0应满足什么条件？8根据snell定律：根据全反射条件：NA称为光纤的数值孔径所以，全反射要求：代入9根据snell定律：根据全反射条件：NA称为光纤数值孔径所以，全反射要求：可见，光纤端面的入射光只有处于2φc的锥角内，进入光纤后才能满足全反射条件。108.1.2光纤传感器的基本原理和类型

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。一、光纤传感器的基本原理

功能型：光纤自身用作敏感元件来感受被测量的变化；常用单模光纤

非功能型：光纤只用作传播光的介质，利用其它敏感元件来感受被测量的变化；常用多模光纤二、光纤传感器的分类11三、传输光的调制方式1.调制方式种类：光强调制：应用最多光相位调制光频率调制光波长调制光偏振调制122.光强调制方式（1）辐射式：

被测对象本身就是辐射能源，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。132.光强调制方式（2）光纤位移式：图8-1-5光强小位移调制142.光强调制方式（2）光纤位移式：图8-1-5光强小位移调制用两根光纤：一根入射光纤，一根出射光纤；两者间距约2~3μm，端面为平面。通常入射光纤不动，被测量使出射光纤作横向或纵向位移或转动，则出射光纤输出的光强被其位移所调制。152.光强调制方式（3）插入式：图8-1-6光路间插入被测对象调制光通量的形式16图8-1-6光路间插入被测对象调制光通量的形式2.光强调制方式（3）插入式：入射光纤与出射光纤间插入被测对象，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，出射光纤输出的光通量即为被测参数的函数。172.光强调制方式（4）微弯损耗式：图8-1-7微弯损耗光强调制原理18图8-1-7微弯损耗光强调制原理2.光强调制方式（4）微弯损耗式：光纤弯曲到一定程度使入射角小于临界角时，部分光透射进包层造成损耗：微弯损耗，引起出射光纤输出光通量变化。图中变形器位移或受力越大，输出光强越小，检测光纤输出光强变化就能测出位移或力信号。19四、光纤传感器的优缺点

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20基于CCD的设备：8.2CCD图像传感器21基于CCD的设备：8.2CCD图像传感器CCD图像传感器是这些设备的核心部件。228.2CCD图像传感器CCD：英文全称是Charge-coupledDevice，中文全称是电荷耦合器件。CCD是一种半导体器件，具有光电转换、信息存储和传输等功能（即具有电荷的产生、存储和转移的功能）。CCD图像传感器：是一种具有自扫描功能的摄像器件，能够把光学影像转化为数字信号。238.2CCD图像传感器8.2.1CCD的工作原理一、MOS光敏元阵列MOS光敏元阵列由几百或几千个相互独立的排列规则的MOS光敏元组成，执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像。CCD器件由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。24结构：“金属-氧化物-半导体”（MOS）结构元1.MOS光敏元工作原理：金属电极上施加正偏压形成“势阱”；势阱越深，捕获少数载流子的能力越强；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。图8-2-1MOS光敏元+U耗尽区（势阱）25通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的排列规则的MOS光敏元。若在金属电极上施加一正偏压，则在这半导体硅片上就形成几百或几千个相互独立的势阱；如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合摄像器件的基本原理。其中一个光敏元就是一个像素。光敏元阵列——一幅光生电荷图像2.光敏元阵列显微镜下的光敏元阵列光敏元阵列结构示意图26二、读出移位寄存器---执行电荷转移功能1.结构原理硅底复盖遮光层，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.特点：图8-2-2读出移位寄存器的结构原理和波形图①②③④⑤⑥⑦⑧⑨Ф1Ф2Ф3Ф1Ф2Ф327二、读出移位寄存器---执行电荷转移功能1.结构原理光敏元阵列与读出移位寄存器是分开的；取样结束后，光敏元阵列中的电荷先通过转移栅转移到读出移位寄存器的相应单元中，然后进行电荷转移。说明：图8-2-2读出移位寄存器的结构原理和波形图①②③④⑤⑥⑦⑧⑨Ф1Ф2Ф3Ф1Ф2Ф3282.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。重复以上过程，就可将电荷逐级向右进行转移。图8-2-3电荷传输过程①②③④⑤⑥⑦⑧⑨298.2.2CCD图像传感器的结构一、线列阵1.组成及结构图8-2-4线阵CCDIS结构示意图转移栅光敏元线阵读出移位寄存器线阵30图8-2-4线阵CCDIS结构示意图2.工作过程312.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”。（由不同相位的驱动脉冲驱动）图8-2-4线阵CCDIS结构示意图32二、面列阵1.组成图8-2-6帧转移面阵33