第5章 新型传感器

传感器与检测技术

（第2版）电子工业出版社第5章新型传感器内容提要及学习要求：现代科学技术飞速发展使人类进入了信息时代。计算机技术，通讯技术和传感技术，是我国电子信息产业的三大支柱。传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取信息的窗口，是人类感觉器官的延伸。为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏度等）的要求越来越严格。近年来，传感器在朝着灵敏度高、精确度好、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，随着材料科学、信息科学、生命科学等高科技技术的发展，出现了激光、生物分子、仿生学、机器人及各种智能技术为支撑的新型传感器。如光纤传感器、仿生传感器、超声波传感器和生物分子传感器等。本章主要介绍光纤传感器、仿生传感器和微型传感器。传感器与检测技术（第2版）

5.1仿生传感器一般认为，现代生物技术（Biotechnology）兴起于20世纪的70年代，它是以生命科学为基础，运用先进的工程技术手段与其他基础科学的原理，利用生物或生物组织、细胞及其他组成部分的特性和功能，设计、构建或将生物体改造为具有人类预期性状的新物种或新品系，从而为社会提供产品和服务的综合性技术体系。它主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和仿生生物工程等。相对应地形成了基因技术、生物生产技术、生物分子工程技术、定向发送技术、生物耦合技术、纳米生物技术和仿生技术等。最初的生物传感器，就是通过这些技术，采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成的传感器。如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器等。利用仿生技术开发出来的传感器，就是仿生传感器。在生物体模拟的传感器中，尿素传感器是最近开发出来的一种新型仿生传感器。随着现代仿生技术的进步，人类已经制造出仿视觉传感器、仿听觉传感器、仿嗅觉传感器以及DNA芯片等仿生传感器。这些传感器能自动捕获信息、处理信息、模仿人类的行为。其最典型的代表是就是机器人所用的传感器。下面就以机器人传感器为例，介绍仿生传感器。机器人传感器一般分为机器人外部传感器（感觉传感器）和机器内部传感器两种类型。5.1.1机器人内部传感器概述机器人内部传感器包括位移传感器、力觉传感器、温度传感器、速度传感器、平衡传感器等。主要用来检测机器人内部状态的各种参量，掌握机器人的适时状态，以便使机器人按规定的位置、轨迹、速度、加速度和受力大小进行工作。这类传感器用于机器人方面时，一方面要求其输出稳定，在恶劣环境下能连续使用，可靠性高，体积小；另一方面要求其精度高，能使机器人的动作灵敏等。1．机器人用位置检测传感器机器人用位置检测传感器主要有微型限位开关、光电断路器和电磁式接近开关等。微型限位开关的实现原理是在移动体上安装一挡块，该物体移至一定位置后，挡块碰上机械开关，引起开关触点的开闭，从而通过控制电路，控制机器人的动作。光电断路器由发光二极管、光电三极管组成，当被测物体移动，隔断其“光路”，引起光电三极管输出电位的变化。电磁式接近开关是利用感应线圈靠近磁性物体，从而产生感应信号。2．机器人用位移检测传感器机器人用位移检测传感器主要有直线电位器、可调变压器、磁性传感器和磁尺等。可调变压器如图5.1所示。它由连接于移动物体的铁芯3和线圈1、2所组成，u1为交流电源，u2为感应电压，其幅值大小随铁芯移动而变化。磁性传感器如图5.2所示。它是将磁化为N、S的微小磁铁固定于移动物体上，磁铁随物体移动，在带有感应磁头的磁信号检测器上将能得到相应位置的输出信号。图5.1可调变压器图5.2磁性传感器3．机器人用角位移检测传感器机器人用角位移检测传感器除了有旋转式电位器、旋转式可调变压器外，还有鉴相器、光电式编码器等。鉴相器由互相正交的两个线圈组成定子和转子，它们之间的磁耦合在互为平行时最大，垂直时为零，因而产生的电压信号随转子和定子相对角度变化而变化。这种角度检测器在激磁频率为1～2kHz时，角分辨精度达0.12°～0.34°。4．机器人用速度检测传感器机器人用速度检测传感器常用的有测速电机及脉冲发生器两类，它不仅可以测试速度，还可以测试动态响应补偿。测速发电机的输出是与转速成正比的连续信号，脉冲发生器是一种数字型速度传感器，其结构与光电编码器类似，同时检测输出脉冲数和脉冲频率，便能确定旋转速度值。5．机器人用加速度检测传感器机器人用加速度检测传感器主要有差动变压器型和应变仪型。差动变压器型加速度传感器，由弹簧支撑的铁芯和转轴构成，当速度变化时，由于惯性，铁芯产生位移，由于铁芯处于差动变压器中，差动变压器线圈中将产生相应的信号，用以检测加速度。应变仪型加速度传感器是由质量块和粘贴有应变片的弹簧片构成，加速度的变化将引起应变片的直径和长度产生微小变化，因而可得到所需要的速度信号。6．机器人用力检测传感器机器人用力检测传感器主要有应变电阻型、半导体体型、磁电型、光电式等等，可参看有关章节。5.1.2机器人外部传感器机器人外部传感器主要包括听觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、滑动觉传感器、距离传感器、接近传感器等，其主要功能是识别工作环境，为机器人提供信息，其目的是检测机器人所处的对象物体以及环境周围所具有的各种物理量，从而对这些对象和环境进行认识和处理，它们相对应于人的视、听、味、嗅和触觉等，常被称为感觉传感器。目前，主要分为视觉和广义触觉两大类。广义触觉指的是与对象接触的各种感觉，其又可分为接触觉、压觉、力觉、接近觉、滑觉等五种；而视觉传感器也可细分为明暗觉、色觉、位置觉、形状觉等几类。如表5.1所示。

类型检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光、亮度多少判断有无对象，并检测之光电管，光电断流器色觉对象色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机，滤色器，彩色光管位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置、检测物体移动摄像管形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征、识别物体光电晶体管阵列，CCD，图像传感器，SPD等接触觉与对象是否接触，接触位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径电位计，光电传感器，微型开关，薄膜接点，针式接点压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件，导电橡胶，压每半导体，感压高分子材料，应变针力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变针，负载单元，转矩检测接近觉与对象物是否接近，接近距离对象面的倾斜控制位置，寻径、安全保障，民常停止光传感器，气压传感器，超声波传感器，磁传感器滑觉垂直于握持面方向物体的位移、旋转重力引起的变形修正握力，防止打滑，测量物体的重量及表面，进行多层作业球形接点，旋转传感器，微型开关，振动检测器，圆筒状光电旋转传感器1．视觉传感器视觉传感器是机器人传感器中最重要的一种外部传感器，它包括信息获取和信息处理两部分，通过这两部分，能把对象物体特征通过分析处理、描绘后识别出来。从一定意义上说，一个典型视觉传感器的组成原理可如图5.3所示，它属于智能传感器的范畴。其工作过程可分为检测、分析、描绘和识别四个过程。图5.3视觉传感器的典型结构视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把一幅幅图像变成电信号，再由计算机对这些信号进行相应处理，提取所需信息，进行识别。早期常用的是光导摄像机，由于固体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本高。一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与该点所受光强成比例。因而可以看成是在靶上有一幅电子图像，摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列信号。视觉检测主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号；描绘是为了识别的目的而从图像中提取特征；识别是根据描绘的结果为其赋一个标志。现在最常用的视觉检测设备是摄像管摄像机和固态摄像机，它们都是对景物进行扫描，把一幅幅图像变成电信号，再由计算机对这些信号进行相应处理，提取所需信息，进行识别。早期常用的是光导摄像机，由于固体摄像机具有重量轻、体积小、偏转变形小、残像少等优点，现在几乎都采用固体摄像机，但固体摄像机的清晰度低，成本高。一般的摄像机其工作原理简单：光线透过摄像管前的透镜后，物体在光导电膜构成的靶上成像，靶上各点的导电性能与该点所受光强成比例。因而可以看成是在靶上有一幅电子图像，摄像管阴极发出的射线经聚焦后射在靶上，然后通过靶及覆盖于靶前的透明导电膜及限流电阻与电源阳极闭合，从而产生与该聚焦点相对应的电流。通过摄像偏转扫描系统，对靶逐点扫描，通过电容器取出各点变化电流，即得到该图像的时间序列信号。若将光电二极管构成一维或二维阵列，外来光线同样通过透镜照在该阵列上，形成一幅图像，每一只光电二极管即为一个像素，顺序逐点取出各个光电二极管的信号，也能得到该图像的时间序列信号。其取出信号的方法一般有MOS型和CCD型。MOS型的原理是：首先给光电二极管加一负脉冲，使光电二极管导通，随后用一合适的负偏压对其充电。充电结束后，入射光线以脉冲形式照至光电二极管，其电荷将与入射光量成比例减少，最后再次给光电二极管加负脉冲，使光电二极管再次导通，由于各光电二极管上电荷数由光照量决定，所以各点相应补充电荷引起的充电电流将反映出各点光量的数值。顺序对各光电二极管进行处理，可得到图像的时间序列信号。CCD是电荷耦合器件的意思，它也是一种半导体器件，具有将电荷以耦合的方式逐次移动至外部的功能。其具体的电荷移动机理请读者参阅有关书籍。由于各点光线不同，光电二极管上所具电荷也不同，我们可以把光电二极管上所具电荷移动至CCD上，再通过移动操作，将它作为图像表示信号取出。线型CCD图像传感器，主要用来测量工作尺寸等一维量。具体的CCD图像传感器由一列光敏元件和一列CCD集成在一块基片上构成，光敏元件与CCD之间并行对应，它们之间设有一个转移控制栅，感光元件阵列具有一个梳状公共电极呈高电压时，入射光照在光敏元件实现光积分，各光敏元件实现光积分，各光敏元件中所积累电荷与光照强度成比例，光积分结束时，转移栅电压升高，CCD的电极也处于高电压，然后降低梳状电极电压，光敏元件中积累的光电荷并行转移至CCD中。转移完毕，转移栅电压降低，梳状电极电压回升，以开始下一次积分周期，同时在CCD上加时钟脉冲，将存储电荷串行移出，从而读出电荷图形。为获取二维图像，要采用面型CCD图像传感器，这种形式的传感器需要在水平和垂直两个方向上进行电荷转移，经过适当的组合，可获得一幅画面的图像信号。2．听觉传感器听觉传感器是机器人的耳朵，它是利用语音信息处理技术制成的。若仅要求它对声音产生反应，可选用一个开关量输出形式的听觉传感器。这种传感器是比较简单的，只需用一个声-电转换器就能办到。但一个高级的机器人不仅能够听懂人的语言指令，而且能讲出人能听懂的语言，前者为语音识别技术，后者为语音合成技术。具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。语音识别实质上是通过模式识别技术识别未知的输入声音，通常分为特定话者和非特定话者两种语音识别方式。后者为自然语音识别，比特定语音识别要困难得多。特定语音识别是预先提取特定说话者发音的单词或音节的各种特征参数并记录在存储器中，要识别的输入声音属于哪一类，决定于待识别特征参数与存储器中预先登录的声音特征参数之间的差。实现这种技术的大规模集成电路的声音识别电路已经在20世纪80年代末就商品化了，其代表型有：TMS320C25FNL、TMS320C25GBL和TMS320C25PQ等。由于人类的语言非常复杂，词汇量相当丰富，即使是同一个人，其发音也会随环境及身体状况变化而变化，因此，自然语音识别有相当的难度。现在的研究水平只是通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还可以正确理解一些极简单的语句。如最近索尼公司推出了第三代机器玩具狗（LATTE和MACARON）。就以前的机器玩具狗（AIBO）来说，它的强项是肢体语言，而在这个新版本中，AIBO特别增强了他的听觉和回话功能，AIBO将能听懂更多的语言并且进行一些简单的、基本的回答或者做一些动作。实现这个功能需要记忆棒中的AIBO-ware来实现。同时AIBO-ware还可以决定AIBO的性格。目前有两种类型的AIBO-ware，分别是“AIBOPal”和“AIBOLife”。3．接触觉传感器接触觉传感器就是仿真人或动物的接触觉，感知被接触物体的特性。现在常用的接触觉传感器有机械式（例如微动开关）、针式差动变压器、含碳海绵及导电橡胶等几种。通过这些接触觉传感器，不仅可以对被接触物体产生感性认识，而且还可反映传感器接触对象物体后自身的状况，如：是否握牢对象物体和对象物体在传感器何部位等。图5.4所示为针式变压器矩阵接触觉传感器，它由若干个触针式触觉传感器构成矩阵形状，每个触针传感器由钢针、塑料套筒以及给每针杆加复位力的磷青铜弹簧等构成，如图5.4（a）所示，并在各触针上绕着激励线圈，用以将感知的信息转换成电信号，由计算机判定接触程度、接触部位等。当针杆与物体接触而产生位移时，其根部的磁极将随之运动，从而增强了两个线圈间的耦合系数。通过控制电路使各行激励线圈加上交流电压，检测线圈则有感应电压，该电压随针杆位移增加而增大。通过扫描电路轮流读出各列检测线圈上的感应电压（感应电压实际上标明了针杆的位移量），电压量通过计算机运算判断，即可知道对象物体的特征或传感器自射的感知特性。最近，美国伊利诺斯大学的研究人员正在研制一种像头发一样的触觉传感器。众所周知，许多动物和昆虫都能用其毛发辨别不同事物，包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用性能很好的玻璃和多晶硅制造的，通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。这种人造发毛的大型阵列可用于空间探测器上，其探测周围环境的能力远远超出当今已有的任何系统，美国宇航局目前正积极参与这项研究。这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这一问题，研究人员首先研究和模仿了我们自身触觉系统的工作。他们知道每个手指大约有200根神经，而且还有错综复杂的表皮纹理，所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是由于皮肤的弹性就像一个低通滤波器，它能滤掉一些细枝末节，所以才使大脑的这项处理简化可行。研究员正借鉴这一事实解决人造毛发数据量过大的问题。图5.4针式变压器矩阵接触传感器4．接近觉传感器接近觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物，如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。目前使用的接近觉传感器主要有电磁感应式（涡流式）、光电式、超声波式三种。金属型的对象物体一般采用涡流式传感器，而塑料、木质器物等可采用光电式、超声波等。（1）光电式接近觉传感器是一种比较简单有效的传感器，把它装在机器人手（或足）上，能够检测机器人手臂（或腿）运动路线上的各种物体。这种传感器一般用红外发光二极管作发送体，向物体发射一束红外光，红外光通过透镜照射于物体上；物体反射红外光，然后通过接收电路进行接收和处理。（2）超声波是人耳听不见的一种机械波，频率在20kHz以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20～20000Hz。超声波因其波长较短，绕射小，而能成为声波射线并定向传播。机器人采用超声波传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，这种传感器不能测量距离小于30mm的物体。超声波传感器包括超声波发射器、超声波接收器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声波发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射，同时超声波接收器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声波接收器收到回声信号后，定时电路停止计时，此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声波传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声波传感器整个工作过程都是在控制电路控制下按顺序进行的。（3）电涡流传感器主要用于检测由金属材料制成的对象物体。它是利用一个导体在非均匀磁场中移动或处在交变磁场内，导体内就会出现感应电流这一基本电学原理工作的。这种感应电流称为电涡流。通过电涡流的大小可以检测物体的有无和距离，电涡流传感器的尺寸小，检测精度高，能检测到0.02mm，工作可靠，价格便宜。缺点是作用距离小，一般不超过13mm。5．嗅觉传感器人鼻是嗅觉器官，嗅觉传感器就是仿真人鼻功能的一种传感器。给机器人装上嗅觉传感器，它就能感受各种气味，从而用来识别其所在环境中的有害气体，并测定有害气体的含量。目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的物理性质变化，借以测定某种特定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研制出的气体传感器只能识别如H2、CO2、CO、NO等少数气体。因此，除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机器人基本上没有嗅觉。嗅觉传感器中开发应用最广泛的当属电子鼻，它是由传感器阵列构成的。阵列中的每个传感器覆盖着不同的具有选择性吸附化学物质能力的导电聚合物。吸附作用将改变材料的电导率，从而产生一个能测量的电信号。阵列中所有不同传感器产生的信号模式代表了特定的气味图谱，通过与已知气味数据库相比较可识别出各种气味来。大多数嗅觉系统都使用类似的原理。英国一家公司推出一种在线实时系统，这种系统标志着电子鼻已经走出实验室，进入了实际工作环境。它能适应各种不同的传感器技术，从导电聚合物到金属氧化物半导体（MOS）技术以及体声波和表面声波器件等，除了可用于机器人外，还可应用于食品加工发酵和酿造业，以及在线水质监测，医学系统和火检测等。英国诺丁汉大学食品科学系另僻蹊径，研制了一种基于质谱原理的新的电子嗅觉系统，这种系统能分析人吃东西时鼻子中嗅到的香味，用于解决如何生产出不同种类的好食品。另一种最近开发的电子鼻是由美国加里福尼亚工学院研制的，这是一种手持式的由32个传感器组成的单元。经过“培训”，它能嗅出特定种类的稻米，不但能说出其种类，而且可指出其产地。5.2光纤传感器光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在20世纪70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场和位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作为传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量）。5.2.1光纤结构光纤是一种多层介质结构的圆柱体，其结构如图5.5所示，该圆柱体由纤芯、包层和护层组成。图5.5光纤结构纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成很细的圆柱体，其直径在5～75

m内。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高光的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层（包层），包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200

m范围内。包层材料一般为SiO2，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅，但包层掺杂的目的却是为了降低其对光的折射率。包层外面还要涂上如硅铜或丙烯酸盐等涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。5.2.2光纤传感器的工作原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。根据工作原理，光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。光纤对许多外界参数有一定的效应，如电流、温度、速度和射线等。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态调制原理。利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单、可靠，价格低，可采用多模光纤；光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源。探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。利用外界因素改变光纤中光的波长或频率，然后通过检测光纤中的波长或频率的变化来测量各种物理量的原理，分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术的解调技术比较复杂，对引起光纤或连续损耗增加的某些器件的稳定性不敏感，该调制技术主要用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析等方面。例如，利用热色物质的颜色变化进行波长调制，从而达到测量温度以及其他物理量。频率调制技术主要利用多普勒效应来实现，光纤常采用传光型光纤，当光源发射出的光经过运动物体后，观察者所见到的光波频率相对于原频率发生了变化。根据此原理，可设计出多种测速光纤传感器。如激光多普勒光纤流速测量系统，如图5.6所示。

图5.6光纤多普勒流速测量系统设激光光源频率为f0，经分束器分成两束光，其中被声光调制器调制成频率为f0-f1的一束光，射入探测器中；另一束频率为f0的光经光纤射到被测物体流，如血流里的红血球以速度v运动时，根据多普勒效应，其反射光的光谱产生频率为的光，它与f0-f1的光在光电探测器中混频后，形成的振荡信号，通过测量，从而换算出血流速度v。声光调制频率f1一般取40MHz。在频谱分析仪上，除有40MHz的调制频率的一个峰外，还有移动的次峰，根据次峰可确定血流等流体的速度。光纤传感器的调制方法除了上面介绍的，还有利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测光波相位变化来测量物理量的相位调制；利用外界因素调制返回信号的基带频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化来测量各种物理量的大小和空间分布的时分调制；利用电光、磁光、光弹等物理效应进行的偏振调制等调制方法。5.2.3光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下独特的优点。（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电，石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。（2）灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器等。（3）重量轻，体积小，可弯曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可挠的优点，因此可以利用光纤制成不同外形、不同尺寸的各种传感器，这有利于航空航天以及狭窄空间的应用。（4）测量对象广泛。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度和加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。（5）对被测介质影响小。光纤传感器与其他传感器相比具有很多优异的性能，例如，具有抗电磁干扰和原子辐射的性能；径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等。这些性能对被测介质的影响较小。它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用。而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。（6）便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网络。（7）成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器。5.2.4光纤传感器的应用举例光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度、流量等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。1．光纤传感器涡轮流量计涡轮流量计在工业上已有五十多年的历史，它是通过内磁式传感器检测涡轮的转速而实现流量测量，是一种用途广泛的流量测量仪表。随着光纤传感器技术的发展，可将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合，制造出具有双光纤传感器的涡轮流量计。与传统的内磁式涡轮流量计相比，光纤传感器涡轮流量计具备了正反流量测量的性能。在检测原理上，光纤传感器克服了内磁式传感器磁性引力带来的影响，有效地扩大了涡轮流量计的量程比。光纤传感器涡轮流量计，就是把涡轮叶片进行改进使其叶片端面适宜反射光线，利用反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转，从而测量出流量。其原理如图5.7所示。反射型光纤传感器一般用多模玻璃光纤，单根芯纤直径200

m，孔径为0.3mm，由两根光纤组成，包括光发射纤和光接收纤，检测端固化在一铝合金护套内，可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上。为了提高反射型光纤传感器的信噪比，保证接收反射信号的分辨率，光电转换器中的光源发射电路设计为10～12kHz的调制光输出，通过发射纤经涡轮叶片反射从接收纤接收调制光的反射信号，经滤波后转换为流量脉冲信号，信号响应时间小于0.2ms，检测范围为1mm。

图5.7光纤传感器流量计原理图5.8双向流量测量原理图传统的内磁式传感器受其结构限制只能检测叶片的转速，由于反射型光纤传感器体积细小，因而将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上，这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号，而两个传感器信号互不干扰，如图5.8所示。传感器输出的f01信号和f02信号经相位鉴别电路后可输出流量计正向流动计量信号和反向流动计量信号。由于光纤传感器不存在内磁式传感器在低流速时与涡轮叶片产生磁阻而引起的误差，也克服了内磁式传感器在高流量区信号产生饱和的问题，其调制光参数还可以随总体设计的要求而变化，为涡轮的设计创造了方便条件。另外，光纤传感器具有防爆、无电气信号直接与流量计接触的特点，因而适宜煤气、轻质油料等透明介质的流量测量。2．光纤温度传感器光纤用在温度测量中是近几年发展起来的新技术，按照其调制原理有相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、分布式温度传感器等；在非相干型中，有辐射式温度计、半导体吸收式温度计和荧光温度计等。下面介绍光纤辐射温度传感器的测量原理与结构。辐射温度传感器属于被动式温度测量，即无需光源，其测量原理是黑体辐射定律。单波长测温框图如图5.9所示。被测辐射热能由探头中物镜会聚，经滤色镜限制工作光谱范围后，将光经光纤送到探测器，由探测器把光强信号变换成电信号，再经线性化、V/I转换、A/D转换，就可由数字仪器读出温度。光纤辐射温度计是非接触测量，可用于瞬时高温测量，且响应快，它在冶金、窑炉、高频淬火、涡轮发电机、电站、油库等方面得到广泛的应用。图5.9单波长测温框图5.3微型传感器MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）通常称为微机电系统，是当今高科技发展的热点之一。随着MEMS技术的发展，作为微机电系统的一个构成部分，微型传感器也得到了长足的发展。顾名思义，微型传感器就是尺寸微型化了的传感器，但正如一个微机电系统一样，随着系统尺寸的变化，它的结构、材料、特性乃至所依据的作用原理均可能发生变化。与各种类型的常规传感器一样，微型传感器根据不同的作用原理也可被制成不同的种类，具有不同的用途，如电容式微型传感器、电感式微型传感器、压阻式微型传感器和热敏电阻式微型传感器等。5.3.1电容式微型传感器电容式微型传感器是采用蚀刻法制成的硅传感器，它的优点是耗能少、灵敏度高以及输出信号受温度影响小，常用于压力、流量和加速度的测量。1．电容式微型压力传感器电容式微型压力传感器利用膜片产生的位移使电容量发生变化的效应，由于它所产生的电容量和电容变化量很小，因而常要求用蚀刻法集成与之相连的信号处理电路。图5.10为一种集成电容式微型传感器的结构，整个传感器采用体硅工艺制造而成，其中金属化膜片层形成一个活动电极，敏感被测压力，并与金属化固定电极形成一电容器。2．电容式微型流量传感器电容式微型流量传感器一般利用流体流动过程中形成的压力差促使电容传感器极板间距的改变来达到测量流量。图5.11是基于压差作用的电容式微型流量计的原理图。在传感器壳体的基底和上膜片上分别有一金属电极，两者形成电容器的两极板。由于流体流入的作用，入流和出流端会形成压差，该压差会改变膜片电极相对于固定电极的位置，从而改变电容器的电容。通过测量电容量或极板间距的变化便可知道流体的流速和流量。图5.10电容式微型压力传感器的结构5.3.2电感式微型传感器电感式微型传感器的典型应用是微型磁通门式磁强计，其作用原理如图5.12所示。磁通门式磁强计由绕向相反的一对激励线圈和检测线圈组成，磁芯工作在饱合状态。被测磁场为零时，在激励线圈中通以正弦交变电流，由于两磁芯上的线圈绕向相反，故在磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在检测线圈中无电压被检测到。而被测磁场不为零时，由于磁场叠加的结果，使两个磁芯中的磁场对称性受到破坏，从而在检测线圈中检测到产生的感应电动势。图5.11电容式微型流量计图5.12磁通门式磁强计工作原理微型磁通门式磁强计的制作方法主要有两种，一种是使用各异性腐蚀法在硅片上制作一凹槽，并用电子束光刻直接在槽内制作金属线圈，然后用电镀工艺制作棒状磁芯。另一种工艺并不刻蚀凹槽结构，而是将整个螺线管线圈制作在衬底上，因此工艺相对简单，而且也可将传感器的接口电路与线圈集成在一块芯片上。5.3.3压阻式微型传感器压阻式微型传感器的作用原理是半导体材料的压阻效应。所谓半导体的压阻效应是指单晶半导体材料沿一轴向受外力作用时，其电阻率

发生变化的现象，其灵敏度远远大于金属丝应变片的灵敏度。压阻式微型传感器的典型应用是用来测量压力，如图5.13所示。在硅基框架上形成硅薄膜层，通过扩散工艺在该膜层上形成半导体压敏电阻。膜片受压力作用时，引起压敏电阻的阻值变化，经与之相连的电路可将这种阻抗的变化转换为电压值的变化。图5.13压阻式微型传感器作用原理图5.14所示为专用于管道和容器中测压的微传感器测量单元。其中硅片微型传感器被置于一油室中，被测压力经一弹性钢膜片传至内室中，由微型传感器来加以测量。该配置方式可以消除硅片上应力集中的影响。这种压阻式传感器适合用于压力或差压的测量，测量范围从几Mpa到几百Pa。5.3.4热敏电阻式微型传感器热敏电阻式微型传感器主要用来测量气体的流量和流速，其工作原理和结构如图5.15所示，其中的薄膜片用导热性能差的材料（如氮化硅或二氧化硅）组成，在膜片上配置有两个加热电阻和两个热敏测量电阻，流经膜片的被测气体在流过测量电阻时，会给两个电阻带来热量（加热）或带走热量（冷却），测量电阻上的温度差即是气体流速或流量的一个度量。1—钢膜片；2—油室；3—硅片；4—电连接密封装置图5.14压阻式微型传感器结构图5.16所示为一种测量气体热导率的微型传感器。该传感器由热源、温度探头所组成，图中的热源由绝热材料膜片（如Si3N4）所形成，沉热槽则用MEMS工艺制成的微结构硅片组成。操作时可加恒定的加热电压或加热功率，也可使膜片具有恒定的温度。在后者的情况下，加热功率随热导率的增加而增加，这样加热功率便是热导率的一个度量。在硅片上开有多个孔形成沉热槽，基片上则设有通道让被分析气体进入。

图5.15微型流量计结构截面图图5.16微型热导率测量传感器5.4集成传感器集成传感器是将传感元件、测量电路以及各种补偿元件等集成在一块芯片上，它体积小，重量轻，功能强，性能好。例如，由于敏感元件与放大电路之间没有了传输导线，减小了外来干扰，提高了信噪比；温度补偿元件与敏感元件处在同一温度下，可取得良好的补偿效果；信号发送和接收电路与敏感元件集成在一起，使得遥测传感器非常小巧，可置于狭小、封闭空间甚至置入生物体内而进行遥测和控制。目前广泛应用的集成传感器有集成温度传感器、集成压力传感器、集成霍尔传感器等。将若干种不相同的敏感元件集成在一块芯片上，制成多功能传感器，可以同时测量多种参数。智能传感器（SmartSensor）是在集成传感器的基础上发展起来的，它是指那些装有微处理器的，不但能够进行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑分析和结论判断的传感器系统。智能化传感器利用集成或混合集成的方式将传感器、信号处理电路和微处理器集成为一个整体，一般具有自补偿、自校准和自诊断能力以及数值处理、信息存储和双向通信功能。5.4.1集成温度传感器集成温度传感器是将温度传感器、放大电路、温度补偿等功能集成在同一块极小的芯片上而制成的，可以完成温度测量及信号输出功能的专用IC。按输出的信号可以分为模拟集成温度传感器和数字集成温度传感器。集成模拟温度传感器是最简单的一种专用于测量温度的集成化传感器。按照其输出方式的不同，集成模拟温度传感器可分为电流输出型和电压输出型，它们输出电压（电流）与摄氏温度成正比。电流输出型的输出阻抗极高，可以简单地使用双股胶线进行数百米远的精密温度遥感或遥测（不必考虑长线上引起的信号损失和噪声），也可以用于多点温度测量系统中且不必考虑选择开关或多路转换器引入的接触电阻造成的误差。常见的电流输出型集成模拟温度传感器有AD590,AD592,LM334等类型。电压输出型的优点是直接输出电压，且输出阻抗低，容易读出、控制电路接口，因而设计电路相对简单。常见的电压输出型有TMP35/36/37,LM35系列，LM135系列等。近几年还研制出了周期输出型集成温度传感器，频率输出式集成模拟温度传感器和比率输出式集成模拟温度传感器，这三种亦称为增强型集成模拟温度传感器型。集成数字温度传感器也叫智能温度传感器，它是在集成模拟温度传感器的基础上发展而成的。它将温度传感器、A/D转换器、寄存器、接口电路集成在一个芯片中，功能强大的还包含中央处理器、只读存储器、随机存储器的形式输出被测数值。其测量误差小，分辨率高，阻抗高，抗干扰能力强，能远程传输数据。用户可以根据需要设定温度的上限和下限，设置自动报警功能并自带串行总线接口，适配各种微控制器，以及温度控制、报警装置等。与模拟式最大的不同是它采用了数字化技术，能远程传输数据。智能温度传感器广泛用于温度测量、多路温度测控、计算机等现代办公设备及家用电器中。下面以AD590传感器为例介绍集成温度传感器1．AD590传感器性能特点AD590传感器是由美国哈里斯（Harris）与模拟器件公司（ADI）等生产的恒流源式集成温度传感器。具有测温误差小，动态阻抗高，响应速度快，传输距离远，体积小，微功耗等优点。适合远距离测温控温，不需要进行非线性校准。不同公司产品的分档情况及技术指标可能会有差异。由ADI公司生产的AD590，有AD590J/K/L/M四档。这类器件的外形与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，2脚为负极，3脚接管壳。使用时将3脚接地，可以起到屏蔽作用。表5.2为AD590的主要技术参数。2．AD590的测温误差AD590的测温误差主要有校准误差和非线性误差。其中校准误差是系统误差，可以通过硬件或软件处理加以消除。如果配合可调零与调满度（两点可调）的电路，可以使上述两项误差降到最低。常用的补偿方法有两种：单点调整和双点调整。

参数IJKLM工作电压+4～+30V25℃电流输出298.2

A温度系数1

A/K25℃可校正误差

10℃

5.0℃

2.5℃

1.0℃

0.5℃非线性误差

3.0℃

1.5℃

0.8℃

0.4℃

0.3℃长期漂移

0.1℃输出阻抗＞10M

+4～+5V0.5

A/V+5～+15V0.2

A/V+15～+30V0.1

A/V最大正向电源+44V最大反向电源-20V表5.2AD590主要电气参数表单点调整的方法如图5.17所示，这是一种最简单的方法，只要在外接电阻中串联一个可变电阻RW即可。在25℃时，调节可变电阻，使电路输出电压值为298.2mV。由于一点调整仅仅是对某一温度点进行调整，所以在整个温度泛围内仍然存在误差。至于这一调整点选在什么温度值好，要看使用范围来定。双点调整法如图5.18所示，它不仅能调整校正误差的大小，而且还能调整斜率误差，提高测量精度。图中AD581是10V的基准电压源，在0℃和100℃两点进行调整，通过运算放大器，使输出电压的温度系数为100mV/℃。先使AD590处在0℃，调节RW1使输出V，再使AD590处入100℃中，调节RW2使输出V。

图5.17单点调整电路图5.18双点调整电路3．AD590的应用把AD590与一个阻值为1k

的电阻串联，即得基本温度检测电路。在1k

的电阻上得到正比于绝对温度值的电压输出Uo，其灵敏度为1mV/k。由于AD590的动态电阻值高，因而这种电路可用一般双胶合线进行远距离测量。另外还可用多支AD590进行温度测量，如图5.19所示。图5.19AD590应用电路（1）串联测量与并联测量。图5.19（a）是串联测量，这时电阻R上的电流是三个中最小的，可以测出最低温度值；图5.19（b）是并联测量，可以测出三个器件温度的平均值。（2）温差测量。利用两块AD590，按照图5.19（c）所示的电路可组成温差测量电路。两块AD590分别处于两个被测点，其温度分别是T1、T2，由图可知：（5-1）这里假设两AD590有相同的标度因子KT，则运放的输出电压U0为：（5-2）式中，KT

、R3可看成整个电路的标度因子，可见R3对Uo有很大的影响。但是由于感温元件的制作工艺使得其不能完全满足相同的温度标度因子，为此电路中引入了电位器Rw，通过电阻R1注入一个电流予以校正。5.4.2智能压力传感器智能压力传感器也称为数字式压力测量仪，它是把敏感元件（常用的压力传感器）和信号处理电路集成在一起，并把被测压力以数字的形式输出或显示的仪器。例如，可选用摩托罗拉MPX700DP压差传感器作为敏感元件，设计成测量并显示压力的测量装置。图5.20传感器的结构及外部连接1．压力传感器的基本结构和特性图5.20所示为压力传感器硅片的俯视图，应变电阻成对角状置于膜片边缘，电源电压由交叉管脚l和3接入，敏感电阻（其阻值随被测压力大小的变化而变化）上形成的电压由交叉的2、4脚输出。MPX700DP传感器的电源电压为3V，在任何情况下不要超过6V。当压力端口的压力高于真空端口的压力时，出现在2、4脚的压差电压为正。当采用3V电源供电时，满量程时电压输出为60mV。当零压力加于传感器上时，仍存在一些输出电压，这个电压称为零点偏差。对于MPX700系列传感器，零点偏差电压在0～35mV范围内，零点偏差电压可由合适的仪表放大器通过调零解决。输出电压随输入压力而线性变化。2．温度补偿MPX700DP传感器的输出电压受环境温度影响，为此需进行一定补偿。温度补偿的方法较多，最简单的方法是在传感器与电源之间串联电阻，如图5.20中的外接电阻R就可起到温度补偿的作用。实际使用时，可采用如图5.21所示的电路，图中R5和R13为温度补偿电阻，在0℃～80℃的温度范围内可获得满意的补偿效果。由于传感器的桥驱动电压要求为3V左右，而提供的一般稳压电源为15V，所以在电路串联电阻后，既起到温度补偿的效果，又可对电源电压降压，以满足传感器的电压要求。图5.21数字压力测量仪电路图需要注意的是，由于传感器的输出电压与电源电压具有比例关系，所以15V的电压务必要求稳定。在很多应用中，一般15V稳压芯片均可提供所需的稳定电源电压。用串联电阻法进行温度补偿时，其中一个电阻的值须为传感器电桥输入电阻的3.577倍（25℃），而传感器的电桥输入电阻为400～500

，这样补偿电阻将为1431～1967

。如果需要补偿的量大于±0.5%或使用温度低于80℃，那么400～500

中的任何一个值都可用于对补偿电阻的换算。3．传感器放大电路由于MPX700DP传感器的输出电压为mV级，为了将传感器的输出电压进行放大以驱动后续的电路，在测量电路中必须使用放大器。放大器除了放大传感器的输出电压外，还提供零压力情况下传感器零点偏差电压。整个电路如图5.21所示。为达上述目的，电路采用了3个运算放大器（均采用LM324），具有高输入阻抗的运放和可保证不会增加基本传感器的负载。放大器的增益可通过电位器R6进行调节，以满足满量程时应达到的输出。图5.21中放大器的增益可表示为：

(5-3)式中，A为电路的增益；R为R6、R7之和；B为电路中R9、R10和R12的具体阻值。由上式可知，当R为无穷大时，增益的最小值为2。放大器可提供100或更高增益（通过调整R6），但在本测试仪中，放大器增益需限制在2.4～5.3之间，以适应传感器的满量程范围。分压器由电阻R15，R16和R17构成，以提供IC1B的反向输入端的可调电压。由于IC1B的增益小于1，故此电压经IC1B后，幅度减小。然后再将其加到A/D转换器上，这样可减小由于传感器误差电压带来的不良影响．同时也可以使当压力为零时，显示装置相应显示为零。放大器的差分输出取自LM324的7脚和8脚，输出信号经A/D转换器后形成相应的数字输出。4．A/D转换器A/D转换器采用一块高性能的ICL7106CPL型A/D转换器芯片（IC2），将运算放大器差分输出的模拟电压转换成相应的数字量。显示部分采用2块LCD显示器。IC2内有7段数字译码器、显示驱动电路、频率产生器、参考电压和时钟。芯片可直接驱动3位半的LCD，而不需要多路选择式的显示方式。只是在本测试仪中，LCD的最高位和最低位数字未全被利用。但如果需要较大的范围或较高的分辨率时，未使用的芯片端口可再连接一位半的附加数字显示位。如果IC2的30脚和3l脚的模拟差分输入等于35脚和36脚参考电压两倍的话，IC2可达到满量程输出。在本测试仪中，分压网络由R2、R3和R4组成，通过对5V电压分压以提供合适的参考电压（238mV）。当压力为100Pa时，应出现最大数字显示，所以IC2最大模拟输入电压为238mV，这样放大电路的增益必须为238/60，即大约为4。当压力超过100Pa时，低两位数字被读出并予显示。IC2还可以对模拟输入的正和负做出响应，由20脚产生相应的极性指示。如果需要的话，电路可用于正、负不同的压力测量，用20脚的极性输出指示负压力。5．电路装调及压力连接压力传感器需小心安装于PC板上（有缺口的管脚为1管脚），并使用合适的工具和螺钉紧固传感器。注意不要过紧，以免损坏塑壳。为了保证稳定，除R5、R11和R8外，均应采用金属膜电阻。用于压力测量时，最靠近4脚的端口接入待测压力，即为如图5.22所示的Pl口，其余端口开放（即接入大气压）；真空测量时，则使用端口P2，同时相反的端口开放（即接入大气压）。当该装置用于测量压差时，两个端口均要用到。当端口P1的压力高于端口P2的压力时，压力读数为正，其值为两端口压力差。同时A/D转换器的20脚将输出其极性指示。端口与端口的连接须用夹子夹紧压力管，如果夹具不可靠，则压力管有可能会突然脱落。图5.22测量仪的连接方式6．校准电路的校准包括零点校准（R16）和满量程校准（R6）两个方面。校准时，需要压力可达100Pa的压力源和精确的压力表。由于传感器的输出电压与电源电压的大小密切相关，所以电路校准必须使用标准15V电源。任何电源的变化都会引起校准误差。当启动测量装置后，在零压力时，通过调节R16使输出显示值为零。注意：当R16调过零的任何一边时，读数都会偏离零。将传感器接入压力源。使用已知精度的压力仪表，调节压力源使其指向100Pa。调节R6