光电耦合器件.ppt

1、3.9.3 光电耦合器件,光电耦合器（光电隔离器）是利用发光元件与光敏元件封装为一体而构成电光电转换的器件。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,（1）光电隔离器 光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。 选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目的来确定当然在实用中都应尽量选用结构简单的组合形式的器件，且无论选用何种组合形式，均要使发光元件与接收元件的工作波长相匹配，保证器件具备较高的灵敏度。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,光电隔离器主要应用与以下几个方面： 1）将输入与输出端两部分电路的地线分隔

2、开，并各自使用一套电源供电,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,2）实现电平转换。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,3）提高驱动能力。采用如达林顿电路和可控硅 输出型等形式的光电隔离器，不但可以实现隔离作用，而且还具有较强的带负载的能力，利用这类光电隔离器，微机输出信号可以直接驱动负载。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,（2）光电开关 光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化，并以此来实现控制的一种电子开关。对金属或非金属都能作出反应，无机械磨损，无电火花，是一种安全、可靠、长寿命、无触点的开关。在一些简单的自动控制场合，因输入信号往往是开关信号（高电平或低

3、电平），其控制量也是开关量，即接通电源或断开电源等，故可用电子开关在一定距离内检测物体的有无。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,下页3.9.3 光电耦合器件,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,光电开关以其结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,下页,上页,返回,3.9.3 光电耦合器件,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,电荷耦合器件(ChargeCoupled Devices，简称CCD)是一种在70年代初问世的新型半导体器件。利用CCD作为转换器件的传感器，称为

4、CCD传感器，或称CCD图像传感器。,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,CCD器件有两个特点：一是它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷。二是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点。,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,MOS光敏元结构及其势阱,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件

5、（CCD）,（1）电荷耦合器件原理 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。 CCD最基本结构是一系列彼此非常靠近的相互独立的MOS电容器，它们按线阵或面阵有规则地排列，且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化物，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,2）读出移位寄存器,a) 势阱耦合与电荷转移,b) 控制时钟波形图,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,（2）CCD传感器的应用 CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的

6、光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，并输出放大器输出。依照其光敏元件排列方式的不同，CCD传感器主要分为线阵、面阵两种。,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,在非电量的测量中，CCD传感器的主要用途大致可归纳为以下三个方面： 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。 3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例

7、如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可再加一滤光片。 利用几何光学知识，可以很容易地推导出被测对象长度L与系统诸参数之间的关系：,下页,上页,返回,3.9.4 电荷耦合器件（CCD）,下页,上页,返回,3.9.5 光电式传感器,光电式传感器的工作原理如图3.84所示。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电传感元件变换成电信号。 这种传感器具有结构简单、隔离性能好、可靠性高、体积小、重量轻、价廉、灵敏度高和反应快等优点。在自动化、检

8、测技术领域应用非常广泛。,下页,上页,返回,3.9.5 光电式传感器,下页,上页,返回,3.9.5 光电式传感器,（1）光电传感器的分类 按光电传感器输出量的性质，可以分为模拟式和开关式二大类。,下页,上页,返回,3.9.5 光电式传感器,2）开关式光电传感器 该类传感器的输出信号对应于光电元件“有”、“无”受到光照两种状态，即输出特性是断续变化的开关信号。这类传感器要求光电元件灵敏度高，而对元件的光照特性的线性要求不高。在自动计数、光控开关、光电编码器、光电报警装置及其它光电输入设备等应用场合有广泛的使用。,下页,上页,返回,3.9.5 光电式传感器,光电转速测量装置工作原理示意图,下页,上

9、页,返回,3.10 霍尔式传感器,3.10.1 霍尔效应 3.10.2 霍尔元件 3.10.3 霍尔式传感器的组成 3.10.4 测量误差补偿,下页,上页,返回,3.10.1 霍尔效应,把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。,下页,上页,返回,3.10.1 霍尔效应,一块长为 ，宽为 ，厚度为h的N型半导体，在半导体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作

10、用，根据物理学知识 （3.80） 式中 电子的电荷量，； 半导体中电子的运动速度； 磁场的磁感应强度。,下页,上页,返回,3.10.1 霍尔效应,方向如图中所示。在力 的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场 ，即霍尔电场。此时霍尔电场 两端之间的电位差 （霍尔电势）为,下页,上页,返回,3.10.1 霍尔效应,霍尔电势与磁感应强度B和激励电流I成正比，与霍尔片厚度长反比，因而在实际应用中为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片形状。 电子（或空穴）迁移率 材料的电阻率。,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件

11、,（1）霍尔元件的结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成（如图3.89所示）。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件,霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件,1）测量电流I 在一定温度下，对于一确定的霍尔元件，当磁感应强度B保持恒定时，电流I的变化可引起霍尔电势

12、相应的线性变化。则可通过测量霍尔电势来测得电流I或者跟电流I有关的其他物理量。,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件,2）测量磁感应强度B 当激励电流I一定时，霍尔电势 与磁感应强度B成正比。根据这一关系可利用霍尔元件来测量交、支流磁感应强度、磁场强度或者跟磁感应强度、磁场强度有关的其他物理量（如非接触式测电流）等。,下页,上页,返回,3.10.2 霍尔元件,3）功率测量 如果激励电流为I1，磁感应强度B由激励电流I2产生，则式（3.88）可转化为 （3.90） 式中 K 转变系数。 则可根据式（3.90）中的乘法关系将霍尔元件与其他器件组合成乘法器、开方器、平方器等，故可用来测量功率。,

13、下页,上页,返回,3.10.3 霍尔式传感器的组成,利用霍尔元件实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，霍尔式传感器通常由霍尔元件、加在元件上的激励电源、产生磁场的装置和输出测量电路等基本构成。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装是否合理等。测量误差一般表现为零位误差和温度误差。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,1）不等位电势 如图3.94所示，由制造工艺缺陷造成不等位电势出现的主要原因有：,下页,上页,返回

14、,3.10.4 测量误差补偿,2）寄生直流电势 当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时，霍尔电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量，此直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的主要原因有： 激励电极与霍尔电极接触不量，形成非欧姆接触，造成整流效果； 霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点的热容量不同而引起温差，产生内部温差电势。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,（2）温度误差及补偿 由于霍尔元件是由半导体材料制成的，因此它的许多参数如载流子浓度、电子迁移率、电阻率等都具有较大的温度系数。当温度变化时，这些参数值都会发生变化，根据式（3.85）、式（3.88）和式（3.89）

15、可知，温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。为了减小温度误差，除了采用温度系数小的材料作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可以采取其他适当的补偿电路。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,1）恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,对于一确定的霍尔元件，可根据 、 、 来确定补偿电阻 的大小。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,2）恒压源供电和输入回路串联电

16、阻 当霍尔元件采用恒压源供电时，且霍尔输出端处于开路状态，可在输入回路中串联补偿电阻R来进行补偿，补偿电路如图3.97所示。,下页,上页,返回,3.10.4 测量误差补偿,下页,上页,返回,3.11 光纤传感器,3.11.1 光纤的结构和传光原理 3.11.2 光纤传感器基本原理及类型 3.11.3 光纤传感器的调制 3.11.4 光纤传感器的应用,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,（1）光纤的结构 光导纤维，简称光纤，是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构包括纤芯、包层和涂敷层等，它的结构如图3.99所示。,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和

17、传光原理,2）光纤的传光原理 根据几何光学理论，当光线以某一较小的入射角l，由折射率较大的光密物质射向折射率较小的光疏物质时，则一部分入射光以折射角2折射入光疏物质，其余部分以l角度反射回光密物质，根据光的折射定律，光折射和反射之间关系为：,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光才能在光纤内传播，形成驻波的光线组称为模；它们是离散存在的，即某一种光纤只能传输特定模数的光。 一般用麦克斯韦方程导出的归一化频率f作为确定光纤传输模数的参数。f的值可由下式确定：,下页,上页,返回,3.11

18、.1 光纤的结构和传光原理,（3）光纤的分类 1）根据光纤的折射率的分布函数分类 根据光纤纤芯折射率分布，主要有阶跃型（Step Index Fiber）和梯度型（Graded Index Fiber）两大类。,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,按传输模数分类 可以分为单模光纤和多模光纤两大类。 单模光纤通常是指阶跃型光纤中纤芯直径很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。这类光纤传输性能好，频带很宽，具有较好的线性。但因芯小，较难以制造和耦合。,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,按材料

19、分类 高纯度石英（Si02）玻璃纤维。这种材料的光损耗比较小，在1.2m的波长处，最低损耗约为0.47dB/km。包层采用硼硅材料的锗硅光纤，其损耗约0.5dB/km。 多组分玻璃光纤。用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠(Sodium borosilicate)玻璃光纤在=0.84m时，最低损耗为3.4dB/km。 塑料光纤。用人工合成导光塑料制成，损耗较大。当0.63m时，这种光纤的损耗达到100200dB/km，但由于此类光纤重量轻、成本低、柔软性好，在短距离导光的场合还是适用的,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,按用途分类 通迅光纤。用于通迅系统，大多使用光缆。

20、非通迅光纤。这类光纤有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤和多模梯度光纤等几类。,下页,上页,返回,3.11.1 光纤的结构和传光原理,按制作工艺分类 应用化学气相沉积法(CVD)或改进化学气相沉积法(MCVD)的工艺制作高纯度石英玻璃光纤。 应用双坩埚法或三坩埚法工艺制作多组分玻璃光纤。,下页,上页,返回,3.11.2 光纤传感器基本原理及类型,光纤传感器基本原理 光纤传感器的基本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、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

21、，获得被测参数。 由于光纤既是一种电光材料，又是一种磁光材料，即同电和磁存在着某些相互作用的效应，故可以说光纤兼具“传”和“感”的两种功能。,下页,上页,返回,3.11.2 光纤传感器基本原理及类型,光纤传感器的类型 按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器（Non Functional Fiber），简称NFF型传感器；另一类是传感型，或称功能型光纤传感器（Functional Fiber），简称FF型传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。,下页,上页,返回,3.11.2 光纤传感器基本原理及类型,光纤传感器具有以下主要的特点： 1

22、）光纤传感器不受电磁场的干扰。当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，所以信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，特别适用于电力系统。 2）光纤传感器的绝缘性能高。光纤是不导电的非金属材料，其外层的涂敷材料硅胶也不导电，因而光纤绝缘性能高，很方便测量带高压设备的各种参量。 3）光纤传感器放爆性能好，体积很小、重量轻、耐高压、耐腐蚀。在光纤内部传输的信号能量很小，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，适用于恶劣条件下的非接触式、非破坏性、远距离测量。,下页,上页,返回,3.11.2 光纤传感器基本原理及类型,4）光纤传感器信息传输量大、导光性能好、灵敏度高，对传输距离较短的光纤传感器来说，其传

23、输损耗可忽略不计。 5）光纤细而柔软，可以制成非常小巧的光纤传感器，广泛地应用于位移、温度、压力、速度、加速度、液位、成分、流量等物理量及其他特殊对象和场合的参数测量中。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,光纤对许多外界参数又一定的效应，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。从前面光纤传感器结构及工作原理的分析，可知光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，而调制的原理就能代表光纤传感器的机理。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,强度调制型光纤传感器工作原理是：光

24、源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,图3.104所示为微弯传感头工作原理图。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,由入射光纤射出的光，经反射屏反射到出射光纤被接收。相当于入射光纤在反射屏另一侧的虚像(源光纤像)发出的光被出射光纤接收。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,实用中的光强调制型传感器多采用多模阶跃型光纤，光纤纤

25、芯直径为0.2mm，数值孔径为0.5，光源一般采用发光二极管。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,相位调制 采用相位调制方法的光纤传感器，是利用光的相位变化、使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量的原理。根据调制机理不同，可分为两类:一类是将机械效应转变为相位调制；另一类是纯光学效应相位调制。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,机械效应相位调制 机械效应相位调制是将由应变、位移及水声压等被测量引起敏感器件变化，转换为光纤的光学量的变化，例如折射率变化，从而使光波的相位变化，并利用参考光纤和可变光纤中两束光进行叠加干涉。

26、,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,机械效应的全光纤传感器由信号光纤(信号臂)和参考光纤(参考臂)组成，也称全光纤马赫泽德尔（Mach Zehnder）干涉仪式传感器。参考臂放在不受外界干扰的保护器内，信号臂绕在敏感器件上。在不受外界因素干扰下，两臂光学参量一致。由同一单色激光分成二束等强度光分别通过信号光纤和参考光纤到达探测器。无机械变化时，能得到分辨率(对比度)最高的干涉条纹。当信号光纤的敏感部分的参数变化时，如绕在其上的光纤受纵向拉伸，使其径向尺寸发生变化，则信号光纤的折射率变化，光信号在光纤中传播的光程也会发生改变，从而改变了参考光纤和信号光纤中两束光的光程差，其结果是

27、干涉条纹的对比度将改变。这种方式，没有或很少有造成激光器不稳定噪声的返回光，避免对干涉测量的不利影响。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,纯光学效应相位调制可将转动、压力等被测量直接转变为光纤的光学量变化，使光波相位变化，从而获得干涉条纹的变化。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,频率调制 频率调制并不以改变光纤的特性来实现调制，光纤往往只是作为传输光信号的介质而非敏感元件。目前，频率调制的机理主要是利用光学多普勒效应，即单色光射到被测物体上反射回来的光频率发生变化。例如，当频率为的单色光照射到相对速度为v的运动

28、物体上，则反射光的频率表示为：,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,实际系统中参考光是在光纤端面A处反射回来的光，这束光与被粒子散射回的光在返回途中混频。同时，为了消除从发射透镜L1和光纤前端面B处反射回来的光，在光电探测器前加装一块偏振片R，使光电探测器只能检测出与原光束偏振方向相垂直的偏振光。,下页,上页,返回,3.11.3 光纤传感器的调制,下页,上页,返回,3.11.4 光纤传感器的应用,作为20世纪70年代中期出现的一种新型传感器，光纤传感器是对以电信号为基础的传统传感器的变革。通过前面对光纤传感器工作原理及特点的介绍，可知光纤可以被应用到种类繁多的应用场合，目前的工程

29、应用中，光纤可以构成位移、应变、压力、速度、加速度、转矩、角速度、角加速度、温度、电流、电压、浓度、流量、流速，以及磁、光、声、射线等近百种物理量检测的传感器，所以光纤传感器可被称为万能传感器。当然，光纤传感器在开发过程中还有不少实际困难，如噪声源、检测方法、封装、光纤的被覆等问题。因此，光纤传感器的实用化仍在进行中。,下页,上页,返回,3.11.4 光纤传感器的应用,图3.110所示为光纤位移测量的原理图。,下页,上页,返回,3.11.4 光纤传感器的应用,光纤电流传感器,下页,上页,返回,3.11.4 光纤传感器的应用,光纤液位传感器,下页,上页,返回,3.12 超声波传感器,3.12.1

30、 超声检测的物理基础 3.12.2 超声波传感器原理与结构 3.12.3 超声波传感器基本应用电路,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,波是振动在弹性介质中的传播。通常把振动频率在16Hz以下机械波称为次声波，振动频率在1620kHz之间机械波称为声波，振动频率20kHz以上的机械波称为超声波。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象，下面分别给予介绍。,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,波的反射和折射,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,超声波的波型及其转换 当声源

31、在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波形也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波；质点振动方向与传播方向垂直的波称为横波；质点振动介于纵波和横波之间，沿表面进行传播的波型称为表面波；根据介质厚度与波长之比与质点振动方式和传播速度的不同，表面波又分为瑞利波和拉甫波。其中，纵波能够在固体、液体和气体介质中传播，而横波、表面波只能在固体介质中传播。,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射外，将会产生横波的反射和折射，如图3.114所示。在

32、一定条件下，还会产生表面波，各种波形均符合几何光学中的反射定理，即,下页,上页,返回,3.12.1 超声检测的物理基础,声波在多层平面中的穿透 用声波进行检测时，经常遇到声波通过多层平行界面的情况（如复合板的探伤、耦合层的问题等）。当声波由一种介质内传来、通过第二种介质传到第三种介质中去的时候，就要通过二个界面。在本小节中仅考虑第二种介质是一平行板状介质且声波是垂直入射情况。,下页,上页,返回,3.12.2 超声波传感器原理与结构,超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强，在实际上得到广泛应用。超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置

33、能够发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。,下页,上页,返回,3.12.2 超声波传感器原理与结构,按作用原理不同，超声传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中以压电式最为常见。下面主要介绍压电式探头，其主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。 （1）工作原理 由本章压电式传感器节可知，对面积为A的压电片加上应力 后，则在两电极表面产生正比于的电荷 和 ，则有,下页,上页,返回,3.12.2 超声波传感器原理与结构,纵波探头 纵波探头是用于发射和接收纵波，其结构如图3.116所示。他主要是由保护膜、压电晶片、吸收块（阻尼块）、外壳、电器接插件等组成。,下页,上页,

34、返回,3.12.2 超声波传感器原理与结构,横波探头 横波探头是用于发射和接收横波，主要利用波形转换现而制作的,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,检测电路由超声波发射电路、超声波接收电路和检测报警电路组成。 超声波传感器发射电路,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,555振荡器 时基电路555组成40kHz振荡器受复位端电平的控制，当时，振荡器停振，当时振荡器振荡。而的电平由SR双稳态电路的控制。555的振荡频率为,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,2）SR双稳电路 SR双稳电路由四或非门4001组成。其R端接6分频电路40

35、17的输出端“5”（1脚），S端则由低频脉冲发生器的输出控制。 3）低频脉冲发生器 低频脉冲发生器由或非门4001组成，这个电路是在典型的振荡器基础上加了和，他使电路处于高电平时间缩短，所以其输出波形上一系列短促的窄正脉冲，这点是很重要的，因为双稳态电路比较简单，只有对不重叠的“置位”和“复位”脉冲才能正常工作。其振荡频率约为 HZ,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,4）6分频器,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,超声波传感器接收电路 超声波传感器一般用于检测反射波，超声波从产生发射到接收要经过一段距离，能量衰减较大，超声传感器接收到的信号极其微

36、弱，转换成电压后一般最大约1V，最小约1mV。为此，其电路通常是由交流放大器、触发器、6分频电路和SR双稳电路组成 。,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,超声波收发信号两用电路,下页,上页,返回,3.12.3 超声波传感器基本应用电路,报警电路,下页,上页,返回,3.13 微波传感器,3.13.1 微波的基本知识 3.13.2 微波传感器及其分类 3.13.3 微波传感器的优点与存在问题 3.13.4 微波传感器的应用,下页,上页,返回,3.13.1 微波的基本知识,微波的性质与特点 微波是指波长为1m1mm的电磁波，它既具有电磁波的性质，但却又不同于普通无线电波和光波

37、。相对于波长较长的电磁波，微波具有下列特点： 1）定向辐射的装置容易制造； 2）遇到各种障碍物易于反射； 3）绕射能力差； 4）传输特性好，在传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小； 5）介质对微波的吸收与介质介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强。,下页,上页,返回,3.13.1 微波的基本知识,微波振荡器与微波天线 微波振荡器是用来产生微波的装置。由于微波波长很短，而频率又很高（300MHz300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。,下页,

38、上页,返回,3.13.2 微波传感器及其分类,微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。,下页,上页,返回,3.13.2 微波传感器及其分类,（1）反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测物的位置、位移、厚度等参数。 （2）遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检

39、测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。,下页,上页,返回,3.13.3 微波传感器的优点与存在问题,（1）微波传感器的优点 由于微波本身的特点，决定了微波传感器具有以下优点： 1）可以实现非接触测量。因此可进行活体检测，大部分测量不需要取样； 2）检测速度快、灵敏度高、可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制； 3）可以在恶劣环境条件下进行检测，如在高温、高压、有毒、有放射线环境条件下工作； 4）输出信号可以方便地调制在载波信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。 （2）微波传感器存在的问题 微波传感器的主要问题是零点漂移和标定问

40、题，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波湿度（水分）传感器,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波液位计,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波物位计,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波测厚仪,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波温度传感器,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波定位传感器,下页,上页,返回,3.13.4 微波传感器的应用,微波多普勒传感器 利用多普勒效应可以探测运动物体的速度、方向与方位。

41、多普勒频移为 微波多普勒传感器的应用非常广泛，例如可将多普勒测速仪用于交通管制的车辆测速雷达；水文站用的流速测定仪；海洋气象站用以测定海浪与热带风暴；火车进站速度监控等。,下页,上页,返回,3.14 智能式传感器,3.14.1 概述 3.14.2 压阻式压力传感器智能化 3.14.3 智能传感器 3.14.4 智能结构 3.14.5 智能传感器的发展方向和途径,下页,上页,返回,3.14.1 概述,（1）智能式传感器的概念与形式 近年来微处理器技术得到迅猛发展和广泛应用，它在传感器技术中的应用，促使传感器技术产生了一个飞跃。由微处理器和传感器相结合构成的新颖传感器，即为智能式传感器（Smart

42、 Sensor）。所谓智能式传感器就是一种以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能的传感器。,下页,上页,返回,3.14.1 概述,传统的传感器只能作为敏感元件，检测物理量的变化，而智能式传感器则包括测量信号调理电路（如滤波、放大、A/D转换等）、数据处理、数据显示以及自校自检自补偿等功能。从结构上看， 框图。 智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统，图3.130为智能式传感器的原理,下页,上页,返回,3.14.1 概述,智能式传感器具有以下显著特点： 1）精度高 2）高可靠性与高稳定性 3）高信噪音比与高分辨率 4）双向通信功能 5）检测与处理方便 7）性能价格比高 6）功能广,下页,上页,返回,3.14.2 压阻式压力传感器智能化,智能式压阻压力传感器硬件结构,下页,上页,返回,3.14.3 智能传感器,智能传感器的英文名称为Intelligent Sensor 或S