信息转换与传输课件

1、青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 第一节第一节 信息转换信息转换 一、信息探测工程与智能传感器一、信息探测工程与智能传感器 1 1、人类认识事物的信息过程、人类认识事物的信息过程 人们认识和实践的过程，基本上就是信息获取、传递、处理、产生新信人们认识和实践的过程，基本上就是信息获取、传递、处理、产生新信 息，并以新的信息来控制对象的过程，即基本上是一个信息流通过程（又称息，并以新的信息来控制对象的过程，即基本上是一个信息流通过程（又称 信息过程）。信息过程）。 人类认识世界和改造世界的人类认识世界和改造世界的 一切活动中，无不牵涉到信息的交一切

2、活动中，无不牵涉到信息的交 换和利用。换和利用。信息是人类认识世界的信息是人类认识世界的 出发点出发点（事物是以什么方式在运动？（事物是以什么方式在运动？ 其运动状态如何？），其运动状态如何？），信息又是人信息又是人 类改造世界的归宿类改造世界的归宿（希望（希望事物以什事物以什 么方式运动？希望它处于怎样的运么方式运动？希望它处于怎样的运 动状态？）动状态？） 正如正如WienerWiener所说：所说：“信息这个名称的内容，就是我们对外界进行调节，信息这个名称的内容，就是我们对外界进行调节， 并使我们的调节为外界所了解时，而与外界交换来的东西。并使我们的调节为外界所了解时，而与外界交换来的东

3、西。” 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 2 2、人类感官获取信息的局限性、人类感官获取信息的局限性 人类通过感觉器官直接获取信息的实验表明人类通过感觉器官直接获取信息的实验表明, ,大脑的吸收率分别为：视大脑的吸收率分别为：视 觉觉83%；听觉；听觉11%；嗅觉；嗅觉3.5%；触觉；触觉1.5%；味觉；味觉1%。 人类感官获取信息的人类感官获取信息的局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能。 （1 1）感官机能）感官机能 视觉器官只接收视觉器官只接收0.380.78m的光信号，听觉器官只接收的光信号

4、，听觉器官只接收 2020kHz声信号。声信号。 （2 2）智力（或知识）结构）智力（或知识）结构 同一信源发出的信息，所产生的效果同一信源发出的信息，所产生的效果因人而异因人而异。 与人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。与人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。 （3 3）理性作用）理性作用 人的一生，每时每刻都在接受信息。然而，接受信息的方人的一生，每时每刻都在接受信息。然而，接受信息的方 式因人而异，一种是非自觉的，只单凭自身实践；而另一种则是主动积极地思式因人而异，一种是非自觉的，只单凭自身实践；而另一种则是主动积极地思 维。例如，一个懒汉与维。例如，一个懒汉与一个

5、立志成才的人的差异。一个立志成才的人的差异。 3 3、传感系统的一般模型、传感系统的一般模型 传感技术（传感技术（现代被称为现代被称为信息探测工程学）信息探测工程学）是研究物质的是研究物质的物理效应物理效应、 化学效应化学效应以及以及生物效应生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。，作为信息探测的实际应用的一门科学。 传感技术的多样性传感技术的多样性 信息的形式丰富多彩，要求有多种多样的感测手段信息的形式丰富多彩，要求有多种多样的感测手段 传感器应具有敏感性和选择性传感器应具有敏感性和选择性 敏感性敏感性是从信息化出发，探测微弱有用是从信息化出发，探测微弱有用 信息的要求；信息的要求；选择

6、性选择性是是从智能化出发，能从大量的噪声背景中提取有用信息。从智能化出发，能从大量的噪声背景中提取有用信息。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 ( (a) ) 简单感测系统模型简单感测系统模型 ( (b) ) 复杂传感系统模型复杂传感系统模型 传感系统的一般模型传感系统的一般模型 （1 1）简单感测系统简单感测系统 如温度如温度 计、风向标计、风向标 （2 2）复杂传感系统复杂传感系统 如雷达系统、声纳系统、遥感系统等。如雷达系统、声纳系统、遥感系统等。 为了识别信息为了识别信息 4 4、传感技术的发展、传感技术的发展 新型固体功能材料与功能元

7、件新型固体功能材料与功能元件的发展是的发展是新型传感器研发的新型传感器研发的物质基础物质基础；微微 电子技术电子技术为传感器的智能化提供了为传感器的智能化提供了技术基础技术基础。 传感技术发展的两个方向：传感技术发展的两个方向：扩展扩展感测信息的感测信息的谱域谱域和和提高提高识别信息的识别信息的智能智能 （1 1）扩展谱域扩展谱域 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 （a）视觉与光传感器视觉与光传感器 常见的声传感器是常见的声传感器是鼓膜式微声器鼓膜式微声器，例如电容式拾音器；最近代的是，例如电容式拾音器；最近代的是光纤声光纤声 压传感器压传感器

8、，它利用光纤中传输光的特性（例如位相）变化来获得传感功能。，它利用光纤中传输光的特性（例如位相）变化来获得传感功能。 可测频率范围可测频率范围人耳只能感知人耳只能感知2020kHz声信号。声信号。现代超声检测现代超声检测远远超远远超 过这一范围。例如，检测固体材料断裂时发出的声波的声发射检测技术过这一范围。例如，检测固体材料断裂时发出的声波的声发射检测技术(AE) 及研究生物（如鱼类、鸟类）语言的声检测装置等，及研究生物（如鱼类、鸟类）语言的声检测装置等，可测频率达数兆赫兹可测频率达数兆赫兹。 性性 能能人人 眼眼光光 传传 感感 器器 响应谱域响应谱域0.380.78m10-7m0.1m 响

9、应速度响应速度0.1s10-9s 对物体大小的分辨力对物体大小的分辨力0.1 0.2mm可放大可放大3030万倍，例如激光测长仪的分万倍，例如激光测长仪的分 辨力可达辨力可达1010-7 -7mm mm 远视距离远视距离数千米数千米可探知宇宙空间可探知宇宙空间 人眼对颜色的识别能力，对图像的立体感觉能力，还远远超过现有的所有光传感器人眼对颜色的识别能力，对图像的立体感觉能力，还远远超过现有的所有光传感器 （b）听觉与声压传感器听觉与声压传感器 听阈压力听阈压力在在1000Hz条件下，人耳的听阈压力为条件下，人耳的听阈压力为210-5Pa，而高灵敏微，而高灵敏微 音技术可拾取微弱的声音信息。音技

10、术可拾取微弱的声音信息。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 （c）触觉与与温度、压力传感器触觉与与温度、压力传感器 测温范围极大测温范围极大现今，温度传感器的测温范围从接近现今，温度传感器的测温范围从接近绝对零度绝对零度到核融等到核融等 离子体温度（离子体温度（约一千万摄氏度约一千万摄氏度）。）。 “电子鼻电子鼻”是利用半导体材料（是利用半导体材料（SnO，ZnO，Fe2O3等）的化学效应特性（当等）的化学效应特性（当 吸收了可燃性气体，如氢、烷、醚、醇、苯、沼气等，会发生还原反应），吸收了可燃性气体，如氢、烷、醚、醇、苯、沼气等，会发生还原反

11、应）， 来辨别气体。此外，来辨别气体。此外，味觉传感器味觉传感器用于辨别酸、甜、苦、辣，例如，甜度仪。用于辨别酸、甜、苦、辣，例如，甜度仪。 （d）嗅觉传感器嗅觉传感器 基于微电子技术基于微电子技术研发具有校正、变换、研发具有校正、变换、 统计处理、反馈等多种功能的、具有思统计处理、反馈等多种功能的、具有思 维、辨别能力的维、辨别能力的智能传感器智能传感器。 感温灵敏度极高感温灵敏度极高如测量极低温的约塞夫逊效应型热噪声温度计及核四如测量极低温的约塞夫逊效应型热噪声温度计及核四 重共振吸收量子效应型温度计，在重共振吸收量子效应型温度计，在- -2630C1800C，分辨力可达到，分辨力可达到0

12、.0010C。 （2 2）智能化智能化 在信息仿生学方面，传感技术向着信在信息仿生学方面，传感技术向着信 息化、智能化、综合化方向发展，开发息化、智能化、综合化方向发展，开发 人工信息系统、仿生系统人工信息系统、仿生系统 与微机结合，开发集信息转换、运算与微机结合，开发集信息转换、运算 及记忆和传输功能于一块硅片上的及记忆和传输功能于一块硅片上的多功多功 能智能传感器能智能传感器。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 此外，从工程应用的角度考察，还应注意传感技术的下列发展动向：此外，从工程应用的角度考察，还应注意传感技术的下列发展动向： （a）动

13、态测量）动态测量 如火箭发射、地质勘探、振动与噪声分析等瞬太变化物理如火箭发射、地质勘探、振动与噪声分析等瞬太变化物理 量的测量。量的测量。 （c）特殊环境下测量）特殊环境下测量 例如光纤传感器具有不受电磁干扰、以及绝缘、耐例如光纤传感器具有不受电磁干扰、以及绝缘、耐 水性等优良特性；核辐射传感器不易受到油污、水汽、高温等的影响；激光水性等优良特性；核辐射传感器不易受到油污、水汽、高温等的影响；激光 的高方向性、单色性测量距离、速度、加速度等不易受到环境噪声的干扰。的高方向性、单色性测量距离、速度、加速度等不易受到环境噪声的干扰。 （d）微观分析）微观分析 扫描电镜、扫描电镜、X射线衍射仪等打

14、开了人类对微观世界的探测。射线衍射仪等打开了人类对微观世界的探测。 （b b）远距离、非接触测量）远距离、非接触测量 如自动轧钢过程中检测钢板厚度的非接触式如自动轧钢过程中检测钢板厚度的非接触式 射线测厚仪，以及飞机上安装的声发射传感器，在驾驶室内可监视飞机构件射线测厚仪，以及飞机上安装的声发射传感器，在驾驶室内可监视飞机构件 的工作状况等。的工作状况等。 二、工程中的新型传感器二、工程中的新型传感器 “新新”体现的是体现的是20世纪世纪70年代以来，随电子技术、新材料的发展，而发展起年代以来，随电子技术、新材料的发展，而发展起 来的传感、检测技术。例如，来的传感、检测技术。例如，激光激光（6

15、0年代）、年代）、声发射声发射（60年代末）年代末）光纤光纤 （70年代）等。年代）等。 1 1、核辐射检测、核辐射检测 、X X射线射线 原理：原理：被测物质被测物质 被测物质对射线的吸收、散射被测物质对射线的吸收、散射 射线对被测物质的电离激发、射线对被测物质的电离激发、 穿透作用穿透作用 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 射线射线带带2 2个个正电荷正电荷的高速的高速 粒子流粒子流。 粒子的粒子的质量为质量为4.002775原子质量原子质量 单位，单位，从原子核中从原子核中以以2104km/s的速度的速度射出射出，其初始能量达，其初始能量

16、达(5(59)9)10106 6eVeV。 射线主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。射线主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。 核辐射检测装置核辐射检测装置: : 射射线线放射性物质发生放射性物质发生 衰变（衰变（衰变是原子核中的一个中子转变成一个衰变是原子核中的一个中子转变成一个 质子而放出一个电子的结果），质子而放出一个电子的结果），所释放出的高能量电子，所释放出的高能量电子，其质量为其质量为0.000549原原 子质量单位，速度达子质量单位，速度达2105km/s，能量，能量约约(0.13)106eV。粒子用于测量材粒子用于测量材 料厚度、密度等。料厚度、密度等。 射射线线是一种电

17、磁辐射。处于受激态的原子核常在极短的时间内是一种电磁辐射。处于受激态的原子核常在极短的时间内(10-14s) 将自己多余能量以电磁辐射将自己多余能量以电磁辐射(光子光子)形式放射出来，而使其回到基态。形式放射出来，而使其回到基态。射线射线的的 波长较短波长较短(约为约为10-8 10-10 cm)，不带电，能量约为几十万电子伏特。，不带电，能量约为几十万电子伏特。射线射线在物在物 质中的穿透能力很强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米。质中的穿透能力很强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米。 射线射线广泛应用于金属探伤、测大厚度等。广泛应用于金属探伤、测大厚度等。

18、X射线射线从原子核外的内层电子被激发放出的电磁波，波长从原子核外的内层电子被激发放出的电磁波，波长10-210-6m 一般由一般由射线源射线源、探测器探测器、电信号转换电路电信号转换电路、显示显示/ /记录装置记录装置四部分组成。四部分组成。 探测器工作原理探测器工作原理基于粒子辐射对物质的电离作用，或利用射线能使某基于粒子辐射对物质的电离作用，或利用射线能使某 些物质产生荧光的性质，再通过光电元件转换为电信号。一般常用的有：些物质产生荧光的性质，再通过光电元件转换为电信号。一般常用的有：比比 例计数管例计数管、盖革计数管盖革计数管、闪烁计数管闪烁计数管、半导体探测器半导体探测器等。等。 青岛

19、大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 1) 1) 比例计数器（原理与盖革计数器类似）比例计数器（原理与盖革计数器类似） 输出的电压脉冲大小输出的电压脉冲大小 入射射线电离产生的电子数目入射射线电离产生的电子数目 入射射线的能量入射射线的能量 2) 2) 盖革计数器盖革计数器 原理：原理：根据射线能使气体电离的性能制成。根据射线能使气体电离的性能制成。 两端用绝缘物质封闭的金属管内贮有低压气两端用绝缘物质封闭的金属管内贮有低压气 体，沿管的轴线装了金属丝，在金属丝和管体，沿管的轴线装了金属丝，在金属丝和管 壁之间用电池组产生一定的电压壁之间用电池组产生一

20、定的电压( (比管内气比管内气 体的击穿电压稍低体的击穿电压稍低) )，管内没有射线穿过时，管内没有射线穿过时， 气体不放电。当某种射线的一个高速粒子进气体不放电。当某种射线的一个高速粒子进 入管内时，能够使管内气体原子电离，释放入管内时，能够使管内气体原子电离，释放 出几个自由电子，并在电压的作用下飞向金出几个自由电子，并在电压的作用下飞向金 属丝。这些电子沿途又电离气体的其它原子，属丝。这些电子沿途又电离气体的其它原子， 释放出更多的电子。越来越多的电子再接连释放出更多的电子。越来越多的电子再接连 电离越来越多的气体原子，终于使管内气体电离越来越多的气体原子，终于使管内气体 成为导电体，在

21、丝极与管壁之间产生迅速的成为导电体，在丝极与管壁之间产生迅速的 气体放电现象。从而有一个脉冲电流输入放气体放电现象。从而有一个脉冲电流输入放 大器，并由接于放大器输出端的计数器接收。大器，并由接于放大器输出端的计数器接收。 计数器自动地记录下每个粒子飞入管内时的计数器自动地记录下每个粒子飞入管内时的 放电，由此放电，由此可检测出粒子的数目可检测出粒子的数目。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 3) 3) 闪烁计数管（由闪烁晶体和光电倍增管组成）闪烁计数管（由闪烁晶体和光电倍增管组成） 盖革计数管的特性曲线盖革计数管的特性曲线：图中：图中U为加在

22、计数管为加在计数管 上的电压，上的电压，I为入射的核辐射强度，为入射的核辐射强度，N为计数率为计数率 (输出脉冲数输出脉冲数)。可以看出，当加在计数管上的电。可以看出，当加在计数管上的电 压一定时，辐射强度越大，输出脉冲数也愈大；压一定时，辐射强度越大，输出脉冲数也愈大； 相应的输出脉冲数相应的输出脉冲数N1也比也比N2大。盖革计数管常用大。盖革计数管常用 于探测于探测粒子和粒子和射线。射线。 射线光子射线光子 闪烁晶体闪烁晶体 可见荧光可见荧光 光电倍增管光电倍增管 电脉冲电脉冲( (大量的电子大量的电子) ) 常 用 加 入 少 许 铊常 用 加 入 少 许 铊 (Tl)(Tl)作为活化剂

23、的作为活化剂的 碘化钠碘化钠(NaI)(NaI)晶体晶体 总增益可达总增益可达1010-7 -7, , 过程所需时间不过程所需时间不 到到1s 闪烁计数管可以在高达闪烁计数管可以在高达105脉冲数脉冲数/s/s 的速率工作，而不会有计数损失。的速率工作，而不会有计数损失。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 【工程实例【工程实例 1】轧钢过程中检测钢板厚度轧钢过程中检测钢板厚度 特点特点：非接触测量，：非接触测量， 不受温度、压力等不受温度、压力等 影响。影响。 【工程实例【工程实例 2】X射线检测装置射线检测装置 输出电压与输出电压与 被测厚度

24、成被测厚度成 线性关系线性关系 HHF-212热轧机钢板厚度检测仪框图热轧机钢板厚度检测仪框图 经准直定向的经准直定向的 窄束窄束射线射线 X X射线检测装置框图射线检测装置框图 该装置用于该装置用于X X射线衍射仪射线衍射仪 （通过测定（通过测定X X射线在晶体表射线在晶体表 面上产生衍射光的强度，面上产生衍射光的强度， 确定残余应力大小）确定残余应力大小）或或X射射 线显微分析仪线显微分析仪（利用电子（利用电子 束照射在固体表面上，激束照射在固体表面上，激 发出特征发出特征X射线，通过测定射线，通过测定 X射线的波长及强度，分析射线的波长及强度，分析 材料的成分）。材料的成分）。 青岛大学

25、机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 2 2、超声波检测、超声波检测 （1 1）超声波）超声波 ( (和声波一样，都是弹性介质的机械震动波）和声波一样，都是弹性介质的机械震动波） 声波声波2020kHz；超声波；超声波 20kHz；次声波；次声波k2， 质点发生位移；质点发生位移；k1k2，质点突变，弹簧断，质点突变，弹簧断 开，质点振荡，直至平衡为止。开，质点振荡，直至平衡为止。 影响质点不稳定的因素是金属塑性形变中影响质点不稳定的因素是金属塑性形变中 晶格的位错、晶界滑移、或者由于内部裂纹晶格的位错、晶界滑移、或者由于内部裂纹 的发生和发展等。的发生和

26、发展等。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 声发射波在到达传感器之前，将有界面的反射、波模式变换、衰减等现声发射波在到达传感器之前，将有界面的反射、波模式变换、衰减等现 象，其中一部分到达传感器，一部分到达固体表面，经表面吸收和反射，有象，其中一部分到达传感器，一部分到达固体表面，经表面吸收和反射，有 部分能量转换为表面波。所以，部分能量转换为表面波。所以，声发射波到达传感器时，应是几种模式的波声发射波到达传感器时，应是几种模式的波 （纵波、横波、表面波）的叠加（纵波、横波、表面波）的叠加。 AE波波的传输模型的传输模型 理想模型理想模型 实际

27、模型实际模型 理想模型理想模型：内部的点内部的点状声状声 发射源以球面波等速向各个发射源以球面波等速向各个 方向发射；方向发射；位于表面的声发位于表面的声发 射源射源则除了球面波的形式外则除了球面波的形式外 还有表面波向各方向逸散。还有表面波向各方向逸散。 实际模型实际模型：声发射源：声发射源不是点源不是点源，有不同的形状；传递，有不同的形状；传递介质又是各向异性介质又是各向异性体体； 波传播的方向、速度不断变化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。波传播的方向、速度不断变化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。 声表面波声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波，其传播速度比电磁波是沿物体表面传播的一种弹

28、性波，其传播速度比电磁波慢十万倍慢十万倍，在它的传播路径上，在它的传播路径上 容易取样和进行处理。容易取样和进行处理。声表面波器件声表面波器件的基本结构和工作原理：声表面波器件是在压电基片上制作的基本结构和工作原理：声表面波器件是在压电基片上制作 两个声一电换能器两个声一电换能器叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的 手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的 换能器（输入换能

29、器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播， 最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能 是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 声发射传感器声发射传感器（

30、多为压电谐振式结构）（多为压电谐振式结构） 光轴光轴z 沿该轴方向无压电效应沿该轴方向无压电效应 电轴电轴x过六角棱柱的棱而垂直于光轴的过六角棱柱的棱而垂直于光轴的 轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强. 机械轴机械轴y垂直于棱面，在电场作用下，垂直于棱面，在电场作用下， 沿该轴的机械变形最明显。沿该轴的机械变形最明显。 z x y Fx Fx + - z x y Fy Fy + - z x y Fy Fy - + 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 压电谐振式声发射传感器压电谐振式声发射传感器在声发射波在声发

31、射波 的激发下，压电晶片沿的激发下，压电晶片沿纵向极化纵向极化。声发射传。声发射传 感器的工作频带是在感器的工作频带是在谐频区谐频区，一般为，一般为60 2000kHz，谐振频率谐振频率大小取决于传感器壳体大小取决于传感器壳体 及压电晶片结构尺寸和材质。及压电晶片结构尺寸和材质。 一般声发射信号分为连续型与突发型。一般声发射信号分为连续型与突发型。连续型连续型与随机噪声相似；与随机噪声相似；突发型突发型 是一连串的脉冲衰减波，其脉冲宽度约为数微秒至数毫秒。是一连串的脉冲衰减波，其脉冲宽度约为数微秒至数毫秒。 （3 3）声发射信号的特征）声发射信号的特征 描述描述AE信号的特征参数信号的特征参数

32、可概括为：振铃计数与计数率、事件计数与计可概括为：振铃计数与计数率、事件计数与计 数率、振幅与振幅分布、有效值、频谱分析等。数率、振幅与振幅分布、有效值、频谱分析等。 振铃计数振铃计数与与事件计数事件计数 振铃计数振铃计数 事件计数事件计数 振铃计数振铃计数当脉冲衰减波的幅值超过当脉冲衰减波的幅值超过 阈值电平时，将产生一个矩形脉冲，此脉阈值电平时，将产生一个矩形脉冲，此脉 冲即为振铃计数触发信号，单位时间内的冲即为振铃计数触发信号，单位时间内的 脉冲数即为振铃计数率。脉冲数即为振铃计数率。 事件计数事件计数当脉冲衰减波的包络超过当脉冲衰减波的包络超过 阈值电平时，将产生一矩形脉冲，将此脉阈值

33、电平时，将产生一矩形脉冲，将此脉 冲作为事件计数，单位时间内的事件数即冲作为事件计数，单位时间内的事件数即 为事件计数率。为事件计数率。 优点优点：低于阈值电平的信号不予计数，在一定：低于阈值电平的信号不予计数，在一定 程度上抑制干扰噪声，故称为程度上抑制干扰噪声，故称为幅值剔噪法幅值剔噪法。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 金属材料变形时的金属材料变形时的AEAE信号特征：信号特征：一个共同的特征：在塑性变形区的一个共同的特征：在塑性变形区的AE 信号表现出一个驼峰。这是信号表现出一个驼峰。这是AE信号被作为监测机械构件工作状态的重要依据。

34、信号被作为监测机械构件工作状态的重要依据。 所谓所谓AE信号的预知性，就是在构件破坏之前的峰值特征。信号的预知性，就是在构件破坏之前的峰值特征。 黄铜黄铜 铜、铝、镁铜、铝、镁 碳钢碳钢 （4 4）声发射检测仪原理）声发射检测仪原理 AE波波 高通滤波，滤高通滤波，滤 除干扰噪声除干扰噪声 幅度鉴别，设置阈值电平，作幅值幅度鉴别，设置阈值电平，作幅值 剔噪，并将信号整形为矩形脉冲剔噪，并将信号整形为矩形脉冲 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 4 4、光纤传感器、光纤传感器 光光(导导)纤纤(维维)是是20世纪世纪70年代的重要年代的重要 发明之

35、一，它与激光器、半导体探测器发明之一，它与激光器、半导体探测器 一起构成了新的光学技术，创造了光电一起构成了新的光学技术，创造了光电 子学的新天地。光纤为人类子学的新天地。光纤为人类21世纪的信世纪的信 息高速公路奠定了基础，为多媒体息高速公路奠定了基础，为多媒体(符符 号、数字、语音、图形和动态图像号、数字、语音、图形和动态图像)通通 信提供了实现的必需条件。把待测量与信提供了实现的必需条件。把待测量与 光纤内的导光联系起来就形成光纤传感光纤内的导光联系起来就形成光纤传感 器。光纤传感器器。光纤传感器始于始于1977年。年。 光纤由纤芯、包层和护层组成。光纤由纤芯、包层和护层组成。纤芯纤芯：

36、主体材料是二氧化硅或塑料，制成：主体材料是二氧化硅或塑料，制成 很细的圆柱体，直径在很细的圆柱体，直径在575m内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材 料，如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。料，如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包层包层：可以是单层，：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 200m范围内。包层材料一般为范围内。包层材料一般为SiO2，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四 氧化硅。与纤芯掺杂的目

37、的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射 率。率。保护层保护层：包层外面涂一些涂料，以保护光纤，增加光纤的机械强度。光：包层外面涂一些涂料，以保护光纤，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。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。光缆光缆 是内多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。是内多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 光纤传感器

38、特点光纤传感器特点：信息容量大、抗干扰性强、体积小、可弯曲、灵敏度：信息容量大、抗干扰性强、体积小、可弯曲、灵敏度 高以及耐高压、耐腐蚀、动态非接触测量等。高以及耐高压、耐腐蚀、动态非接触测量等。 （1 1）物性型）物性型 （原理（原理基于光纤的光调制效应）基于光纤的光调制效应） 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤光纤( (或特殊光纤或特殊光纤) )作传感元件，作传感元件， 将将“传传”和和“感感”合为一体合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光 纤在外界因素纤在外界因素( (弯曲、相变弯曲、相变

39、) )的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性( (光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等) ) 的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，传感器中光纤是连续的传感器中光纤是连续的。由于。由于 光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 由于这种传感器是利用光纤对环境变化的敏感性进行检测，又称为由于这种传感器是利用光纤对环境变化的敏感性进行检测，又称为敏感元敏感元 件型件型或或功能型光纤（功能型光纤（Functional Fiber)Functional Fiber)传感器传感器。 外界应变、压力、电场、磁场、温度、放射外界应变、压

40、力、电场、磁场、温度、放射 性和化学作用等性和化学作用等调制调制光纤内通过的光。光纤内通过的光。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 【例【例1 1】 敏感元件型光纤压力传感器敏感元件型光纤压力传感器 （a）均衡压力均衡压力折射率、光纤形状、尺寸变化折射率、光纤形状、尺寸变化 传输光的相位变化和偏振波面的旋转。传输光的相位变化和偏振波面的旋转。 （b）点压力点压力不连续的折射率变化不连续的折射率变化传输光的传输光的 散射损耗散射损耗光振幅变化。光振幅变化。 ( (b) ) ( (a) ) 【例【例2 2】 敏感元件型声压传感器敏感元件型声压传感器

41、 声光调制，产声光调制，产 生光传输的相生光传输的相 位变化位变化 接收两路光接收两路光 干涉信号干涉信号 根据零差法检波和根据零差法检波和 相位可调器，测出相位可调器，测出 光相位变化光相位变化 马赫泽德马赫泽德 ( (Mach- Zehnder) ) 干涉仪干涉仪 如果用如果用1mW的的H He-Ne激光，激光，100m100m长石英玻璃光纤裸线，最小检测声压为长石英玻璃光纤裸线，最小检测声压为1PaPa 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 （2 2）结构型）结构型 由由光检测元件光检测元件与光纤传输回路组成，光纤仅起传播煤质的作用，故又称为

42、与光纤传输回路组成，光纤仅起传播煤质的作用，故又称为 传光型传光型或或非功能型非功能型光纤传感器。光纤传感器。 【实例【实例1 1】 微位移或表面粗糙度测量微位移或表面粗糙度测量 【实例【实例2 2】 激光多普勒效应速度传感器激光多普勒效应速度传感器 v nvfff is 2 多普勒频率多普勒频率 散射光频率散射光频率入射光频率入射光频率 被测物体速度被测物体速度光在空气中的波长光在空气中的波长 发生散射介质的折射率发生散射介质的折射率 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 5 5、固体图像传感器、固体图像传感器 固体图象传感器固体图象传感器( (

43、Solid State Imaging Sensor，缩写缩写SSIS) )主要有三大类主要有三大类：1 1） 电荷耦合器件电荷耦合器件( (Charge Coupled Device，缩写，缩写CCD) )。2 2）自扫描光电二极管列自扫描光电二极管列 阵阵( (Self Scanned Photodiode Array，SSPA)SSPA)。3 3）电荷注入器件电荷注入器件( (Charge Injection Device，缩写缩写CID) )。目前，前两种用得比较多。目前，前两种用得比较多。 同电子束摄像管相比，固体图象传感器有显著同电子束摄像管相比，固体图象传感器有显著优点优点： (

44、1) (1) 全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好，全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好， 可靠性高，寿命长。可靠性高，寿命长。 (2) (2) 基本上不保留残象基本上不保留残象( (电子束摄象管有电子束摄象管有15152020的残象的残象) )，无象元烧伤、，无象元烧伤、 扭曲，不受电磁干扰。扭曲，不受电磁干扰。 (3) (3) 红外敏感性。硅的红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：光谱响应：0.200.201.01.0mm；CCDCCD可作成红外敏感可作成红外敏感 型；型；CID主要用于光谱响应大于主要用于光谱响应大于3 35 5m的红外敏感器件

45、。的红外敏感器件。 (4)(4) 象元尺寸几何位置精度高象元尺寸几何位置精度高( (优于优于1 1m) )，可用于不接触精密尺寸测量。，可用于不接触精密尺寸测量。 (5)(5) 视频信号与微机接口容易。视频信号与微机接口容易。 主要应用领域主要应用领域：小型化黑白小型化黑白/ /彩色彩色TV摄象机；摄象机；传真通讯系统；传真通讯系统；光学光学 字符识别（字符识别（OCR: Optical Character Recognition）；）；工业检测与自动控制；工业检测与自动控制； 医疗仪器；医疗仪器；多光谱机载和星载遥感；多光谱机载和星载遥感；天文应用；天文应用；军事应用。军事应用。 固体图像传

46、感器的核心是电荷耦合器件固体图像传感器的核心是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 CCD的基本单元是的基本单元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor 金属金属- -氧化物氧化物- -半半 导体导体) )电容器。若在某一时刻金属电极上加正向电压电容器。若在某一时刻金属电极上加正向电压UG，p-Si中的多数载流子中的多数载流子 （在此为空穴）便会受到排斥，于是，在（在此为空穴）便会受到排斥，于是，在Si表面处就会形成一个耗尽区。在一表面处就会形成一个耗尽区。在一

47、 定条件下，定条件下，UG越大，耗尽区越深。这时，越大，耗尽区越深。这时，Si表面吸收少数载流子（在此是电表面吸收少数载流子（在此是电 子）的势（即表面势子）的势（即表面势US）也就越大。可见，这时的）也就越大。可见，这时的MOS电容器所能容纳的少电容器所能容纳的少 数载流子电荷的量就越大。据此，可以用数载流子电荷的量就越大。据此，可以用“势阱势阱”来比喻来比喻MOS电容器在电容器在UG作作 用下存储信号电荷的能力。习惯上，把用下存储信号电荷的能力。习惯上，把“势阱势阱”想象为一个桶，把少数载流想象为一个桶，把少数载流 子（信号电荷）想象为盛在桶底的液体。子（信号电荷）想象为盛在桶底的液体。

48、UG 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 电荷存储：电荷存储：在栅极在栅极G施加正偏压之前，施加正偏压之前，P型半导体中型半导体中空穴空穴( (多数载流子多数载流子) ) 分布是均匀的。当栅极施加正偏压分布是均匀的。当栅极施加正偏压Ug( (此时此时Ug小于小于P型半导体的阈值电压型半导体的阈值电压Uth) ) 后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图( (b) )所示。偏压继续增加，耗尽区将进一所示。偏压继续增加，耗尽区将进一 步向半导体内延伸。当步向半导体内延伸。当UgUth时时, ,半导体与绝缘体截面上的电势半导体与

49、绝缘体截面上的电势( (常称为表面常称为表面 势势, ,用用s表示表示) )变得如此之高变得如此之高, ,以至于将半导体内的电子以至于将半导体内的电子( (少数载流子少数载流子) )吸引到吸引到 表面表面, ,形成一层极薄的形成一层极薄的( (约约102mm)但电荷浓度很高的反型层但电荷浓度很高的反型层, ,如图如图(c)。反型层反型层 电荷的存在表明了电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能结构存储电荷的功能。 ( (a) )( (b) ) ( (c) ) 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 电荷的注入电荷的注入：CCDCCD的电荷注入方法归纳

50、起来可分为的电荷注入方法归纳起来可分为光注入光注入和和电注入电注入两类两类 CIP TAneoqQ 1) 1)光注入光注入：当光照射到：当光照射到CCDCCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子 空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成 信号电荷。信号电荷。CCDCCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷Q QIP IP为 为 2) 2)电注入：电注入：电注入是通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信电注入

51、是通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信 号电压或电流转换为信号电荷。号电压或电流转换为信号电荷。 材料的量子效率材料的量子效率电子电荷电子电荷入射光光子流速入射光光子流速光敏单元受光面积光敏单元受光面积 光注入时间光注入时间 CCD图像生成的原理图像生成的原理 在半导体硅片上集成制造许多相互独立的微小在半导体硅片上集成制造许多相互独立的微小 MOS光敏元，每个光敏元为一个光敏元，每个光敏元为一个像素像素。当照射在这些光敏元上的是一幅光学。当照射在这些光敏元上的是一幅光学 图像，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。图像，这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷

52、图像。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 CCD的电荷转移过程的电荷转移过程 任何可以移动的少数载流子（信号电荷）都将力任何可以移动的少数载流子（信号电荷）都将力 图堆向表面势最大的位置。若用势阱比喻，则它们都将流向桶的底部。图堆向表面势最大的位置。若用势阱比喻，则它们都将流向桶的底部。 CCD的电荷转移过程的电荷转移过程 线阵线阵CCD 面阵面阵CCD 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 【应用实例】【应用实例】测量热轧铝板宽度测量热轧铝板宽度 对于对于2m宽的热轧板，测量精度可达板宽宽的热轧板

53、，测量精度可达板宽 的的0.025%. lm两个传感器的视场间距两个传感器的视场间距 l1，l2分别由两个分别由两个CCD测量测量 CCD传感器传感器3用于测板厚，以补用于测板厚，以补 偿板厚变化引起的测量误差偿板厚变化引起的测量误差 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 三、传感器的标定三、传感器的标定 传感器标定的传感器标定的目的目的实现科学实验的实现科学实验的定量分析定量分析。 1 1、基本问题、基本问题 定性分析定性分析只能解释一些表观现象。只能解释一些表观现象。 定量分析定量分析才能获得确切反映客观事物变化的规律性。才能获得确切反映客观事

54、物变化的规律性。 一般工程用传感器，其输入与输出关系的数学模型，可描述为一般工程用传感器，其输入与输出关系的数学模型，可描述为零阶零阶、一一 阶阶或或二阶系统二阶系统。 零阶系统：零阶系统：例如，放大镜、测力环等，其输出只与即时输入有关，可用例如，放大镜、测力环等，其输出只与即时输入有关，可用 代数方程代数方程描述，是非记忆系统或零阶系统。描述，是非记忆系统或零阶系统。 一阶系统：一阶系统：例如，热电偶、水银温度计、例如，热电偶、水银温度计、RCRC低通滤波器等，用低通滤波器等，用一阶微分方一阶微分方 程程描述。描述。 二阶系统：二阶系统：例如，电感量头、电阻式压力计、电容式拾音计、压电式加速

55、例如，电感量头、电阻式压力计、电容式拾音计、压电式加速 度计等，用度计等，用二阶微分方程二阶微分方程描述。描述。 静态标定与动态标定静态标定与动态标定 静态标定：静态标定：包括确定定标曲线，获得直线性、灵敏度、滞后量、重复性等。包括确定定标曲线，获得直线性、灵敏度、滞后量、重复性等。 零阶系统只须进行静态标定零阶系统只须进行静态标定，一阶、二阶系统除静态标定外，一阶、二阶系统除静态标定外， 还须进行动态标定。还须进行动态标定。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 动态标定：动态标定：测定传感器的动态特性，根据频率响应或脉冲响应，确定传感测定传感器

56、的动态特性，根据频率响应或脉冲响应，确定传感 器的通频带、工作频带、谐振频率、阻尼比和相位特性等。器的通频带、工作频带、谐振频率、阻尼比和相位特性等。工工 作频带作频带传感器灵敏度保持为常数的频率范围，一般在阻尼传感器灵敏度保持为常数的频率范围，一般在阻尼 比比=0.707=0.707时，工作频带的上限频率时，工作频带的上限频率max与谐振频率与谐振频率n的关系为的关系为 max=0.58 n。 信号分信号分 析处理析处理 动态标定的方法有动态标定的方法有正弦激励正弦激励、冲击力激励冲击力激励、白噪声白噪声或或伪随机噪声激励伪随机噪声激励等等 【动态标定实例】【动态标定实例】 冲击力激励冲击力

57、激励 压电式力传感器，测出施压电式力传感器，测出施 于切削测力仪上的力于切削测力仪上的力x(t) 切削测力仪为切削测力仪为被标定对象，它是一被标定对象，它是一电阻电阻 应变式力传感器，产生响应输出应变式力传感器，产生响应输出y(t) 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 频谱分析：频谱分析： 在时域中，冲击的延续在时域中，冲击的延续 时间为时间为2ms，在力谱图中，在力谱图中 频带约为频带约为2kHz。在响应谱。在响应谱 及频响谱图中，传感器的及频响谱图中，传感器的 一阶固有频率约为一阶固有频率约为683Hz， 在谐振频率点相位角为在谐振频率点相位

58、角为- 86.40，相干函数谱图中，相干函数谱图中， 在在2kHz以下以下2 2xy(f)1，表，表 明了输出与输入的线性关明了输出与输入的线性关 系。系。 冲击力谱冲击力谱 响应谱响应谱 幅频谱幅频谱 相频谱相频谱 相干谱相干谱 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 （1 1）横向灵敏度）横向灵敏度 2 2、多维传感器的标定、多维传感器的标定 所谓所谓横向灵敏度横向灵敏度，在多维传感器中，又称为，在多维传感器中，又称为交叉灵敏度交叉灵敏度（Cross Sensitivity）或或互干扰度互干扰度，用来衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影响，用来

59、衡量垂直于某方向的输入对该方向输出的影响 程度，一般用下式表示程度，一般用下式表示 为保证传感器的测试精度，在一些传感器性能指标中，对于这一参数都为保证传感器的测试精度，在一些传感器性能指标中，对于这一参数都 有明确的规定。有明确的规定。 y xxxx xy F FaN a x方向传感器输出方向传感器输出 y向对向对x方向的干扰度，方向的干扰度， 或称标定系数或称标定系数y向施加的载荷向施加的载荷x向标定系数向标定系数 x方向施加的载荷方向施加的载荷 一般工程中应用的传感器，往往是一个机械系统，由弹性构件组成。在一般工程中应用的传感器，往往是一个机械系统，由弹性构件组成。在 实际应用中，受力情

60、况很复杂。例如，测切削力的三向测力仪。实际应用中，受力情况很复杂。例如，测切削力的三向测力仪。 （2 2）多维传感器的系统模型）多维传感器的系统模型 对于多维传感器，消除互干扰的问题，除了在结构设计中解决外，亦可对于多维传感器，消除互干扰的问题，除了在结构设计中解决外，亦可 通过标定后采取补偿网络的方法解决。通过标定后采取补偿网络的方法解决。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 信息转换与传输信息转换与传输 【实例】【实例】 切削力测量系统切削力测量系统 希望某一方向的输出能够真实地反映出该方向的输入值，但由于存在干扰，希望某一方向的输出能够真实地反映出该方向的输入值，但由于