1第三章 信号的获取

1、*现代检测技术第3章 检测感知技术*第一部分：常用传感器技术第一部分：常用传感器技术3.13.1、传感器的基本概念、传感器的基本概念3.23.2、热敏传感器、热敏传感器3.33.3、光敏传感器、光敏传感器3.43.4、超声波传感器、超声波传感器3.53.5、SAWSAW传感器传感器3.63.6、气敏传感器、气敏传感器3.73.7、生物敏传感器、生物敏传感器3.83.8、智能传感器、智能传感器3.93.9、霍尔传感器、霍尔传感器*3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念一一. . 传感器的作用和分类传感器的作用和分类1 1、定义：、定义：传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换传感器是借

2、助检测元件将一种形式的信号转换成另一种形式的信号的装置。成另一种形式的信号的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把被测的物理量转换为电信号的装置。义上讲，传感器是把被测的物理量转换为电信号的装置。*2. 2. 传感器的构成传感器的构成3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念图图 1-1 传感器组成框图传感器组成框图转 换转 换元元 件件敏 感敏 感元元 件件辅 助辅 助元元 件件 辅助电源辅助电源被测量被测量*3 3、传感器的分类、传感器的分类分类方法分类方法传感器种类传感器种类说明说

3、明按输入量分类按输入量分类位移、压力、温度、流量、湿度、位移、压力、温度、流量、湿度、速度、气体等传感器速度、气体等传感器以以被测物理量被测物理量命名，包括机械量、热工量、光命名，包括机械量、热工量、光学量、化学量、物理参量等学量、化学量、物理参量等按工作原理分类按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式等式、热电式、光电式等以传感器对信号以传感器对信号转换的作用原理转换的作用原理命名命名按结构分类按结构分类结构型传感器结构型传感器敏感元件的结构在被测量作用下发生形变敏感元件的结构在被测量作用下发生形变物性型传感器物性型传感器敏感元件的固有性质在被

4、测量作用下发生变化，敏感元件的固有性质在被测量作用下发生变化，包括物理性质、化学性质和生物效应等包括物理性质、化学性质和生物效应等按输出信号分类按输出信号分类模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器输出分别为模拟量和数字量输出分别为模拟量和数字量电参数型和电量型传感器电参数型和电量型传感器电参数型指中间参量为电阻、电容、电感、频电参数型指中间参量为电阻、电容、电感、频率等；率等；电量型指电量型指中间参量为电势或电荷中间参量为电势或电荷按能量关系分类按能量关系分类能量转换型传感器（自源型）能量转换型传感器（自源型）传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能传感器直接将被测量的能量转换为

5、输出量的能量量能量控制型传感器（外源型）能量控制型传感器（外源型）传感器输出能量由外源供给，但受被测量的控传感器输出能量由外源供给，但受被测量的控制制*1）容量容量输入信号工作范围或量程；输入信号工作范围或量程；2）驱动驱动输出的负载能力（包括数字输出接口）、输出的负载能力（包括数字输出接口）、 电电气、机械特性气、机械特性 3）静态特性指标静态特性指标线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、稳定性等；复性、稳定性等； 4）动态特性指标动态特性指标固有频率、阻尼比、时间常数等；固有频率、阻尼比、时间常数等；5）可靠性可靠性工作寿命、故障率、绝缘、耐压、耐温等；工作

6、寿命、故障率、绝缘、耐压、耐温等；6）对环境要求的指标）对环境要求的指标工作温度范围、抗潮湿、抗电磁工作温度范围、抗潮湿、抗电磁干扰、抗冲振要求等；干扰、抗冲振要求等；7）使用配电要求）使用配电要求供电方式、安装方式、输入输出阻抗供电方式、安装方式、输入输出阻抗等。等。4 4、常用技术性能指标：、常用技术性能指标：*二、传感器的基本结构类型二、传感器的基本结构类型3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念组成传感器基本结构的类型有三种：直接变换型、差动型和平衡型组成传感器基本结构的类型有三种：直接变换型、差动型和平衡型直接变换型结构直接变换型结构（几个串联环节组（几个串联环节组成的开环系

7、统）成的开环系统） 差动型（并联差动型（并联系统）系统）平衡型（反馈系统）平衡型（反馈系统）312123SSSSSSyy12S -S02Syyx01231234S SS S1 SS S Syx*2）高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长（耐用性）高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长（耐用性）3）高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响（热、振动、）高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响（热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力酸、碱、空气、水、尘埃）的能力4）选择性、安全性（传感器应是无污染的）选择性、安全性（传感器应是无污染的） 、互换性、低、互换性、低成本成本5）宽测量范围、小尺寸、重

8、量轻和高强度、宽工作温度范围）宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围1）高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、容）高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、容易调节（校准简易）易调节（校准简易） 三、传感器选用原则三、传感器选用原则*四、四、 传感器的发展趋势传感器的发展趋势3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念（一）传感器的集成化和多功能化趋势（一）传感器的集成化和多功能化趋势 传感器正随着半导体微电子技术的发展而以单个元件向传感器正随着半导体微电子技术的发展而以单个元件向多个元件和多种电路集成在一个芯片上多个元件和多种电路集成在一个芯片上的方向发展，例

9、如集的方向发展，例如集成压力传感器，集成磁敏传感器等。由于集成度的提高，出成压力传感器，集成磁敏传感器等。由于集成度的提高，出现了具有多种参数检测功能的传感器，如多功能气体检测传现了具有多种参数检测功能的传感器，如多功能气体检测传感器，温湿敏传感器等等，这就是多功能化的发展趋向。如感器，温湿敏传感器等等，这就是多功能化的发展趋向。如机器手指感觉温度、湿度、粗糙度等机器手指感觉温度、湿度、粗糙度等.*（二）传感器的智能化趋势（二）传感器的智能化趋势智能传感器是一种带有微处理器的传感器智能传感器是一种带有微处理器的传感器，它将信号检测、，它将信号检测、信号处理和信号驱动等功能电路全部集成到一块基片

10、上，并信号处理和信号驱动等功能电路全部集成到一块基片上，并且使它具有诊断、自动调整量程、处理数据和信息远距离通且使它具有诊断、自动调整量程、处理数据和信息远距离通信等功能，这样的智能化传感器将成为传感器发展的方向。信等功能，这样的智能化传感器将成为传感器发展的方向。（三）传感器的图像化趋势（三）传感器的图像化趋势近代科学技术的发展，要求传感器不仅仅局限于对一个点近代科学技术的发展，要求传感器不仅仅局限于对一个点的物理量可进行测量，而是能够的物理量可进行测量，而是能够进行一维、二维以至三维进行一维、二维以至三维空间的测量，感受的是空间的测量，感受的是“象象”的信息。的信息。例如红外遥感技术，例如

11、红外遥感技术，它能敏感热象图。要求传感器由单件向组合阵列发展。它能敏感热象图。要求传感器由单件向组合阵列发展。*传感器的发展趋势传感器的发展趋势3.1 3.1 传感器的基本概念传感器的基本概念新型片式汽车尾气传感器新型片式汽车尾气传感器* 热敏传感器是将热量变化转换为电学量变化的装置，热敏传感器是将热量变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量。用于检测温度和热量。 3.2 3.2 热敏传感器热敏传感器1 1、热电阻、热电阻 大多数大多数金属热电阻的阻值金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其特性随温度升高而增大，其特性方程如下：方程如下：001tRRa TTRt 被测温度被测温度T时热电阻的

12、电阻值；时热电阻的电阻值；R0 基准温度基准温度T0时的电阻值；时的电阻值；a 热电阻的电阻温度系数（热电阻的电阻温度系数（1/）；）；T、T0绝对温度，单位绝对温度，单位K。1 1）热电阻的类别、测温范围及热电阻的类别、测温范围及允许误差；允许误差；2 2）热响应时间：达到阶跃变化）热响应时间：达到阶跃变化的的50%50%，所需要的时间称为热响，所需要的时间称为热响应应 时间时间。* 热敏电阻是一种热敏电阻是一种半导体半导体温度传感器，按温度特性分为负温温度传感器，按温度特性分为负温度系数热敏电阻（度系数热敏电阻（NTCNTC）、正温度系数热敏电阻（）、正温度系数热敏电阻（PTCPTC）和在

13、某）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（临界温度电阻器（CTRCTR）。0011exptRRBTTRt 被测温度被测温度T时热敏电阻值；时热敏电阻值；R0 基准温度基准温度T0时的热敏电阻值；时的热敏电阻值；B 热敏电阻的特征常数；热敏电阻的特征常数；T、T0绝对温度，单位绝对温度，单位K K。2 2、热敏电阻、热敏电阻* NTC型热敏电阻温度特性型热敏电阻温度特性 NTC型热敏电阻伏安特性型热敏电阻伏安特性 热敏电阻的特性及校正热敏电阻的特性及校正 热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性是十分严重的，为使热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性

14、是十分严重的，为使测量系统的输入输出呈线性关系，可以采用测量系统的输入输出呈线性关系，可以采用: （1）串、并联补偿电阻串、并联补偿电阻， （2）利用电路中其他部件的非线性修正利用电路中其他部件的非线性修正 （3）计算机修正等方法计算机修正等方法。OIUabc*一种结构简单、性能稳定、测温范围宽的热敏传感器。一种结构简单、性能稳定、测温范围宽的热敏传感器。3 3、热电偶、热电偶热电偶工作原理热电偶工作原理 将两种不同的导体两端相接，将两种不同的导体两端相接，组成一个闭合回路，当两个接组成一个闭合回路，当两个接触点具有不同温度时，回路中触点具有不同温度时，回路中便产生电流，这种物理现象称便产生电

15、流，这种物理现象称为为塞贝克效应塞贝克效应。当温度。当温度TT0TT0时，时，由导体、由导体、B B组成的热电偶回路组成的热电偶回路总热电势为：总热电势为： 00,ABABABET TETET 温差电势 （温差电势远小于接触电势），只有当（温差电势远小于接触电势），只有当A A、B B材料不同并材料不同并且热电偶两端温度不同时，总热电势才不为零。且热电偶两端温度不同时，总热电势才不为零。ABT0TT0测试端测试端参比端参比端* 热电偶的基本定律：热电偶的基本定律：106050403020-273-10500100015002000热电动势/mV铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-镍铜*均质导体定律均质导体

16、定律 两种两种均质导体均质导体组成的热电偶的热电势大小与电极组成的热电偶的热电势大小与电极的直径、长度及沿长度方向上的温度分布无关，的直径、长度及沿长度方向上的温度分布无关，只与热只与热电极材料和温差有关电极材料和温差有关。如果材质不均匀，当热电极上各处温度不同时，如果材质不均匀，当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此热将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。*标准电极定律标准电极定律 若导体若导体A、B分别与第三种导体分别与第三种导体C组成热电偶，那么由组

17、成热电偶，那么由导体导体A、B组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确定。标准电极定律指：如果将导体定。标准电极定律指：如果将导体C（热电极，一般为纯铂（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也称参考电极），并且丝）作为标准电极（也称参考电极），并且已知标准电极已知标准电极与任意导体配对时的热电势，与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（那么在相同结点温度（T，T0）下，任意两导体）下，任意两导体A、B组成的热电偶的热电势为：组成的热电偶的热电势为：000,ABACBCET TET TET T*中间导体定律中间导体定律 在用热电偶测量温度时，必须

18、在热电偶回路中接入在用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入导线和仪表。中间导体定律表明：在热电偶回路中，只导线和仪表。中间导体定律表明：在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总热电势没要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总热电势没有影响。因此可以有影响。因此可以用导线将电压表接入热电偶回路用导线将电压表接入热电偶回路。如。如下图所示。下图所示。 *中间温度定律中间温度定律 在热电偶回路中，当结点温度为在热电偶回路中，当结点温度为T，T0时，总热时，总热电势等于该热电偶在结点温度为电势等于该热电偶在结点温度为T，Tn和和Tn，T0时时相应的热电势的代数和，即：相应的热电势

19、的代数和，即： 00,ABABnABnET TET TET T* 例如，已知例如，已知 K型热电偶分度表型热电偶分度表E（38，0）=1.53mV ，此时参比端温度，此时参比端温度T1=38摄氏度，测得测摄氏度，测得测试端试端E（T，38）=29.9mV, 那么实际温度那么实际温度=？0110,29.91.5331.43ABABABET TET TET TmV再反查热电偶分度表可得：再反查热电偶分度表可得：755摄氏度摄氏度*3.3 3.3 光传感器光传感器一、光电效应传感器一、光电效应传感器 光电效应传感器是利用光敏材料在光照射下，产生光电效应传感器是利用光敏材料在光照射下，产生光电子逸光电

20、子逸出、电导率发生变化或产生光生电动势等现象出、电导率发生变化或产生光生电动势等现象制成的光敏器件。制成的光敏器件。 1 1、外光电效应、外光电效应 在光照作用下，物体内部的在光照作用下，物体内部的电子电子从物体表面逸出从物体表面逸出的现象称为的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。外光电效应，亦称光电子发射效应。212EmvAh h普朗克常数，普朗克常数，6.6266.62610-34Js10-34Js； m m电子质量；电子质量；v v电子逸出速度；电子逸出速度；A A物体的逸出功。物体的逸出功。动能动能+ +逸出功逸出功；* 由上式可知：由上式可知： 光电子逸出光电子逸出物体表面的必要

21、条件是物体表面的必要条件是EA，如果入射光子，如果入射光子的能量小于阴极材料的表面逸出功，无论光强多大，都没的能量小于阴极材料的表面逸出功，无论光强多大，都没有光电子产生。在足够外加电压作用下，入射光频率有光电子产生。在足够外加电压作用下，入射光频率f不变不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。 对于外光电效应器件，只要光照射在器件阴极上，即使对于外光电效应器件，只要光照射在器件阴极上，即使阳极电压为零，也会产生光电流，阳极电压为零，也会产生光

22、电流，因为光电子逸出时具有因为光电子逸出时具有初始动能。初始动能。为使光电流为零，必须在阳极上加上反向截止为使光电流为零，必须在阳极上加上反向截止电压电压，使外加电场对光电子所做的功等于光电子逸出时的，使外加电场对光电子所做的功等于光电子逸出时的动能。动能。*光导管结构光导管结构：1电极，2半导体薄膜，3绝缘底座，4光敏电阻符号 光电导效应指在光的照射下，光电导效应指在光的照射下，材料的电阻率发生改变材料的电阻率发生改变的现象。的现象。2 2、光电导效应、光电导效应 光敏电阻符号及由光敏电阻制成的光导管结构如图所示。光敏电阻符号及由光敏电阻制成的光导管结构如图所示。当在两极间加上电压时，就会有

23、电流流过。没有光照时测得当在两极间加上电压时，就会有电流流过。没有光照时测得的电流为的电流为暗电流暗电流，有光照时电流增大，有光照时电流增大，增大的电流增大的电流称为光电称为光电流，光电流随光强增大而增大。流，光电流随光强增大而增大。1 12 23 34 4*3 3、光生伏特效应、光生伏特效应 在光照射下，在光照射下，PNPN结内部结内部产生电子空穴对，在自产生电子空穴对，在自建场作用下，光生电子被建场作用下，光生电子被拉向拉向N N区，光生空穴被拉向区，光生空穴被拉向P P区，从而产生区，从而产生光生电动势光生电动势。 利用光生伏特效应工作利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括的光敏器件主要

24、包括光敏光敏二极管、光敏三极管二极管、光敏三极管和光和光电池。电池。- - + - -+ + - + +PN光-* 能将能将红外辐射能转换为电能红外辐射能转换为电能的装置称为红外传感器。的装置称为红外传感器。二、红外传感器二、红外传感器 红外热释电式红外热释电式光敏器件是光敏器件是热敏型热敏型红外传感器中最常用红外传感器中最常用的器件。它的工作原理是热释电效应。温度升高导致极的器件。它的工作原理是热释电效应。温度升高导致极化强度降低，吸附电荷被释放的过程，形成电流。化强度降低，吸附电荷被释放的过程，形成电流。热释电效应示意图 热释电系数的基本变化规律 +PPT 0红外光等热源黑化膜电极强电介质

25、电极RIP自然极化P温度TTC* 三、光栅传感器三、光栅传感器1 1、光栅的结构、光栅的结构 在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为般为1012mm1012mm）的密集刻划，如图所示，）的密集刻划，如图所示，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是条纹，这就是光栅光栅。 光栅上的刻线称为栅线，栅线宽度光栅上的刻线称为栅线，栅线宽度为为a a，缝隙宽度为，缝隙宽度为b b，一般取，一般取a a = = b b，W W（W W = = a a + + b b）称为光栅的栅距（也称）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅的节距或光栅常数

26、光栅常数）。）。 abWabW* 光栅传感器由光栅、光路、光电元件及转换电路等组光栅传感器由光栅、光路、光电元件及转换电路等组成，利用光栅的成，利用光栅的莫尔条纹莫尔条纹现象进行测量，以黑白透射光栅现象进行测量，以黑白透射光栅说明它的工作原理。说明它的工作原理。2 2、光栅传感器的工作原理、光栅传感器的工作原理光光栅栅传传感感器器的的组组成成* 所谓莫尔条纹是指当指示所谓莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角小的夹角时，在时，在近似近似垂直于垂直于栅线方向上显现出比栅距栅线方向上显现出比栅距W W大大得多的明暗相间的条纹，相邻得多的明暗相间的条纹，相邻的

27、两条明条纹之间的距离（或的两条明条纹之间的距离（或相邻两条暗条纹之间的距离）相邻两条暗条纹之间的距离）B B称为称为莫尔条纹间距莫尔条纹间距 。3 3、莫尔条纹、莫尔条纹*2sin2WWBB B相邻两条莫尔条纹之间的间距；相邻两条莫尔条纹之间的间距；W W光栅栅距；光栅栅距；两光栅栅线夹角。两光栅栅线夹角。 由于由于值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹。横向莫尔条纹。 当光栅之间的夹角当光栅之间的夹角很小，且两光栅的栅距都为很小，且两光栅的栅距都为W W 时，时，莫尔条纹间距莫尔条纹间距B B为：为：* 重要特征：重要特征： 1、运动对应

28、关系：沿垂直于光栅方向移动一个栅距，移、运动对应关系：沿垂直于光栅方向移动一个栅距，移动一个条纹，反方向也做同样的移动。动一个条纹，反方向也做同样的移动。 2、位移放大系数：、位移放大系数：K= B / W = 1/ 所以，虽然所以，虽然W很小，然而很小，然而B远大于远大于W。 3、减少误差、减少误差 因莫尔条纹的是由大量光栅形成的，所以光栅的刻度误因莫尔条纹的是由大量光栅形成的，所以光栅的刻度误差可以被平滑。差可以被平滑。 请查阅并分析光纤光栅传感器论文* 通过前面的分析推知，主光栅每移动一个栅距通过前面的分析推知，主光栅每移动一个栅距W W，莫尔条，莫尔条纹就变化一个周期纹就变化一个周期

29、2 2，通过光电转换元件，可将莫尔条纹，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。4 4、光栅的信号输出（辩向原理和细分电路）、光栅的信号输出（辩向原理和细分电路）0sin360mxUUUWW W栅距；栅距；x x主光栅与指示光栅间瞬时位移；主光栅与指示光栅间瞬时位移；U U0 0直流电压分量；直流电压分量；U Um m交流电压分量幅值；交流电压分量幅值；U U输出电压。输出电压。 输出电压反映了

30、瞬时位移的大小，当输出电压反映了瞬时位移的大小，当x x在（在（0 0，W W ）时，相当于电角度变化了时，相当于电角度变化了360360. .如采用如采用5050线线/mm/mm的光栅时，若主光的光栅时，若主光栅移动了栅移动了x x mm mm，即，即5050 x x条。将此条数用计条。将此条数用计数器记录，就可以知道移动的相对距离数器记录，就可以知道移动的相对距离。*辩向电路原理框图辩向电路原理框图两个光电传感器，两个光电传感器，相隔相隔 B/4B/4，相位差，相位差9090度度放大整形微分Y1触发器可逆计数器放大整形反相微分Y21延时u1u2u1u2u1u1Wu1W12Q-+HQ*光栅移

31、动时辩向电路各点波形：光栅移动时辩向电路各点波形：主光栅向左移动主光栅向左移动主光栅向右移动主光栅向右移动u1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu 2u 1u 1u 1 Wu 1 WY1Y2Hu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu 2u 1u 1u 1 Wu 1 WY1Y2H* 光纤传感器是一类较新的光敏器件，由于具有极高的灵敏光纤传感器是一类较新的光敏器件，由于具有极高的灵敏度和精度，以及抗电磁干扰和原子辐射、高绝缘、耐水、耐度和精度，以及抗电磁干扰和原子辐射、高绝缘、耐水、耐高温、耐腐蚀和质轻、柔韧、频带宽等优点。高温、耐腐蚀和质轻、柔韧、频带宽等优点。四、光纤传感器

32、四、光纤传感器光纤结构和传光原理光纤结构和传光原理12nn* 光纤全反射工作原理光纤全反射工作原理 入射光线在光纤入口处发生折射，如果入射角为入射光线在光纤入口处发生折射，如果入射角为 ，折射角为折射角为 ，空气的折射率为，空气的折射率为 ，根据折射定律：，根据折射定律：当光线到达纤芯当光线到达纤芯-包层界面时，发生第二次折射，包层界面时，发生第二次折射，一部分光以折射角一部分光以折射角 进入包层，另一部分以反射角进入包层，另一部分以反射角 反射回纤芯，则有：反射回纤芯，则有：如果如果 ，即，即发生全反射发生全反射，则有，则有 ，故改写，故改写上式为：上式为： 入射角小于入射角小于 ，全反射传

33、输，全反射传输， 为接收角和，其之为接收角和，其之外的均被包层吸收，纤芯和包层的折射率确定。上式即外的均被包层吸收，纤芯和包层的折射率确定。上式即为为光线数值孔径光线数值孔径NA，反映了光纤集光能力。，反映了光纤集光能力。01sinsinirnn122sinsincrnn290r21sincnnc(90)Crir01.0n i2i个2r022201112sinsin(90)1 siniccnnnnn* 功能型功能型（或称传感型、探测型），以光纤中波导光的属性如（或称传感型、探测型），以光纤中波导光的属性如光强、光强、相位、偏振态、波长相位、偏振态、波长被调制的特点而构成；常使用单模光纤；被调制

34、的特点而构成；常使用单模光纤； 非功能型非功能型（或称传光型、结构型）（或称传光型、结构型）, ,利用其它敏感元件感受被测量利用其它敏感元件感受被测量, ,光纤光纤仅作为传输介质仅作为传输介质, ,多使用多模光纤；多使用多模光纤； 1 1、按照光纤在传感器中的作用、按照光纤在传感器中的作用，分为两种类型：，分为两种类型：光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理2 2、光纤按照折射变化情况、光纤按照折射变化情况阶跃型阶跃型：纤芯与包层之间的折射率是突变的；：纤芯与包层之间的折射率是突变的；渐变型渐变型：纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向：纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，

35、到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用，也称自聚焦光纤。作用，也称自聚焦光纤。*3 3、光纤按照传输模式光纤按照传输模式单模光纤：单模光纤：纤芯直径很小，接受角小，传输模式单一。纤芯直径很小，接受角小，传输模式单一。 但光传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但光传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，制造相对困难。制造相对困难。多模光纤：多模光纤：纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但 性能较差，带宽较窄。性能较差，带宽较窄。 * * 在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、在多

36、模阶跃折射率光纤中，满足全反射、 但入射角不同的光线但入射角不同的光线的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同。的时间不同。*光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器 光强调制型光纤传感器是光强调制型光纤传感器是基于光纤弯曲时会产生光能基于光纤弯曲时会产生光能损耗原理损耗原理在制成的，主要用于微弯曲位移检测和压力检测。在制成的，主要用于微弯曲位移检测和压力检测。当光线在光纤的直线段传播时，一般以全反射方式传播；当光线在光纤的直线段传播时，一般以全反射方式传播；当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一当光

37、线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一部分光透射进入包层，导致光能的损耗。部分光透射进入包层，导致光能的损耗。光纤中光强变化光纤中光强变化反映了光纤的弯曲程度反映了光纤的弯曲程度，对输出光强进行检测可以得到导，对输出光强进行检测可以得到导致光纤形变的位移或压力信号大小。致光纤形变的位移或压力信号大小。 测量对象光纤光源光电元件p功能型光纤传感器功能型光纤传感器*相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器12 n L 当一束波长为当一束波长为的相干光在光纤中传播时，光波的相干光在光纤中传播时，光波的的相位角与光纤的长度相位角与光纤的长度L L、纤芯折射率、纤芯折射率n n1 1及纤芯直径及

38、纤芯直径d d有关有关。光纤受到物理量的作用时，这三个参数会发生。光纤受到物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而不同程度的变化，从而引起光相移引起光相移。由于光纤直径引。由于光纤直径引起的变化相对于另外两个参数要小的多，一般可以忽起的变化相对于另外两个参数要小的多，一般可以忽略。在略。在一段长度为一段长度为L L的单模光纤（纤芯折射率的单模光纤（纤芯折射率n n1 1）中，中，波长为波长为的输出光相对于输入端来说，相角为：的输出光相对于输入端来说，相角为： 可以对光相角变化测试，实现对被测环境变化量测试*111122LLnLL nnn 当光纤受到物理量作用时，相位角变化量为：当光

39、纤受到物理量作用时，相位角变化量为： 由于光频率较高，光电探测器不能检测相位变化，由于光频率较高，光电探测器不能检测相位变化，需要用光学干涉将其转换为振幅调制需要用光学干涉将其转换为振幅调制，Mach-ZehaderMach-Zehader*偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤传感器 如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动，如果光在传播过程中，只存在某一确定方向的振动， 这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称这种光称为线偏振光或完全偏振光，简称偏振光。偏振光。 偏振态调制型光纤传感器是偏振态调制型光纤传感器是利用法拉第旋光效应利用法拉第旋光效应工工作的。根据法拉第旋光效应，由作的。根据法

40、拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会电流所形成的磁场会引起光纤中平面偏振光的偏转引起光纤中平面偏振光的偏转，是磁场引起相位改变，是磁场引起相位改变的结果。通过检测偏转角的大小，就可以计算相应的的结果。通过检测偏转角的大小，就可以计算相应的电流值。偏振态调制型光纤传感器常用于输电线电流电流值。偏振态调制型光纤传感器常用于输电线电流的测量。的测量。偏转角测试电流测试*p非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器测量对象光纤敏感元件光源光电元件测量对象光纤敏感元件光源光电元件 非功能型光纤传感器的结构原理如图所示。它是非功能型光纤传感器的结构原理如图所示。它是在在光纤的端面或在光纤回路中放置机械式或光学式的

41、敏感光纤的端面或在光纤回路中放置机械式或光学式的敏感元件来感受被测量的变化元件来感受被测量的变化，从而使投射光或反射光强度，从而使投射光或反射光强度随之发生变化，随之发生变化，光纤只是作为传输光信息的通道光纤只是作为传输光信息的通道，对被，对被测对象的测对象的“感知感知”功能由其他敏感元件来完成。功能由其他敏感元件来完成。 光纤位移传感器光纤位移传感器*传输光强调制型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器 非功能型光纤传感器又分为非功能型光纤传感器又分为传输光强调制型和反射光强传输光强调制型和反射光强调制型调制型。 传输光强调制型光纤传感器的输入光纤与输出光纤传输光强调制型光纤传感器的输入光纤与输

42、出光纤之间设置之间设置有机械式或光学式敏感元件。敏感元件在物有机械式或光学式敏感元件。敏感元件在物理量作用下，对传输光的光强进行调制，如吸收光能、理量作用下，对传输光的光强进行调制，如吸收光能、遮断光路或改变光纤之间的相对位置等。遮断光路或改变光纤之间的相对位置等。 反射光强调制型与传输光强调制型的原理类似，只反射光强调制型与传输光强调制型的原理类似，只是在结构上有稍许差别。是在结构上有稍许差别。光线是经过物体或光敏元件反光线是经过物体或光敏元件反射后进入接收光纤的射后进入接收光纤的。反射光强调制型光纤传感器反射光强调制型光纤传感器*光纤光栅传感器光纤光栅传感器 光纤光栅（光纤光栅（FBGFB

43、G）即光纤折射率的空间分布呈现周期性）即光纤折射率的空间分布呈现周期性分布。光栅的波长选择性，使得满足条件的反射，其余透分布。光栅的波长选择性，使得满足条件的反射，其余透射，反射光通过耦合器或环行器送入解调器。射，反射光通过耦合器或环行器送入解调器。 基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布喇格布喇格（BraggBragg）波长）波长的变化，解调检测出中心波长的移动量。的变化，解调检测出中心波长的移动量。(1)BBT* 在频率调制型光纤传感器中，光纤只起

44、着传输光的作在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液流量测量对液体流速流量的测量，如血液流量测量。光学多普勒效应传感器光学多普勒效应传感器21coscosDvfff 光源光源观测者观测者被测量移被测量移动速度动速度v被测量被测量21180请查阅光学多普勒测量论文*

45、超声波传感器是利用超超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动感器。超声波是一种振动频率高于人耳听觉范围的频率高于人耳听觉范围的机械波，它具有频率高、机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特波长短、绕射现象小，特别是别是方向性好方向性好、能够成为能够成为射束而定向传播射束而定向传播等特点。等特点。 3.4 3.4 声波传感器声波传感器压电式超声波探头结构 金属壳吸收块保护膜导电螺杆接线片压电晶片一、超声波传感器一、超声波传感器* 工作频率工作频率: :工作频率就是压电晶片的共振频率。当工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和

46、晶片的加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 工作温度工作温度: :由于由于压电材料的居里点压电材料的居里点（温度超过居里（温度超过居里 点，压电材料的压电特性将消失）点，压电材料的压电特性将消失）一般比较高一般比较高，而诊，而诊断用超声波探头使用功率较小，工作温度比较低，可断用超声波探头使用功率较小，工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。以长时间地工作而不失效。 灵敏度灵敏度: :主要取决于制造晶片本身。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数机电耦合系数大，灵敏度高大，灵敏度高；反之，灵敏度低。；反之，

47、灵敏度低。 1 1、超声波传感器的性能指标、超声波传感器的性能指标* 脉冲回波法测厚工作原理脉冲回波法测厚工作原理 dvt/2 声衰减较大时，不适用声衰减较大时，不适用2 2、超声波传感器的应用、超声波传感器的应用发射电路主控制器扫描电路标记发生器示波器接收放大器换能器试件* 超声波无损探伤超声波无损探伤 TB1FB4B3B2T无缺陷波形有缺陷波形高频发生器放大器显示发射探头接收探头工件穿透法探伤原理穿透法探伤原理反射法探伤原理反射法探伤原理* 超声波物位传感器具有测超声波物位传感器具有测量精度高、安装方便、不受量精度高、安装方便、不受被测介质影响、耐高温、安被测介质影响、耐高温、安全防爆等优

48、点，在物位仪表全防爆等优点，在物位仪表中使用广泛。中使用广泛。 超声波测物位超声波测物位 超声波流量计安装超声波流量计安装 超超声声波波测测流流量量 逆流时间逆流时间减去顺流减去顺流时间时间* 声表面波简称声表面波简称SAWSAW（Surface Acoustic WaveSurface Acoustic Wave），是英国），是英国物理学家瑞利（物理学家瑞利（RayleighRayleigh）于）于1919世纪末期在研究地震波的世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。 声表面波声表面波SAWSAW的传播易受温度压力，加速度，电压等

49、影响的传播易受温度压力，加速度，电压等影响。SAWSAW传感传感器将被测量转换为信号频率测量。器将被测量转换为信号频率测量。二、二、 SAW SAW 传感器传感器 高精度，高灵敏度。高精度，高灵敏度。频率测量精度频率测量精度 数字化。数字化。抗干扰，易传输抗干扰，易传输 易易批量生产。批量生产。 基片，淀积薄膜，光刻基片，淀积薄膜，光刻 体积小、质量轻、功耗低。体积小、质量轻、功耗低。可获得良好热性能和机械性能。可获得良好热性能和机械性能。 1 1、SAWSAW传感器的特点传感器的特点* 叉指换能器（叉指换能器（interdigital transducer IDTIDT）是用蒸发或溅是用蒸发

50、或溅射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜，再用光刻方法射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜，再用光刻方法形成的叉指状薄膜，它是产生和接收声表面波的装置。形成的叉指状薄膜，它是产生和接收声表面波的装置。 当电压加到叉指电极上时，在电极之间建立了周期性当电压加到叉指电极上时，在电极之间建立了周期性空间电场，由于压电效空间电场，由于压电效 应，在表面产生一个相应的弹性应，在表面产生一个相应的弹性形变。形变。由于电场集中在自由表面，所以产生的声表面波很由于电场集中在自由表面，所以产生的声表面波很强烈。由强烈。由IDTIDT激励的声表面波沿基片表面传播。当基片或激励的声表面波沿基片表面传播。当基片或基片

51、上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时，声表面波基片上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时，声表面波的频率将改变，并由接收叉指电极测得。的频率将改变，并由接收叉指电极测得。SAWSAW的换能器的换能器* SAW SAW是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点的运是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于与动是一种椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于与传播方向的传播方向的纵振动纵振动和垂直于表面及传播方向的和垂直于表面及传播方向的横振动横振动合成合成的，两者的相位差为的，两者的相位差为9090度。瑞利波的能量只度。瑞利波的能量只集中在一个波集

52、中在一个波长深的表面层内长深的表面层内，频率越高，能量集中的表面层越薄。，频率越高，能量集中的表面层越薄。SAWSAW瑞利波瑞利波敏感基片敏感基片 敏感基片由压电单晶材料制成。当敏感基片受到物理、敏感基片由压电单晶材料制成。当敏感基片受到物理、化学或机械量扰动作用时，其振荡频率会发生变化。通过化学或机械量扰动作用时，其振荡频率会发生变化。通过适当的结构设计和理论计算，能使它仅对某一被测量有响适当的结构设计和理论计算，能使它仅对某一被测量有响应，并将其转换成频率量。应，并将其转换成频率量。2 2、SAWSAW传感器的结构和工作原理传感器的结构和工作原理* SAW SAW谐振谐振器结器结构构 SA

53、WSAW延迟延迟线结线结构构 2 2、SAWSAW传感器的结构和工作原理传感器的结构和工作原理压电基片两换能器间距发射IDT接收IDTA延迟线型延迟线型SAWSAW振荡器振荡器 谐振器型谐振器型SAWSAW振荡器振荡器 SAWSAW传感器的核心是传感器的核心是SAWSAW振荡器振荡器，有谐振器型（，有谐振器型（R R型）型）和延迟线型（和延迟线型（DLDL型）两种。型）两种。 *3.6 3.6 气敏传感器气敏传感器1 1、表面电阻控制性气敏传感器、表面电阻控制性气敏传感器R/k100505氧化性气体吸附还原性气体吸附加热稳定10s2min4min大气中气体吸附tN型氧化物半导体吸附气体后阻值变

54、化型氧化物半导体吸附气体后阻值变化 半导体表面态理论：半导体表面态理论：N N型氧化物半导体吸附气体型氧化物半导体吸附气体后阻值的变化，依据气体后阻值的变化，依据气体吸附后从半导体表面夺取吸附后从半导体表面夺取电子或是给予电子，形成电子或是给予电子，形成负离子吸附或正离子吸附，负离子吸附或正离子吸附，导致表面电阻增加或减少。导致表面电阻增加或减少。还原性气体还原性气体H2H2，COCO等属后等属后者，者，O2,NOO2,NO属前者属前者。 *空气CH4i-C4H10H2C2H5OH100010050气体浓度/%Vol电阻/k200500C3H80.050.10.20.51.0 气敏元件对不同气

55、体的响应特性气敏元件对不同气体的响应特性 材料的体电阻随某种气体浓材料的体电阻随某种气体浓度变化。度变化。 是一种是一种N N型半导体，型半导体，高温下吸附还原性气体，导致高温下吸附还原性气体，导致3 3价铁还原为价铁还原为2 2价铁，电阻率降价铁，电阻率降低。低。 对丙烷，异丁烷的灵敏度对丙烷，异丁烷的灵敏度高，液化石油气主要成分。高，液化石油气主要成分。2 2、体电阻控制性气敏传感器、体电阻控制性气敏传感器23Fe O23Fe O23Fe O* 生物敏传感器由生物敏传感器由分子识别元件（敏感基元分子识别元件（敏感基元）和与之结）和与之结合的信号转换器件（换能器）两部分组成。合的信号转换器件

56、（换能器）两部分组成。 敏感基元敏感基元的主要功能是特异的识别各种被测物并与之的主要功能是特异的识别各种被测物并与之反应。反应。换能器换能器捕捉识别元件与目标的作用过程并物理表捕捉识别元件与目标的作用过程并物理表达。达。常用的换能器有电化学电极、离子敏场效应晶体管常用的换能器有电化学电极、离子敏场效应晶体管（ISFETISFET）、热敏电阻及微光管等。）、热敏电阻及微光管等。3.7 3.7 生物敏传感器生物敏传感器1 1、生物敏传感器的组成、生物敏传感器的组成 将化学变化转变为电信号、将热变化转变为电信号、将化学变化转变为电信号、将热变化转变为电信号、将光效应转变为电信号、直接产生电信号方式将

57、光效应转变为电信号、直接产生电信号方式 2 2、生物敏传感器的工作方式、生物敏传感器的工作方式* 场效应晶体管生场效应晶体管生物敏传感器由分子物敏传感器由分子识别部分（感受器）识别部分（感受器）和信号转换部分和信号转换部分（换能器，（换能器，FETFET）两）两部分构成。部分构成。 FETFET的栅极换成对的栅极换成对离子有选择性相应离子有选择性相应敏感膜。敏感膜。 待测物质酶微生物线粒体抗体或抗原电信号输出信号转换部分（换能器）分子识别部分（感受器）生物传感器的组成生物传感器的组成 3 3、场效应晶体管（、场效应晶体管（FETFET）生物敏传感器）生物敏传感器3.8 3.8 霍尔传感器霍尔传

58、感器 基于霍尔效应的磁电转换器，其转换元件是霍尔元基于霍尔效应的磁电转换器，其转换元件是霍尔元件。件。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果作用的结果 。 电场作用力电场作用力 与洛伦兹力与洛伦兹力 相等时，电子积累达相等时，电子积累达到动态平衡。这时在元件到动态平衡。这时在元件c 、d 两端之间建立的电场两端之间建立的电场称称为霍尔电场为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势，相应的电势称为霍尔电势 ，EFLFHVsinsinHHIBVk IBnedKH为霍尔常数；a为电流与磁场的夹角*被测量传感器预处理及输入接口微处理器输出接口执行机构

59、或显示记录3.9 3.9 智能传感器智能传感器1 1、智能传感器（、智能传感器（ Smart sensor Smart sensor ）的结构和功能）的结构和功能1 1）自补偿）自补偿 、自校准、自诊断功能、自校准、自诊断功能2 2）数据处理功能）数据处理功能3 3）信息存储、通信功能）信息存储、通信功能4 4）以接口总线数字输出）以接口总线数字输出5 5）可阵列组合）可阵列组合2 2、智能传感器的特点、智能传感器的特点*第二部分：典型运动量的检测第二部分：典型运动量的检测3.103.10、位移检测技术、位移检测技术3.113.11、速度检测技术、速度检测技术3.123.12、加速度检测技术、

60、加速度检测技术3.133.13、惯性测量技术、惯性测量技术3.143.14、基于雷达技术的测量、基于雷达技术的测量*位移测量是工业生产中一项主要的测量手段位移测量是工业生产中一项主要的测量手段位位移移定定标标器器位移传感器位移传感器3.10 3.10 位移检测技术位移检测技术常用检测方法：常用检测方法：(1)(1)积分法积分法(2)(2)相关测距法相关测距法(3)(3)回波法回波法 (4)(4)线位移和角位移相互转换线位移和角位移相互转换 (5)(5)位移传感器法位移传感器法位移检测包括：位移检测包括：线位移检测、角线位移检测、角位移检测位移检测* 利用利用电磁耦合原理电磁耦合原理，将位移或角