模块七 新型传感器的应用

模块七新型传感器的应用1学习目标熟悉常见的新型传感器掌握常用的新型传感器的基本工作原理掌握常用的新型传感器的应用2课题一光纤传感器3一、基础知识光导纤维能够大容量、高效率地传输光信号，实现了以光代电传输信息。它自问世以来，主要应用于通信领域，由此形成的光纤通信方式革命性的变化。在检测领域中将光导纤维的应用与传统的光电检测技术相结合就产生了一种新传感器－－光导纤维传感器，简称光纤传感器。概括地说，光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。

4一、基础知识1、光纤的结构所谓光导纤维是一种传输光信息的导光纤维。它由导光的芯体玻璃（简称纤芯）和包层组成，纤芯位于光纤的中心部位，其直径约为5～100um，包层可用玻璃或塑料制成。包层外面常有塑料或橡胶的外套，它保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。图7.1光纤的基本结构5一、基础知识1、光纤的结构

图7.2光在光导纤维中的传输

由于纤芯和包层构成一个同心圆双层结构，所以可以保证入射到纤维内的光波集中在光芯内传输。

光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的性质，即它们的折射率。纤芯的折射率稍大于包层的折射率。6一、基础知识2、光纤传感器的工作原理及分类由于光纤既是一种电光材料又是一种磁光材料，它与电和磁存在某些相互作用的效应，因此它具有“传”和“感”的两种功能。按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为传光型和功能型两种类型。

图7.3光纤传感器基本形式7二、课题实施光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几微米的位移量。如图7.4所示的微小位移传感器是一种传光型光纤传感器，光从光源耦合到发射光缆，照射到被测物表面，再被反射回接收光缆，最后由光敏组件接收。这两股光缆在接近被测物之前汇合成Y型，汇合后的光纤端面被仔细磨平抛光。图7.5是接收的相对光强与距离d的关系，峰值以左的线段1具有良好的线性，可用测量得到的光强值来检测位移。所用光缆中的光纤可达数百根，可测几百微米的小位移。图7.4光纤位移传感器原理图

图7.5光纤位移传感器特性曲线8三、课题小结在本课题中，要理解光纤传感器的定义；熟悉光纤传感器的基本结构；掌握光纤传感器的分类及其工作原理；熟练应用光纤位移传感器进行微小位移的测量；了解不同类型的光纤传感器测量相应物理量的方法。

9课题二红外传感器10一、基础知识

图7.9红外传感器组件

用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，这样的传感器叫做红外传感器。与用可见光作为媒介的检测方法相比，红外传感器具有以下几方面的优点：（1）可昼夜测量。（2）不必设光源。（3）适用于遥感技术。

11一、基础知识1、红外辐射红外辐射简称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－2730C），就会有红外线向周围空间辐射。图7.10电磁波谱12一、基础知识1、红外辐射

红外线是位于可见光中红色光以外的光线，它的波长范围大致在0.75~1000um的频谱范围内，相对应频率大致在HZ之间。

红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

13一、基础知识2、红外传感器的种类目前，市场上的红外传感器主要有以下两种：（1）利用因基于黑体辐射的红外能量的吸收而产生的温度变化的加热型红外传感器。包括热释电型红外传感器和热电堆等。（2）利用因由入射光能量激励的电子而产生的电导率变化或者电动势的量子型红外传感器。包括光敏二极管和光敏电阻器等。

由于热释电型红外传感器自身具有的优点，特别是它能在室温条件下工作，所以，它是目前用得最广的红外线传感器。14一、基础知识3、热释电型红外传感器热释电型红外传感器是利用热释电效应而制作的红外传感器。所谓热释电效应，就是由于温度的变化而产生电荷的一种现象。

1－内接线；2－氧化膜；3－FZT组件；4－铝件；5－接脚；6－场效应晶体管EFT；7－空洞图7.12热释电型红外传感组件的基本结构

图7.13热释电型红外传感组件的等效电路

图7.11热释电型红外传感器组件15一、基础知识4、热释电型红外传感器使用注意事项由于热释电型红外传感器的输入阻抗极高，非常容易引入噪声，因此最好能够对它进行电学屏蔽。在采用金属封装的情况下，因为外壳接地，所以本身就可以作为屏蔽使用，而在塑料封装的情况下，则需要有另外的屏蔽方法。

16二、课题实施在非典时期，为了防止感染，测温不得靠近人体。在这样的特殊要求下，就可以采用非接触式的温度监测器，它也是由热释电型红外传感器作为温度检测传感器。

图7.14非接触式温度检测器图7.15

非接触式温度检测电路

17三、课题小结在本课题中，要理解红外传感器的定义；熟悉其基本工作原理；熟练运用热释电型红外传感器，了解其相应的型号和外型，分析其相应的工作电路。

18课题三图像传感器19一、基础知识图像传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，它利用光敏元器件的光－电转换功能，将元器件感光面上感受到的光线图像转换为与光像成一定比例关系的电信号，并作相应处理后输出的一种功能器件。它能够实现图像信息的获取、转换和视觉功能的扩展。

20一、基础知识图7.20常见图像传感器实物外形图

21一、基础知识1、光电效应

通常把光线照射到某个物体上，物体吸收光线中的能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光电效应可分为内光电效应与外光电效应。内光电效应是吸收外部光线中的能量后，带电微粒仍在物体内部运动，只是使物体的导电性发生了较大变化的现象，它是半导体图像传感器的核心技术；外光电效应则是受外来光线中能量激发的微粒逃逸出物体表面，形成空间中的众多自由粒子的现象，真空摄像管、图像增强器等元器件根据这一原理工作。可见，光电效应是图像检测的基础。

22一、基础知识2、图像检测系统组成

光辐射图像图像传感器视频信号图像处理显示图7.21图像传感器在图像检测系统中的作用

图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利用转换电路将其转化为数字信号，再用计算机硬件对信号进行处理，得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步信息的检测系统。作为“光→电”转换关键环节的图像传感器，无疑在其中扮演着重要角色。

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目前，固态图像传感器主要分为三类，即电荷耦合式图像传感器（CCD）、CMOS图像传感器和接触式摄像传感器（CIS）等，前两种类型占据市场主流。

一、基础知识3、固态图像传感器

固态图像传感器是数码相机、数码摄像机的关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。它在工业测控、字符阅读、图像识别、医疗仪器等方面得到广泛应用。固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光信号转换为电信号的功能；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并将其按时间取出的扫描功能。图7.22固态图像传感器24一、基础知识4、CCD图像传感器CCD是英文ChargeCoupledDevices的缩写，中文通常将其译成“电荷耦合器件”。从结构上，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两种。

图7.23CCD图像传感器

输出转移栅光敏面存储区（遮光）图7.24线阵CCD器件芯片结构示意图

25一、基础知识4、CCD图像传感器输出光敏区存储区水平寄存器转移栅垂直寄存器光敏区输出图7.25面阵CCD芯片结构示意图

(a)FTCCD(b)ILTCCD

26二、课题实施项目名称：用线阵CCD传感器测量工件尺寸

图7.26

线阵CCD传感器测量工件尺寸示意图

通常，快速自动检测工件尺寸系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图像传感器和微处理机等。如图7.26所示，被测工件成像在CCD图像传感器的光敏数组上，产生工件轮廓的光学边缘。时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元顺次询问，视频输出反馈送到脉冲计数器，并