《传感器技术及应用（第2版）》课件 周彦 第8-11章 热电式传感器-传感器技术前沿

传感器技术及应用（第2版）第8章热电式传感器其他温度传感器1.2热电偶式温度传感器8.18.2本章小结8.37.4第8章热电式传感器2本章内容引出3热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参量进行测量的装置。其中，将温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。8.1热电偶式温度传感器4热电偶的工作原理5热电偶是利用导体的热电效应将温度变化转换为电势变化的元件。热电效应是指将两种不同的金属材料A、B的两端连接成闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设T>T0），在回路中就会产生热电势，此现象称为热电效应。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。两端的温差越大，产生的热电势也越大。热电偶的工作原理6eAB(T)表示导体A、B的接点在温度T时形成的接触电势eAB(T0)表示导体A和B的接点在温度T0时形成的接触电势eA(T，T0)表示导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势eB(T，T0)表示导体B两端温度为T、T0时形成的温差电势eAB(T)和eAB(T0)是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电势图8-2热电效应热电偶的工作原理7两接点的接触电势eAB(T)和eAB(T0)可表示为巡游一周，总回路的热电势的大小可表示为由于接触电势远大于温差电势，忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为热电偶的工作原理8对于热电势，有以下四点说明：影响因素与形状、尺寸等无关，只取决于材料和接点温度。（均匀导线定律）两热电极相同时，总电动势为0。两接点温度相同时，总电动势为0。对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=C（常数），则总的热电势就只与温度T成单值函数关系，即可见，根据测量的eAB(T，T0)就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。热电偶的基本定律9等值定律用两种不同的金属组成闭合电路，如果两端温度不同，则会产生热电势。其大小取决于两种金属的性质和两端的温度，与金属导线尺寸、导线的温度及测量热电势在电路中所取位置无关。1.等值定律3.中间导体定律

2.均匀导体定律4.中间温度定律热电偶的基本定律10均匀导体定律用同一种金属组成闭合电路，则不管截面是否变化，也不管在电路内存在什么样的温度梯度，电路中都不会产生热电势。1.等值定律3.中间导体定律

2.均匀导体定律4.中间温度定律热电偶的基本定律11中间导体定律在热电偶回路中接入第三种金属，只要其两端温度相同，就不会使热电偶的热电动势发生变化。利用热电偶测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。1.等值定律3.中间导体定律

2.均匀导体定律4.中间温度定律热电偶的基本定律12中间温度定律热电偶回路两接点[T，T0]间的热电势等于热电偶在温度为（T，Tn）时的热电势与温度为（Tn，T0）时的热电势的代数和，Tn称为中间温度。1.等值定律3.中间导体定律

2.均匀导体定律4.中间温度定律热电偶的冷端温度补偿13当热端温度为T时，其对应的热电势eAB(T，0)与热电偶实际产生的热电势eAB(T，T0)之间的关系可根据中间温度定律得到，即由此可见，eAB(T0，0)是冷端温度T0的函数，冷端温度受周围环境温度的影响，难以自行保持为0℃或某一定值。为减小测量误差，需对热电偶冷端人为采取一定措施，使其温度为恒定，或用其它方法进行校正和补偿。热电偶的冷端温度补偿14热电偶补偿导线热电偶一般做得较短，为350~2000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样，冷端温度T0比较稳定。工程中常用的冷端温度补偿办法是采用补偿导线。在0~100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。热电偶补偿导线3.冷端温度修正法2.冷端0℃恒温法4.电桥补偿法热电偶的冷端温度补偿15冷端0℃恒温法在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃也可以将冷端放入盛油的容器内，利用油的热惰性保持冷端接近于室温；或者将容器制成带有水套的结构，让流经水套的冷却水来保持容器温度的稳定。适用于实验室中，在工业中使用极为不便。热电偶补偿导线3.冷端温度修正法2.冷端0℃恒温法4.电桥补偿法热电偶的冷端温度补偿16冷端温度补偿法根据中间温度定律：eAB(T，0)=eAB(T，T0)+eAB(T0，0)当工作端温度为T时，分度表可查eAB(T，0)与eAB(T0，0)，从而计算出校正后的热电势。热电偶补偿导线3.冷端温度修正法2.冷端0℃恒温法4.电桥补偿法热电偶的冷端温度补偿17电桥补偿法当环境温度T0升高时，热电势eAB(T，T0)减小，电桥电阻RCu因温度变化而变化，电桥输出电压UAB为：热电偶补偿导线3.冷端温度修正法2.冷端0℃恒温法4.电桥补偿法RCu增大时，电桥输出电压UAB增大，这样可以通过设计适当的桥臂电阻保持从而实现冷端温度自动补偿。图8-6热电偶冷端温度自动补偿法热电偶测温线路18测量单点温度普通测温线路，热电偶后面加上补偿导线，用以延长到仪表室接显示仪表带有温度补偿器的测温线路测量单点温度2.测量两点间温度差3.测量平均温度热电偶测温线路19测量两点间温度可采用热电偶反向串联来测量两点温差（注意：只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下）此时有测量单点温度2.测量两点间温度差3.测量平均温度热电偶测温线路20测量平均温度可采用热电偶并联（左图）或正向串联（右图）的方式来测量平均温度（注意：只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下）并联特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来，但不会中断整个测温系统的工作串联特点：热电势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即发现断路。缺点是只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。测量单点温度2.测量两点间温度差3.测量平均温度热电偶式加速度传感器21热源处于硅片的中央，硅片悬空。由铝和多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布，四周的热电偶温度一样，输出的电压也一样。由于自由热交换，任何方向的加速度都将打破温度分布平衡，使之分布不平衡，此时四个热电偶组的输出电压也将随之改变。热电偶输出的电压差和加速度成正比例。图8-11热电偶式加速度传感器热电偶式的加速度传感器目前多应用于低成本的测量领域，既可以测量动态加速度，也可以测量静态加速度。基于热交换原理，采用气体介质。其他温度传感器22热电阻工作原理：导体（或半导体）的电阻值随温度变化而改变，将电阻值的变化转换为电信号，通过测量其电阻值推算出被测物体的温度。目前最常用的热电阻有铂电阻和铜电阻。铂电阻：特点是精度高、稳定性好、性能可靠，测量范围为-200~850℃铜电阻：用于对测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围为-50~150℃。铜电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的。热电阻2.热敏电阻3.红外温度传感器其他温度传感器23热电阻的测量电路测量电路经常采用电桥电路。热电阻引线方式有二线制、三线制和四线制三种。对于不同的应用要求，可采用不同接线方式。二线制：引线方式简单、费用低，但引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。适于引线不长、测温精度要求较低的场合三线制：用于工业测量，一般精度四线制：实验室用，高精度测量热电阻2.热敏电阻3.红外温度传感器其他温度传感器24热敏电阻热敏电阻是利用半导体（某些金属氧化物如NiO、MnO2、CuO、TiO2）的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。一般测温范围为－50~+300℃。热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数（PTC）型、负温度系数（NTC）型和临界温度系数（CTR）型热敏电阻是非线性电阻，在小电流情况下，电压降和电流成正比，这一工作区是线性区，这一区域适合温度测量。随着电流增加，电压上升变缓，曲线呈非线性热电阻2.热敏电阻3.红外温度传感器其他温度传感器25热敏电阻的基本测温电路为了取得热敏电阻的阻值和温度成比例的电信号，需要考虑它的直线性和自身加热问题为了使输出U与温度有近似的线性关系，可以适当调整RS。热电阻2.热敏电阻3.红外温度传感器图8-14热敏电阻的基本连接电路其他温度传感器26红外温度传感器红外温度传感器是基于辐射原理来测温的。红外探测器是红外探测系统的关键元件。热电阻2.热敏电阻3.红外温度传感器图8-16红外测温仪工作原理图红外测温仪工作原理：被测物体的热辐射线由光学系统聚焦，经调制盘调制为一定频率的光能，落在红外探测器上经能量转换后输出电信号，最后经放大后进行显示或记录。光线通过调制盘的小孔照射到红外探测器上，圆盘由电机带动按一定频率正、反向转动，实现开（透光）、关（不透光），使入射线变为一定频率的能量作用在探测器上，表面温度测量范围为0~600℃。8.3本章小结2728本章主要介绍了热电偶温度传感器、热电阻温度传感器和红外传感器的工作原理和应用。在掌握热电偶温度传感器工作原理的基础上，应具备性质分析、冷端补偿以及测温电路设计的能力。读者应掌握各类温度传感器工作原理和测量电路。传感器技术及应用（第2版）第9章光电式传感器电荷耦合器件1.2光电效应与光电器件9.19.2CMOS图像传感器9.39.4第9章光电式传感器30光纤传感器9.5本章小结本章内容引出31光电式传感器是一种采用光电器件作为检测元件的传感器，其基本原理是以光电效应为基础。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电器件进一步将光信号转换成电信号。现代化生活离不开光电式传感器，如扫描仪、打印机、液晶显示器、色度计、分光计、汽车和医疗诊断仪器等。9.1光电效应与光电器件32光电效应33在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。这类光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化的物理现象被人们统称为光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类外光电效应34在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。根据爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的。不同频率的光子，具有不同的能量。每个光子具有的能量为

式中，

为普朗克常数；

为光的频率(Hz)若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功A0时，电子便逸出物体表面，产生光电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超过逸出功A0。超过部分的能量表现为逸出电子的动能，即

式中，m为电子质量，

v0为电子逸出速度爱因斯坦光电效应方程外光电效应35光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。这意味着每种物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。当光线的频率大于红限频率时，被照射的物体会产生光电子发射。光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无关。光的强度越大，单位时间里入射到金属上的光子数就越多，吸收光子后，从金属表面逸出的光电子数也越多，因此，光电流也就越大，即饱和光电流或光电子数与光的强度之间成正比关系。一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需积累能量的时间，所以光照射后，立刻有光电子发射。内光电效应36某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子-空穴对，致使材料电性能改变的现象称为内光电效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏晶体管等。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应两类：光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而导致材料电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。如光敏电阻光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。如光电池光电器件37光电管光电管是基于外光电效应的基本光电转换器件。在一个抽成真空（真空光电管）或充以惰性气体（充气光电管）的玻璃管内装有两个电极：光电阴极和光电阳极，并且密封在一只真空玻璃管内，阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I1.光电管

4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻图9-2光电管的结构光电器件38光电倍增管当入射光很微时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，很不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或钢

铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。次阴极多的可达30级，通常为12~14级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻图

9-5光电倍增管的外形与工作原理光电器件39使用光电倍增管时，在各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第1个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出3~6倍个次级电子，被打出来的次级电子再经过电场的加速后，打在第2个倍增电极上，电子数又增加3倍~6倍，如此不断倍增，光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。因此，光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍，在极微弱的光照时，其就能产生很大的光电流。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻光电器件40光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻图9-7硫化镉光敏电阻的结构与符号1-光导层2-玻璃窗口3-金属外壳4-电极5-陶瓷基座6-黑色绝缘玻璃7-电极引线光电器件41光电二极管光电二极管是一种PN结单向导电性的结型光电器件。在无光照时，处于反偏的光敏二极管，工作在截止状态，这时只有微小的反向电流即暗电流。当光敏二极管受到光照时，P区少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻图

9-8光电二极管工作原理光电器件42光电晶体管光电晶体管与光电二极管的结构相似，内部有两个PN结。当基极开路时，基极-集电极处于反偏。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子—空穴对，在内电场作用下，定向运动形成增大了的反向电流即光电流。由于光照射集电结产生的光电流相当于一般晶体管的基极电流，因此集电极电流被放大了β+1倍，从而使光电晶体管具有比光电二极管更高的灵敏度。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器

3.光敏电阻图

9-9光电晶体管的原理和电路图

光电器件43光电耦合器光电耦合器是由发光元件和光电元件同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。光电耦合器的结构有金属密封型和塑料密封型两种。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器3.光敏电阻图9-10光电耦合器结构图光电器件44光电耦合器光电耦合器中的发光元件通常采用砷化镓发光二极管，是一种半导体发光器件，与普通二极管一样，管心由一个PN结组成，具有单向导电的特性。当给PN结加以正向电压后，空间电荷区势垒下降，引起载流子的注入，P区的空穴注入到N区，注入的电子和空穴相遇而产生复合，释放出能量。对于发光二极管来说，复合时放出的能量大部分以光的形式出现。此光为单色光，对于砷化镓发光二极管来说波长为0.94μm左右。随正向电压的提高，正向电流增加，发光二极管产生的光通量亦增加，其最大值受发光二极管最大允许电流的限制。1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器3.光敏电阻光电器件45光电耦合器光电耦合器的组合形式有四种（a）所示的形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内（b）为采用高速开关管构成的高速光电耦合器，适用于较高频率的装置中（c）的组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于接驱动和较低频率的装置中（d）为采用固体功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器1.光电管4.光电二极管和光电晶体管2.光电倍增管5.光电耦合器3.光敏电阻图

9-11光电耦合器的组合形式光电传感器的类型及应用46模拟式光电传感器测量系统是把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。光辐射源本身是被测物，被测物发出的光通量射向光电元件（图a）恒光源是白炽灯（或其它任何光源），光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上（图b）恒光源发出的光通量射到被测物，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上（图c）从恒光源发射到光电元件的光通量遇到被测物，被遮蔽了一部分（图d）1.模拟式光电传感器2.开关式光电传感器图

9-13光电元件的应用形式1—被测物2—光电元件3—光源光电传感器的类型及应用47开关式光电传感器利用光电元件受光照或无关照时“有/无”电信号输出的特性，将被测量转换成断续变化的开关信号。此类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警等装置1.模拟式光电传感器2.开关式光电传感器9.2光电耦合器件48CCD工作原理及特性49电荷耦合器CCD传感器是由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位，它使用一种高感光度的导体材料制成，能够将光信号转变成电荷信号。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单元将入射光强的大小以电荷数量的多少反映出来，这样所有感光单元所产生的信号组合在一起，构成了一幅完整的图像。CCD不同于大多数以电流或电压为信号的器件，它是以电荷作为信号载体，CCD基本功能表现为信号电荷的产生、存储、传输和检出（即输出）。CCD工作原理及特性50光电荷的产生光电荷产生的方法主要分为光注入和电注入两类，通常的CCD传感器一般采用光注入方式。当光照射到CCD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所排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD工作原理及特性51光电荷的存储CCD的基本单元是MOS结构，其作用是将产生的光电荷进行存储。栅极G电压为零，P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的（图a）；施加了正偏压UG，在空穴中产生了耗尽区；施加的电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸（c）所示，当UG>Uth

时，半导体内的电子（少数载流子）被吸引到表面，形成一层很薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在则表明了MOS结构存储电荷的功能。图

9-15单个CCD栅极电压变化对耗尽层的影响CCD工作原理及特性52光电荷的转移通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。为了实现转移，CCD电极间的间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极转移到相邻电极下，电极间的间隙由电极结构、表面态密度等因素决定。CCD工作原理及特性53光电荷的输出光电荷的输出是指在光电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出，也称为光电荷的检出。目前CCD的主要输出方式有电流输出、浮置扩散放大输出和浮置栅极放大输出。CCD的性能参数54CCD图像传感器的光电转换特性如右图所示。图中x轴表示曝光量，

y轴表示输出信号幅值，QSAT表示饱和输出电荷，HS表示饱和曝光量；

QDARK表示暗电荷输出，即无光照射时CCD的输出电荷，良好的CCD传感器应具有低的暗电荷输出。1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性

7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围由图可以看出，输出电荷与曝光量之间有一线性工作区域，在曝光量不饱和时，输出电荷Q正比于曝光量E，当曝光量达到饱和曝光量ES后，输出电荷达到饱和值QSAT，并不随曝光量增加而增加。曝光量等于光强乘以积分时间：

式中H—光强；

Tint积分时间，即起始脉冲的周期图

9-19CCD光电转换特性CCD的性能参数55CCD传感器的灵敏度或称量子效率标志着器件光敏区的光电转换效率，用在一定光谱范围内，单位曝光量下器件输出的电流或电压表示。CCD光电换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度S由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器件的输出幅度出现灵敏度不均匀现象，通常用NU值表示其不均匀性1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD的性能参数56光谱响应特性表示CCD对于各种单色光的相对响应能力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应

所对应的波长范围称为波长响应范围。CCD器件的光谱响应范围基本上是由使用的材料性质决定的，但是也与器件的光敏元结构和所选用的电极材料有密切关系。1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD的性能参数57CCD器件在既无光注入又无电注入的情况下的输出信号称为暗信号，它是由暗电流引起的。产生暗电流的原因在于半体的热激发，主要包括3部分：耗尽层产生复合中心的热激发；耗尽层边缘的少数载流子的热扩散界面上产生中心的热激发。暗电流的存在，每时每刻地加入到信号电荷包中，与图像信号电荷一起积分，形成一个暗信号图像，叠加到光信号图像上，降低了图像的分辨力。暗电流的存在会占据CCD势阱的容量，降低器件的动态范围。CCD传感器的动态范围DR是指饱和输出信号与暗信号之比值。1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD的性能参数58分辨力是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨力通常有两种不同的表示方式：极限分辨力：指人眼能够分辨的最细线条数，通常用每毫米线对数LP/mm来表示调制传递函数：在各个空间频率下，CCD器件的输出信号的调制度

与输入信号的调制度

的比值

式中，

为空间频率1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD的性能参数59转移效率：CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时转移效率定义为

式中Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷量。当信号电荷进行N次转移时，总效率为CCD转移效率必须达到99%~99.999%工作效率：CCD器件的下限工作频率主要受暗电流限制；CCD器件的上限工作频率主要受电荷转移快慢限制。1.光电转换特性5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD的性能参数60CCD的噪声源可归纳为3类：散粒噪声：光注入光敏区产生信号电荷的过程可以看作是独立、均匀连续发生的随机过程。单位时间内光产生的信号电荷数并非绝对不变，而是在一个平均值上作微小波动，这一微小的起伏便形成散粒噪声，又称白噪声。暗电流噪声：暗电流噪声可以分为两部分。其一是耗尽层热激发产生，可用泊松分布描述。其二是复合产生中心非均匀分布，特别是在某些单元位置上形成暗电流尖峰。转移噪声：转移噪声产生的主要原因有：转移损失引起的噪声、界面态浮获引起的噪声和体态浮获引起的噪声。1.光电转换特性

5.分辨力2.灵敏度和灵敏度不均匀性6.转移效率和工作效率3.光谱响应特性7.CCD的噪声4.暗电流特性和动态范围CCD图像传感器的原理61CCD图像传感器是利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能。当一定波长的入射光照射CCD时，若CCD的电极下形成势阱，则光生少数载流子就积聚到势阱中，其数目与光照时间和光强度成正比。使用时钟控制将CCD的每一位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测出，则可以得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。CCD图像传感器可以分为线列和面阵两大类，它们各具有不同的结构和用途。CCD线列图像器件62CCD线列图像器件由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器（即CCD）、胖零（即偏置）、电荷注入电路、信号读出电路等几部分组成。图

9-22线列CCD图像器件结构CCD面阵图像器件63面阵图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，组成感光区。面阵图像器件能够检测二维CCD面阵图像器件的平面图像。由于传输和读出的结构方式不同，面阵图像器件有许多种类型。常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。a)行传输b)帧传输c)行间传输图

9-25CCD面阵图CCD传感器的应用64微小尺寸检测：通常用于对微隙、细丝或小孔的尺寸进行检测。对微小尺寸的检测一般采用激光衍射的方法。当激光照射细丝或小孔时，会产生衍射图像，用阵列光电器件对衍射图像进行接收，测出暗纹的间距，即可计算出细丝或小孔的尺寸。1.尺寸检测2.表面缺陷检测3.机器人视觉导航系统CCD传感器的应用65物体轮廓尺寸的检测：实现对物体的形状识别或轮廓的尺寸检验。轮廓尺寸的检测方法有两种：投影法和成像法。用于轮廓尺寸检测的光电阵列器件可以是线列，也可以是面阵。采用面阵器件时不仅可以提高检测速度，而且检测精度也比用线列器件高得多。1.尺寸检测2.表面缺陷检测3.机器人视觉导航系统CCD传感器的应用66在自动化生产线上，经常需要对产品的表面质量进行检测，以作为产品质量检验的一个方面，或者作为控制的反馈信号。采用光电阵列器件进行物体表面检测时，根据不同的检测对象，可以采用投射法和反射法。1.尺寸检测2.表面缺陷检测3.机器人视觉导航系统图9-28透明体的缺陷检测1-线列光电器件2-成像透镜

3-被测物体4-光源图

9-29表面缺陷的反射检测1-光源2-线阵光敏器件3-成像透镜4-被测物体CCD传感器的应用67基于视觉的机器人导航是一种利用视觉传感器来引导机器人移动的技术。机器人视觉系统的组成如图9-31所示，由全程摄像机、下位机和控制软件（控制程序、视觉数据库）等组成。机器人视觉系统的工作原理框图如图9-32所示。1.尺寸检测2.表面缺陷检测3.机器人视觉导航系统图9-31机器人视觉系统的组成

图9-32机器人视觉系统的工作原理9.3CMOS图像传感器68CMOS概述69CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）早期由于受集成电路设计和工艺水平的限制，CMOS图像传感器无法克服灵敏度低和抗干扰能力差的缺点。到了20世纪80年代，爱丁堡大学成功地试制出世界上第一块单片图像传感芯片，为CMOS图像传感器实用化开通了道路。目前广泛应用于智能手机、数码相机、安防、自动驾驶、工业控制和医疗器械等领域CMOS图像传感器的结构70CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行地址译码器、列地址译码器、A/D转换器、逻辑时序控制电路、接口电路等几部分组成，并且被集成到同一块硅片上。图9-33CMOS图像传感器的组成CMOS图像传感器的结构71工作过程一般分为复位、光电转换、积分、读出几部分像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它的X、Y方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；每一列像敏单元对应一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码器进行选择的多路模拟开关，并输出至输出放大器；输出放大器的输出信号送A/D转换器进行模/数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。时序脉冲发生器用于为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲。CMOS图像传感器的工作原理：像敏单元72像敏单元是指每个成像单元的电路结构，它是CMOS图像传感器的核心组件。工作原理是：场效应管VT1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，VT1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失时，VT1截止，光电二极管开始积分光信号。场效应管VT2是一个源极跟随放大器，它将光电二极管的高阻输出信号进行电流放大。场效应管VT3用作选址模拟开关，当选通脉冲引入时，VT3导通，使得被放大的光电信号被输送到列总线上，然后经过公共放大器放大后输出。CMOS图像传感器的工作原理：像敏阵列73像敏阵列由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏单元组成。在Y方向地址译码器的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关S，信号通过开关送至列线，再通过X方向上的地址译码器的控制，传送到放大器。开关的选通是由两个方向的地址译码器上所加的数码控制的，实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式，也可以只输出某一行或某一列的信号，使其采用与线阵CCD类似的工作方式。CMOS图像传感器的性能参数74填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数等的影响很大。提高填充因子，即增大光敏面积，能提高灵敏度、降低噪声并提高器件的工作速度。常用的提高填充因子的方法有两种：微透镜法和采用特殊的像敏单元结构。1.填充因子2.像素总数和有效像素数3.动态范围4.噪声CMOS图像传感器的性能参数75像素总数是指所有像素的总和，是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素，它直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。1.填充因子2.像素总数和有效像素数3.动态范围4.噪声CMOS图像传感器的性能参数76动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定，反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD图像传感器的动态范围，其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比，通常用dB表示。1.填充因子2.像素总数和有效像素数3.动态范围4.噪声CMOS图像传感器的性能参数77噪声一直是限制CMOS图像传感器占领市场的重要因素之一。噪声来源主要是光敏器件的噪声、MOS场效应晶体管中的噪声和CMOS图像传感器中的工作噪声。1.填充因子2.像素总数和有效像素数3.动态范围4.噪声CMOS图像传感器的应用78景物通过镜头照射到CMOS图像传感器上，当用户感到满意时，半按快门，主控CPU开始计算对焦距离、快门速度和光圈大小，由ASIC集成电路发出信号给取景器电路进行自动聚焦和快门、光圈调整。全按下快门，ASIC集成电路发出信号给取景器电路进行信号锁定，再由CMOS图像传感器转换为串行模拟脉冲信号输出。该串行模拟脉冲信号经放大器放大，再由A/D转换器转换为数字信号，存储在存储卡上。存储卡上的图像数据可以传送到微型计算机保存和显示。图9-37数码相机的组成框图9.4光纤传感器79光纤的结构80光纤由纤芯、包层、保护层组成纤芯由二氧化硅或塑料制成，有时为了提高光的折射率，掺入微量杂质，如二氧化锗或五氧化二硫等。包层包裹在纤芯的外面，根据需要可制成单层或多层，材料一般为二氧化硅，掺入微量三氧化二硼或四氧化硅，以降低其对光的折射率，使光信号封闭在纤芯中传输。保护层：增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还能提高光纤传输信号的稳定性和可靠性。光纤的传光原理81光纤的传播基于光的全反射原理，当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤。(a)一部分透射到包层，一部分反射回纤芯;(b)临界状态,光沿着交界面传播;入射角称为临界角θi0(c)入射光全部被反射回来（

θi<θi0）。（a）

（b）

（c）光纤的传光原理82N0为入射光在外介质的折射率。N1和N2分别为纤芯和包层的折射率。临界入射角θi0为光纤临界入射角的大小由光纤本身的性质（N1、N2）决定，与光纤的几何尺寸无关。只要满足入射角θi<θi0，入射光就可以在纤芯和包层界面上反射，经若干次反射向前传播，最后从另一端面射出。外介质为空气时光纤传感器的原理与结构83光纤传感器泛指使用了光纤技术的各类传感器。它将来自光源的光经过光纤送入敏感元件，待测参数与进入调制区的光相互作用，使得光的光学性质如光的强度、偏振态、频率、相位、波长等发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后光信号变为电信号，从而获得被测参数。光纤传感器的原理与结构84光纤传感器主要包括光源、光纤、敏感元件、光探测器和信号处理电路五个部分光源即光发送器，相当于一个信号源，负责信号的发射光纤是传输媒介，负责信号的传输敏感元件（光纤的或非光纤的）用于感知外界信息，相当于调制器光探测器即光接收器，负责信号的转换，将光纤送来的光信号转换成电信号，相当于解调器信号处理电路的功能是对电信号进行放大等处理。光纤传感器的原理与结构85光是一种电磁波，讨论光的敏感测量时，必须考虑光的电矢量E的振动只要光的强度、偏振态、频率和相位等参量中任意一个参量随被测量状态的变化而变化，即可实现被测量的调制。再通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，从而获得所需要的被测量的信息。A为电矢量E的振幅；ω为光波的振动频率；

为光相位；t为光的传播时间（9-22）光纤传感器的分类86根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器三种。功能型光纤传感器：光纤不仅起着传光作用，而且也是敏感元件，将“传”和“感”合为一体，利用被测量直接或间接对光纤中传送光的光强、偏振态、相位、波长等进行调制。优点：灵敏度高缺点：制作技术难度高、结构复杂、调整困难1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的分类87根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器三种。非功能型光纤传感器：光纤不是敏感元件，只是起着传输光波的作用。通常在光纤的端面放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测。优点：结构简单、工作可靠、原理简单。缺点：灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器，一般适用于对灵敏度要求不高的场合1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的分类88根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器三种。拾光型光纤传感器：用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其发射、散射的光。优点：结构简单、成本低缺点：灵敏度较低1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的分类89根据对光波的调制方式，光纤传感器可分为强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器和相位调制型光纤传感器四种。强度调制型光纤传感器：利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光的强度变化来实现对被测量的测量。优点：结构简单、成本低、容易实现。缺点：受光源强度波动和连接器损耗等影响较大。1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类图9-43强度调制的调制原理光纤传感器的分类90根据对光波的调制方式，光纤传感器可分为强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器和相位调制型光纤传感器四种。偏振调制型光纤传感器：利用光的偏振状态的变化来传递被测对象信息的。优点：可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。缺点：不容易实现。偏振调制的机理有电光效应、磁光效应和光弹效应。1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类普克尔效应法拉第磁光效应光弹效应实验装置光纤传感器的分类91根据对光波的调制方式，光纤传感器可分为强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器和相位调制型光纤传感器四种。频率调制型光纤传感器：利用光学多普勒效应来实现对被测量的测量。优点：高灵敏度。光学多普勒效应：当光发送器和光接收器都不动时，光源发出的频率为f0的光波，经过运动体散射和反射后，由光接收器接收到的光波频率fs发生变化。多普勒效应引起的光波频率变化量

称为多普勒频移。1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的分类92光学多普勒效应：当光发送器和光接收器都不动时，光源发出的频率为f0的光波，经过运动体散射和反射后，由光接收器接收到的光波频率fs发生变化。多普勒效应引起的光波频率变化量

称为多普勒频移。运动体的速度大小为v，运动方向与光源光波发射方向之间的夹角为θ1，运动方向与光接收器之间的夹角为θ2，则光接收器接收到运动体反射的光波频率fs为1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的分类93根据对光波的调制方式，光纤传感器可分为强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器和相位调制型光纤传感器四种。相位调制型光纤传感器：利用被测量引起敏感元件的折射率或传播常数发生变化，从而导致光的相位变化，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，从而获得被测量信息。优点：灵敏度高。缺点：成本高。如：相位调制型光纤传感器测温，相位的变化

与温度变化

的关系为1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类L为光纤的长度；λ0为自由空间光波长；n为纤芯的平均折射率；α为线膨胀系数；β为传播常数；r为纤芯的半径；为折射率的温度系数光纤传感器的分类94根据其检测对象，光纤传感器可分为光纤压力传感器、光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等类别。1.根据光纤在传感器中的作用分类2.根据对光波的调制方式分类3.根据光纤传感器的检测对象分类光纤传感器的应用95光纤温度传感器由光源、光纤、半导体光吸收器和光敏探测器组成。当光源的光以恒定的强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制，调制的透过光由光纤传送到光敏探测器，转换为电信号输出。1.光纤温度传感器2.光纤位移传感器3.光纤加速度传感器图9-48光纤温度传感器光纤传感器的应用96光纤温度传感器由光源、光纤、半导体光吸收器和光敏探测器组成。光纤温度传感器结构简单、体积较小，测温范围为-20~300℃，测量精度为±3℃，响应时间约为2s，可以在电磁干扰等恶劣的环境中工作。在无人装备系统中，可用于机器人的温度感知和温度控制，通过将光纤传感器布置在机器人的关键部位，实时监测环境温度和机器人自身的温度变化，从而帮助机器人实现温度控制和保护。1.光纤温度传感器2.光纤位移传感器3.光纤加速度传感器光纤传感器的应用97反射式光纤位移传感器利用光纤传输光信号的功能，根据检测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。1.光纤温度传感器2.光纤位移传感器3.光纤加速度传感器（a）（b）图9-49光纤位移传感器的工作原理（a）剖面图；（b）立体图；光纤传感器的应用98光纤加速度传感器：激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，质量块的惯性力使顺变体变形，使得绕于顺变体上的单模光纤长度发生变化（b），引起测量光纤和参考光纤光程差的改变，从而使到达干涉仪的两束光的相位发生改变，产生干涉效应。干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过信号处理电路处理后便可测出加速度。1.光纤温度传感器2.光纤位移传感器3.光纤加速度传感器光纤加速度传感器（a)（b)9.5本章小结99100学习本章，应该从原理出发，掌握各种光电式传感器的特性，区别异同优缺；从应用着手，建立系统的思想和直观的感受。同时，光电式传感器日新月异，更应注重对新型光电式传感器的不断学习。随着智能传感器的兴起，将光电式传感器与智能设备的融合和再创造，必将拓展光电式传感器的应用与技术进步。传感器技术及应用（第2版）第10章波式与射线式传感器红外传感器1.2超声波传感器10.110.2微波传感器10.310.4第10章波式与射线式传感器102激光传感器10.5核辐射传感器10.6本章小结本章内容引出103本章介绍超声波式、红外式、微波式、激光式和核辐射式等五种类型的波式与射线式传感器，这类非接触式传感器可以实现精确、快速、自动无损检测各种参数，应用于多种场合，如雷达、遥感、红外跟踪、警戒、工业探伤和材料成分分析等。10.1超声波传感器104超声波的类型105声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同，超声波的波形也不同，按传播方式通常可分为以下三种：横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波，它只能在固体中传播，主要用于检测物体的表面缺陷。纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播，主要用于检测物体的内部结构。表面波是质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。表面波只能沿着固体的表面传播，主要用于检测物体的表面缺陷。超声波的物理性质106超声波的波速超声波在气体、液体中的传播速度：在常温下，超声波在空气中的传播速度为334m/s在水中的传播速度约为1440m/s超声波在固体中的传播速度在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常认为横波声速为纵波声速的一半，表面波的声速约为横波声速的90%。在常温下，超声波在钢铁中的传播速度约为5000m/s。ρ—介质的密度Ba—绝对压缩系数（10-1）超声波的物理性质107超声波的反射与折射当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上一部分被反射回原介质的波称为反射波，另一部分透过分界面在另一种介质内部继续传播的波称为折射波。超声波的物理性质108超声波的反射与折射反射定律入射角α与反射角α’的正弦之比等于入射波速度c1与反射波的速度c2之比。折射定律入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波在介质1中的波速c1与折射波在介质2中的波速c2之比，即图10-1波的反射与折射超声波传感器的性能109工作频率压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用的功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感器的应用110当A为发射换能器，B为接收换能器时。超声波为顺流方向传播，顺流传播时间t1为当B为发射换能器，A为接收换能器时。超声波为逆流方向传播，逆流传播时间t2为超声波顺、逆流传播时间差为可得被测流体的平均流速为×管道截面积流量1.超声波测流量2.无损探伤超声波传感器的应用111超声波透射型探伤：根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。优点指示简单，适用于自动探伤可避免盲区，适宜探测薄板缺点探测灵敏度较低，不能发现小缺陷根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位对两探头的相对位置要求较高超声波测流量无损探伤图10-3透射型探伤原理图超声波传感器的应用112超声波反射型探伤：根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。超声波测流量无损探伤图10-4反射型探伤原理图10.2红外传感器113红外辐射概述114红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，因其光谱位于可见光中的红色光之外，故称红外线。红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于热力学温度0K（-273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量。物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的，物体的温度越高，辐射出的红外线越多，辐射的能量就越强。红外辐射最大的特点是具有光热效应，处于光谱中最大光热效应区，因此又将红外辐射称为热辐射。红外辐射概述115红外线具有以下特征：在近红外区时，具有可见光的某些特征，如直线传播、反射、折射、散射、衍射等；在远外红区时，具有较强的穿透能力，能穿透大部分半导体和一些塑料等不透明物质。红外线在介质中传播会产生衰减，特别是在金属中传播时衰减很大。大部分液体对红外线吸收很大；气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带。红外线具有良好的隐蔽性和保密性，环境光线对它影响很小，抗干扰能力强。红外传感器的工作原理116红外传感器是将红外辐射能转换为电能的一种光敏元件，通常称为红外探测器。常见的红外探测器有两类：热探测器和光探测器参数热探测器光探测器波长范围所有波长只对狭小波长范围灵敏度高响应时间ms以上ns级探测性能与器件尺寸、形状、工艺有关与器件尺寸、形状、工艺无关适用温度无需冷却多数需要冷却红外传感器的工作原理117根据发出方式不同，红外传感器还可分为主动型和被动型两种：主动型红外传感器包括红外发射器和红外接收器，它们配套使用可组成一个完整的红外线发送与接收遥控系统。被动型红外传感器只有接收传感器，在背景物体红外特性稳定的状态下，用于检测背景中出现突变的红外特性。红外传感器的应用118红外无损检测技术主要基于红外辐射理论，对物体内部能量流动情况进行测量，最后使用红外热像仪显示检测结果，在直观上对缺陷进行判定的一种方法。在实施无损检测时，向试件注入热量，当试件内部存在缺陷时，就会在试件有缺陷区和无缺陷区形成温差。由于试件局部温差的存在，必然导致红外辐射强度的不同，利用红外热像仪即可检测出温度的变化状况，进而判断缺陷的情况。1.红外无损检测2.红外监控红外传感器的应用

1191.红外无损检测2.红外监控图10-5缺陷表面温度分布图红外传感器的应用

120红外无损检测装置根据是否需要外加激励源可分为主动式和被动式两种：主动式红外检测：人为地为被测物体注入（或移出）热量，被测物体内部温度不必达到稳定状态，探测物体表面热量或热流变化规律，并以此分析判断物体有无缺陷。被动式红外检测：不需要加载热源，通过探测被测物自身红外辐射的强弱或分布情况来判断内部有无缺陷。图10-6红外无损检测系统原理框图1.红外无损检测2.红外监控红外传感器的应用

121在探测器前端安装有光学镜头，当有人体经过或移动时，人体辐射的红外线经光学透镜传递给热释电元件。传感器将热-电转换信号送放大器放大，1.5MΩ反馈电阻可调节放大器的放大倍数，二极管D与电阻、电容组成低通滤波器。当信号幅值达到某一限定值时，可用比较器控制输出驱动蜂鸣器报警。1.红外无损检测2.红外监控图10-7热释电红外报警控制电路原理10.3微波传感器122微波概述123微波：波长介于红外线和无线电波之间的电磁波，其频率范围大约300MHz~300GHz之间，所对应的波长为1mm~1m之间，可以细分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。微波既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同，是一种波长相对较长的电磁波。其特点如下：微波易于产生，发射装置容易制造定向性好，遇到障碍物容易反射，绕射能力差介质对微波能量的吸收与介质的介电常数成正比例传输损耗小，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小微波传感器的原理及构成124微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件，可感应物体的存在、移动速度、距离、角度等信息。由发射天线发出微波，该微波信号在传播过程中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透过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将其转换成电信号，再经过信号调理电路后显示出被测量，就实现了微波检测。微波传感器的原理及构成125微波传感器通常由微波振荡器、微波天线和微波检测器三部分组成。微波振荡器是产生微波的装置。通常构成微波振荡器的器件有调速管、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。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（波长在10cm以上可用同轴电缆）传输到发射天线，并发射出去。为了使发射的微波波束具有较小的发散角度和尖锐的方向性，天线要有特殊的结构。常用的天线结构有喇叭形、抛物面等。（a）圆锥形喇叭天线

（b）旋转抛物面天线图10-8常用的微波天线

微波传感器的分类126根据微波的传输特性，可将微波传感器分为以下两类：反射式微波传感器：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实现被测量的检测，通常可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。遮断式微波传感器：利用微波穿透物体时损耗特性的不同来实现检测目的，它通过检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、被测物的含水量等参数。微波传感器的特点127实现了非接触测量，检测速度快，灵敏度高，可以进行动态检测和实时处理，便于自动控制；有极宽的频谱（波长1mm~1m）可供选用,可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；可以在恶劣的环境条件下检测，如烟雾、粉尘、高温、高压、有毒、有放射线等环境条件下工作；输出信号可以方便地调制在载频信号上进行发射与接收，传输距离远，便于实现遥测与遥控。微波传感器的不足之处是零点漂移，不易标定，测量环境（温度、气压、取样位置等）对测量结果影响较大。微波传感器的应用128微波多普勒传感器是利用雷达将微波发射到被测对象，并接收返回的反射波来实现测量的。若对以相对速度v运动的物体发射微波，由于多普勒效应，反射波的频率发生偏移（称为多普勒频移），表示为当波遇到静止不动的物体时，其反射波的频率不改变；当物体靠近发射天线时,fd取“+”号；当物体远离发射天线时,fd取“-”号。只要确定了v、λ、θ中的任意两个参数，由于fd可测出，即可根据式（10-8）确定第三个参数，微波多普勒传感器通常用于测定物体的运动速度。1.微波多普勒传感器2.微波温度传感器（10-8）

fd—多普勒频率；v—物体的运动速度；λ—微波信号波长；θ—方位角。微波传感器的应用129如果要确定运动物体与发射天线间的距离，可发射两个不同波长的信号，引起信号初始相位的变化，即因此，只要测出不同波长λ1、λ2下的初始相位差

，即可确定距离r。微波多普勒传感器的应用非常广泛，如多普勒测速仪可用于交通管制的车辆测速雷达、水文站的流速测定仪、海洋气象站的海浪与热带风暴测定、火车进站的速度监控等。1.微波多普勒传感器2.微波温度传感器（10-11）微波传感器的应用130任何物体的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能，当该辐射热到达接收机输入端时，若仍然高于基准温度（或室温），在接收机的输出端将有信号输出。1.微波多普勒传感器2.微波温度传感器图中Ti为输入（被测）温度，Tc为基准温度，C为环行器，BPF为带通滤波器，LNA为低噪声放大器，IFA为中频放大器，M为混频器，LO为本机振荡器。当被测温度Ti与基准温度Tc不一致时，就会产生辐射，辐射强度通过环行器输出到带通滤波器，再通过低噪声放大器、混频器、中频放大器等处理得到被测温度。图10-10微波辐射仪原理框图10.4激光传感器131激光的产生机理132在一个原子体系中，电子基本上是分层运动的，有些原子处于低能级，有些处于高能级，一旦低能级原子受到外界光子的刺激，吸收一定的能量，会从低能级ε1跃迁至高能级ε2，这个过程称为光的受激吸收。处在高能级ε2的原子在适合条件的外来光的作用下，跃迁到低能级ε1而发光，这个现象称为受激辐射。受激辐射发出的光子与外来光子具有完全相同的频率、传播方向和偏振方向。通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子，这称为光的放大。激光的产生机理133在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于在低能级的数目,将其称为粒子数反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种工作物质中传播时，会变得越来越强。通常把处于粒子数反转分布状态的物质称为增益介质。激光的产生机理134为了使受激辐射的光具有足够的强度，还需设置一个光学谐振腔。光学谐振腔内设有两个面对面平行放置的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜，其间放有工作物质。当沿轴线方向行进的光遇到反射镜后，被反射折回，如此在两反射镜间往复运行并不断对有限容积内的工作物质进行受激辐射，产生雪崩式的放大，形成强大的受激辐射光，简称激光。激光的产生机理135激光的形成必须具备三个条件：具有能形成粒子数反转状态的工作物质—增益介质；具有供给能量的激励源；具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。将这三个条件结合在一起的装置称为激光器。按增益介质的不同,激光器可分为气体激光器（CO2、氦氖、CO等）、液体激光器（液体染料）、固体激光器（红宝石、铷玻璃等）、半导体激光器（砷化镓、锑化铟等）。

激光的特性136高方向性:激光具有高平行度，其发散角小，一般约为0.18°，比普通光和微波小2~3个数量级。它的能量高度集中，亮度较高，比同能量的普通光源高几百万倍。高单色性:激光的光谱很窄，比普通光频率宽度的1/10还小，因此颜色极纯。高相干性:受激辐射产生的光子与初始光子状态（传播方向、频率、相位）完全一致，因此激光的相干性非常好。激光传感器的工作原理137激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。激光传感器由激光发射器、激光接收器和测量电路组