《现代检测技术及仪表》孙传友高教电子教案第7章

第7章新型传感器7.1光纤传感器7.1.1光导纤维的结构和传光原理一、光导纤维结构与类型1、光纤结构图7-1-1外套包层纤芯2、类型二、光纤传光原理1．光在纤芯与包层交界面上的传博1——入射角1——反射角112——折射角2211sinsinnn所以122212190sinsinnnnn临界角)(sin121nnc全反射（只有反射没有折射）条件：21nnc12．光在光纤端头的传播11111100cos90sinsinnnn即212121)(1sin1cosnn所以022210110cossinnnnnn光纤数值孔径02221sinnnnNAc全反射要求)(sin10NAc3．光在光纤内传播1°在满足全反射条件下（c0或c1），光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。2°弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径d—光纤直径R4d时，仍满足全反射条件，光纤传输损耗很小R4d时，不满足全反射条件，光纤传输损耗很大7.1.2光纤传感器的基本原理和类型一、光纤传感器的基本原理被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。二、光纤传感器的分类功能型——光纤用作敏感元件，常用单模光纤非功能型——光纤用作传感元件，常用多模光纤三、传输光的调制方式1．调制方式种类光强调制——应用最多光相位制无频率制光波长制光偏振制2．光强调制方式①辐射式②光纤位移式图7－1-5入射光纤不动出射光纤不动③插入式图7－1-6④微弯损耗式图7－1-7四、光纤传感器的优点缺点优点1、灵敏度高2、电绝缘性能好，抗电磁干扰3、耐腐蚀，耐高温4、体积小，重量轻缺点：断线修复需专用工具7.2CCD图象传感器7.2.1CCD的工作原理CCD器件由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。一、MOS光敏元阵列――执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像1、MOS光敏元结构图7－2-1金属电极上施加正偏压形成“势阱”，光生电子被势阱俘获形成“电荷包”，势阱所俘获的电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。2、光敏元阵列――光敏元有规则的排列一个光敏元――一个象素光敏元阵列――一幅光生电荷图像二、读出移位寄存器――执行电荷转移功能1、结构原理图7－2-2特点：硅底复盖遮光层，只传送电荷包，不产生电荷包每三个相邻的电极组成一个耦合单元(亦即传输单元)，三个电极分别由三个相位相差120°的时钟脉冲1,2,3来驱动，2、电荷传输过程：每经历一个时钟脉冲周期，电荷就向右转移三极即转移一级。7.2.2CCD图象传感器的结构一、线列阵1、组成读出移位寄存器线阵转移栅光敏元线阵2、结构图7-2-4(a)单排结构(b)双排结构3、工作过程：①各光敏元同时曝光，生成“电荷包”②各光敏元的电荷包同时并行转移到对应移位寄存器1电极下③移位寄存器串行依次输出各个“电荷包”二、面列阵1、组成阵水平读出移位寄存器线存储器面阵光敏元面阵图7-2-62、工作过程：①面曝光――各光敏元同时曝光，生成一幅“电荷包”图像②场转移――“电荷包”从光敏元面阵并行转移到存储器面阵③行转移――“电荷包”逐行从存储器面阵并行转移到水平读出移位寄存器④位移出――水平读出移位寄存器逐位串行输出，移出一行，再移下一行。7.3红外传感器7.3.1、红外线及其特性一、红外线在电磁波谱中的位置图7-3-1也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线,故称为红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波长范围大致在0.75µm～1000µm。二、红外线的特性1、具有可见光的一切特性，2、具有光热效应，能辐射热量。3、红外光在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。7.3.2红外探测器的类型一、光敏红外探测器1、电真空器件(光电管、光电倍增管)，2、半导体器件二、热敏红外探测器1、对比图7-3-2热敏探测器的响应速度较低，响应时间较长，但具有宽广的、比较平坦的光谱响应。2、类型：室温探测器，不需冷却，热敏电阻、热电偶和热电堆，低温探测器，需冷却。7.3.3热释电红外探测器一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象、称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。二、热释电红外传感器1、组成结构及内部电路图7-3-32、应用：探测人体用的红外传感器用于防盗报警、来客告知及非接触开关等供测温使用的热释电红外传感器，其测温范围可达－80～1500℃。三、热释电红外探测模块及其应用1、热释电红外探测模块HN911图7-3-42、应用实例――自动门控制原理电路图7-3-57.4超声波与核辐射传感器7.4.1超声波传感器一、超声波及其性质1、超声波的定义：振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。高于2×410Hz的机械波称为超声波。2、超声波与声波的异同：相同点：传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换不同点：①振动频率高而波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播。②能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。3、超声波的指向角图7-4-2DfCD22.122.1sin二、超声波传感器。――产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。1、组成：由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成2、典型结构：图7-4-2(a)为直探头，可发射和接收纵波；(b)为斜探头，可发射和接收横波；(c)为双探头，一个发射，一个接收；(d)为水浸探头，可浸在液体中。3、工作原理：逆压电效应将高频电振动转换成机械振动，以产生超声波。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。三、超声检测方法1、透射法用两个探头，分别置于被测对象的相对两侧，一个发射超声波，一个接收超声波。2、反射法通常采用一个超声波探头，兼做超声波发射和接收用。3、频率法是利用超声波测量流速时采用的方法，见10.3节7.4.2核辐射传感器。一、核辐射检测的物理基础1、放射性同位素①同位素――原子序数相同而原子质量不同的元素。②核衰变――原子不是由于外来原因而自发地产生核结构变化。0taae式中a0,a——分别为初始时与经过时间t秒后的原子核数λ——衰变常数③半衰期ln20.693④放射性同位素――具有核衰变性质的同位素2、核辐射①定义――放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为“核辐射”。②射线种类：α射线由带正电的α粒子组成，β射线由带负电的β粒子所组成，γ射线由中性的光子所组成。③放射性强度：放射性强度也是随时间按指数衰减，即0tIIe式中I0,I——分别为初始时与经过时间t秒后的放射性强度。3、核辐射与物质间的相互作用电离――α、β粒子在穿过物质时，在其经过的路程上形成许多离子对。吸收――β和γ射线在穿过物质层后，其能量强度按指数规律衰减，可表示为：0exp()IIh反射――β射线在物质中穿行时容易改变运动方向。二、核辐射传感器核辐射传感器主要由放射源和探测器组成。1、放射源要求：采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度应使射线从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小。2、探测器(1)电离室图7-5-2(2)盖格计数管图7-5-3(3)闪烁计数器图7-5-43、核辐射的防护在实际工作中要采取各种措施来减小射线的照射强度和照射时间。7.5半导体集成传感器7.5.1集成霍尔传感器一、开关型集成霍尔传感器1、典型电路图7-5-1由霍尔元件、差分放大、施密特触发器、输出级组成2、迟滞特性图7-5-2BH越小，灵敏度越高。ΔB越大，抗干扰能力越强。3、应用：在引脚“3”与“4”之间或“2”与“4”之间接上负载电阻，常态应处“截止状态”，可以延长使用寿命。二、线性集成霍尔传感器1、典型电路图7-5-1由霍尔元件、差分放大、输出级组成。2、应用：在引脚“7”与“4”之间接上负载电阻,在引脚“1”与“6”之间接上R8，适当选取R8的阻值，可以改变电路增益。7.5.2集成湿度、压力、加速度传感器一、集成湿度传感器IH36051、组成结构电容式集成湿度传感器与其调理电路一起制作在陶瓷基片上。2、输出特性在Ct25时，输出直流电压U0与相对湿度H0成线性关系：00(0.00620.16)UEH在25t°C时，实际的相对湿度应按下式进行温度补偿计算0/(1.05460.00218)HHt二、集成压力传感器MPX21001、组成结构集固态压阻式应变电桥、温度补偿、校准和信号调理于同一块芯片上。2、输出特性输出的直流电压与输入的被测压力成线性正比关系。三、集成加速度传感器ADXL501、组成结构集电容式加速度传感器、振荡器、解调器及放大器、基准电源等于同一块芯片上。3、输出特性输出直流电压与加速度成正比。7.5.3集成温度传感器一、热敏二极管和三极管1、热敏二极管在一定温度范围内，PN结正向电压与温度呈近似线性关系：lnDSkTIUqI因绝对温度T(K)与摄氏温度t(°C)的关系273.2Tt，故近似有CtUU0000U——摄氏零度时的PN结正向电压。C――电压温度系数。通常在0～250°温度范围内，C=2mV/℃。2、热敏三极管晶体管的发射结也是PN结，晶体管基－射电压beU也适用上式。但晶体管的发射结比二极管有更好的线性和互换性，所以通常将晶体管的基极与集电极短接作为PN结温度传感器。3、热敏管测温电路实例图7-5-5①为了提高灵敏度，可采用多个PN结串联，②温敏二极管电流或三极管集电极电流应保持恒定，③为使输出电压与摄氏温度t成正比需设调零电路。二、集成温度传感器1、电流型集成温度传感器输出电流I0正比于绝对温度T，与摄氏温度t成线性关系。tCITCIII000式中00I为0°C时的输出电流，00I一般为273.2µA。电流温度系数IC一般为1µA／K或1µA/2、电压型集成温度传感器输出电压U0正比于绝对温度T，与摄氏温度t成线性关系。tCUTCUVV000式中00U为0°C时的输出电压，有的为0mV,有的为500mV。电压温度系数vC有的为为20mV/℃,有的为10mV/℃。3、频率型集成温度传感器输出为脉冲宽度固定（10ms）、脉冲间隔随温度变化的方波信号。4、数字型集成温度传感器将温度转换成对应二进制数码串行输出。有模数转换式和脉冲计数式两种。7.6传感器的发展趋势一、开发新型传感器二、传感器的集成化和多功能化三、传感器的智能化四、研究生物感官，开发仿生传感器