新型传感器及其在汽车上的应用n

新型传感器及其在汽车上的应用n第十二章新型传感器新型传感器是利用新效应、新材料及新的加工工艺制造的传感器。三图像传感器二智能传感器一光纤传感器本节主要内容五气体浓度传感器四超声波传感器§12.1光纤传感器光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、生物医学、环保、食品、化工……测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、图像……一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯包层外套2020/1/1782.光纤的分类1）按折射率分布折射率变化规律分类阶跃型梯度型采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。2）按传输模式光纤传输模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大（50~100μm），传输模式较多称为多模光纤，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。3.光纤的导光原理光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2时，2＞1。(a)光的折射示意图可见，入射角1增大时，折射角2也随之增大，且始终2＞1。n1、n2、2、1之间的数学关系为n1sin1=n2sin2n1n2122020/1/1713当2=90º时，1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态（1→10）。这时有n1n2(b)临界状态示意图2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2＝sin90º＝1临界角n1n2(c)光全反射示意图12当1＞i0并继续增大时，2＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)，其出射光不再折射而全部反射回来。n1n2n0阶跃型光纤传光示意图0110sinsinnn011？习题：若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？211arcsinCnn4.光纤特性1）数值孔径数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数。2）损耗：光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数1o10lgPLLP，光纤长度入射端光功率出射端光功率吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料损耗。散射损耗，是由于材料密度及浓度不均匀引起的。光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。二、光纤传感器的结构及特性光纤传感器分类1.功能型传感器：传感型、探测型2.（利用光纤本身的某种敏感特性）3.2.非功能型传感器：传光型、结构型、强度型、混合型4.(光纤只作为传光介质)光纤传感器可测参量1.电流磁场、电压电场；2.温度3.速度4.振动、压力5.射线6.图像以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。(1)根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤3）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反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象光纤传感器的基本结构测量对象测量对象测量对象测量对象功能型传光型传光型传光（拾光）型（2）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器是一种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，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。2）偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。4）相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，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，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。四、产品压力应力温度温度、应变仪分析仪网络分析仪§12.2智能传感器所谓智能传感器指带有微处理器的兼有信息检测、信息处理、逻辑思维与判断功能的传感器。它具有人工智能。（1）自诊断、自校准功能。（2）多传感器多参数复合测量；（3）数据可存取；（4）具有数字通信接口，与计算机连接。1）基于智能传感器的汽车轮胎压力监测系统（1）驾驶员驾驶资质确认单元。（2）驾驶员超速驾驶检测单元。（3）驾驶员疲劳驾驶检测单元。（4）车辆承重检测单元2）汽车运行信息智能传感器测试系统固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的移位功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列§12.3固态图像传感器一光电器件-电荷耦合器件基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机CCD结构示意图显微镜下的MOS元表面二、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属—氧化物—半导体）光敏元阵列；电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。MOS电容CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体（MetalOxideSemiconductor,MOS）电容阵列组成。MetalOxideSemiconductor2.电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测光电导效应(1)信号电荷的产生当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。(2)信号电荷的存储读出移位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲Φ1Φ2Φ3。（3）电荷转移原理CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）(4)电荷耦合器信号输出1、分类CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构C