英才學(xué)院傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課件09新型傳感器的應(yīng)用

1、任務(wù)九:新型傳感器的應(yīng)用 9.1 仿生傳感器 人類已制造出：仿視覺傳感器，仿聽覺傳感器，仿嗅覺傳感器，以及DNA芯片。 這些傳感器能自動(dòng)捕獲信息、處理信息，模仿人類的行為。9.1.1 機(jī)器人內(nèi)部傳感器概述1、機(jī)器人用位置檢測(cè)傳感器微型限位開關(guān)光電斷路器電磁式接近開關(guān)2、機(jī)器人用位移檢測(cè)傳感器3、機(jī)器人用角位移檢測(cè)傳感器4、機(jī)器人用速度檢測(cè)傳感器4、機(jī)器人用加速度檢測(cè)傳感器6、機(jī)器人用力檢測(cè)傳感器9.1.2 機(jī)器人外部傳感器概述 為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能

2、夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。1、視覺傳感器 視覺檢測(cè)主要利用圖象信號(hào)輸入設(shè)備，將視覺信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 信號(hào)取出方法有：MOS型和CCD型 MOS型CCD型 2、聽覺傳感器 語音識(shí)別實(shí)質(zhì)上是通過模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別未知的輸入聲音。 實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的大規(guī)模集成電路的聲音識(shí)別電路早已問世，其典型代表：TMS320C25FNL。 3、接觸覺傳感器接觸覺：接觸覺是通過與對(duì)象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變形，可增大接觸

3、面積，并且有一定的強(qiáng)度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測(cè)機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。機(jī)械式傳感器：利用觸點(diǎn)的接觸斷開獲取信息，通常采用微動(dòng)開關(guān)來識(shí)別物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導(dǎo)電觸點(diǎn)和絕緣體構(gòu)成。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠受壓后，海綿變形，導(dǎo)電橡膠和金屬觸點(diǎn)接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由金屬和鉸青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點(diǎn)閉合。光纖傳感器：這種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成

4、的光纜和一個(gè)可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強(qiáng)度不同。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理，即可得到反射表面的受力情況。4、接近覺傳感器 接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對(duì)象之前獲得必要的信息，用來探測(cè)在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對(duì)象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示。在機(jī)器人中，主要用于對(duì)物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測(cè)量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近開關(guān)和光學(xué)接近傳

5、感器。 以光學(xué)接近傳感器為例，由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān)，輸出信號(hào)Uout是距離x的函數(shù)：Uoutf（x）。紅外信號(hào)被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比。5、嗅覺傳感器 嗅覺傳感器中開發(fā)應(yīng)用最廣泛的是電子鼻，它由傳感器陣列構(gòu)成，陣列中的每個(gè)傳感器覆蓋著不同的具有選擇性吸附化學(xué)物質(zhì)能力的導(dǎo)電聚合物。吸附作用將改變材料的電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生一個(gè)能測(cè)量的電信號(hào)。9.2 光 纖 傳 感 器 光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)， 它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。 光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器

6、相比有一定的優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕， 高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、 聲和PH值等70多個(gè)物理量的測(cè)量，在自動(dòng)控制、 在線檢測(cè)、 故障診斷、安全報(bào)警等方面具有極為廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。 9.2.1 光纖結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，結(jié)構(gòu)如圖5.5所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一

7、層保護(hù)套，多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度。 圖5.5 光纖的基本結(jié)構(gòu)9.2.2 光纖傳感器的工作原理 眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖2所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成i角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后, 又以i角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。 但當(dāng)入射角i小于臨界入射角c時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的

8、傳光原理。 圖2 光纖的傳光原理光纖基本特性 1. 數(shù)值孔徑（NA） 數(shù)值孔徑（NA）定義為: 數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 2. 光纖模式 光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)

9、生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。 一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式較多稱為多模光纖。 這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。 3. 光纖傳輸損耗 光纖傳輸損耗主要來源于材料吸

10、收損耗、 散射損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗。 目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料吸收損耗。 散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長的四次方成反比。因此散射隨著波長的縮短而迅速增大。 所以可見光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ?，在近紅外波段（11.7m）有最小的傳輸損耗。因此長波長光纖已成為目前發(fā)展的方向。 光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化， 同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。 光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光波導(dǎo)彎曲會(huì)

11、引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。 當(dāng)彎曲半徑大于10cm時(shí)，損耗可忽略不計(jì)。 光纖傳感器的工作原理及組成 光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、 振動(dòng)、電場(chǎng)等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。 外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、 波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。 光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（Functional Fiber， 縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測(cè)量的變化

12、，這類傳感器稱為非功能型（Non Functional Fiber， 縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。 在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測(cè)器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)。 光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖3所示。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探

13、測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。 圖3 光纖傳感器組成示意圖（a） 傳感型； （b） 傳光型 9.2.4. 光纖傳感器的應(yīng)用舉例 1. 光纖加速度傳感器 光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束， 反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。 相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。 激光干涉儀干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 經(jīng)過信號(hào)處理電路處理后便可以正確地測(cè)出加速度值。 圖4 光纖加速度傳感器

14、結(jié)構(gòu)簡圖 2. 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器，圖5為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、光源和包括光探測(cè)器在內(nèi)的信號(hào)處理系統(tǒng)等組成的。光纖是用來傳輸信號(hào)，半導(dǎo)體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內(nèi)，它對(duì)光的吸收隨溫度T變化而變化。 圖6為半導(dǎo)體的光透過率特性。半導(dǎo)體材料的光透過率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動(dòng)，如果適當(dāng)?shù)剡x定一種在該材料工作波長范圍內(nèi)的光源，那么就可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而變化

15、，探測(cè)器檢測(cè)輸出光強(qiáng)的變化即達(dá)到測(cè)量溫度的目的。 圖5 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 圖6 半導(dǎo)體的光透過率特性 這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的測(cè)量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，一般在-100300溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間約為2 s。它的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)間響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應(yīng)用。 3. 光纖旋渦流量傳感器 光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道， 當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí)，光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)。測(cè)出頻率就可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。 圖7 光纖旋渦流量傳感器 9.3 微型傳感器9.3.1 電

16、容式微型傳感器電容式微型傳感器是利用蝕刻法制成的硅傳感器。1.電容式微型壓力傳感器1.電容式微型流量傳感器9.3.2 電感式微型傳感器典型應(yīng)用是磁通門式磁強(qiáng)計(jì)。9.3.3 壓阻式微型傳感器原理： 利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。 壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器9.4 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器（溫度IC）將溫度敏感元件和放大、運(yùn)算和補(bǔ)償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測(cè)量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測(cè)溫傳感器。 集成溫度傳感器的測(cè)溫原理 PN結(jié)的 溫度特性 二極管的正向電壓降UD以 -2mV/ 變化 9.4.1 集成溫度傳感器的類型 集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號(hào)形式有電壓型和電流型兩種。 電壓型的靈敏度多為10mV/（以攝氏溫度0作為電壓的零點(diǎn)），電流型的靈敏度多為1A/K（以絕對(duì)溫度0K作為電流的零點(diǎn)）；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。 1.AD