第八章新型傳感器

第八章新型傳感器

8.1光纖傳感器8.2CCD圖像傳感器8.3超聲波及聲表面波傳感器8.1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(lái)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。

光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):

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。光纖傳感器應(yīng)用:溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等多個(gè)物理量的測(cè)量。8.1.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳光原理

一、光纖結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)-----纖芯,包層,外套。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n2，二、光纖的種類

①階躍型

階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而變，但在纖芯和包層界面處折射率有突變。②緩變型

漸變型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。

1：按照光纖折射率分為2：按其傳輸模式來(lái)分為：

單模：纖芯直徑只有傳輸光波波長(zhǎng)的幾倍，而且纖芯細(xì)、包層厚、傳輸性能好，但制造、連接困難；多模：纖芯直徑是傳輸光波波長(zhǎng)的很多倍，而且纖芯厚、包層薄、制造、連接容易；二、光纖的種類

三、光纖傳光原理

當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射

（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：1：Snell定理2：光纖導(dǎo)光

n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí)，Sinθi定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對(duì)折射率差arcsinNA是一個(gè)臨界角，θi>arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。8.1.2光纖傳感器的基本原理和類型一、光纖傳感器的基本原理

被測(cè)量對(duì)光纖傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)隨被測(cè)量變化而變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)，從而獲得被測(cè)參數(shù)。

1功能型（FunctionalFiber，

縮寫為FF）——光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。

2非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫為NFF）光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。二、光纖傳感器的分類

光源光敏元件被測(cè)對(duì)象測(cè)得信息光導(dǎo)纖維光源光敏元件被測(cè)對(duì)象測(cè)得信息光導(dǎo)纖維敏感元件功能型非功能型三、傳輸光的調(diào)制方式

1．調(diào)制方式種類

光強(qiáng)調(diào)制——應(yīng)用最多

光相位制

光頻率制

光波長(zhǎng)制

光偏振制

2．光強(qiáng)調(diào)制方式

①輻射式：被測(cè)對(duì)象本身就是光源，它發(fā)出的輻射能強(qiáng)弱與被測(cè)對(duì)象的量值有關(guān)，而且是直接進(jìn)入出射光纖。光電器件接收并測(cè)量出其輻射能就可測(cè)定待測(cè)量的大小。

②光纖位移式：這種調(diào)制方式有兩根光纖：一根入射光纖；一根為出射光纖。入射光纖不動(dòng)，被測(cè)量使出射光纖作橫向或縱向移動(dòng)。

一般是用于光強(qiáng)的小位移調(diào)制。三、傳輸光的調(diào)制方式

③插入式：在入射光纖和出射光纖之間插入被測(cè)對(duì)象，入射光纖傳送一定的光通量到達(dá)被測(cè)對(duì)象，受被測(cè)參數(shù)調(diào)制后的光通量由出射光纖輸出。

三、傳輸光的調(diào)制方式

④微彎損耗式：當(dāng)光纖發(fā)生彎曲到一定程度使光線入射角小于臨界角，射到纖芯與包層界面的光有一部分將透過(guò)界面進(jìn)入包層而造成損耗－微彎損耗。從而引起光纖出射斷的光通量發(fā)生變化。通常用這種原理來(lái)測(cè)量微壓或微位移。

三、傳輸光的調(diào)制方式

圖(a)所示為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起光纖折射率、形狀和尺寸的變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn);圖(b)所示為光纖在點(diǎn)壓力作用下，"引起光纖局部變形，使光纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光振幅變化。

四、光纖傳感器的應(yīng)用1光纖壓力傳感器圖為光纖流速傳感器，主要由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測(cè)量電路所組成。多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動(dòng)而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化，其振幅的變化與流速成正比，這就是光纖傳感器測(cè)流速的工作原理。

2光纖傳感器器測(cè)流量四、光纖傳感器的應(yīng)用8.2CCD圖像傳感器

CCD（ChargeCoupleDevice）圖像傳感器——電荷耦合器件，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的。由CCD構(gòu)成的圖像傳感器是一種具有自掃描功能的攝像器件。它具有體積小，重量輕，使用電壓低（<20V），可靠性高，不需要強(qiáng)光照明等優(yōu)點(diǎn)。

光圖像傳感器CCD圖像傳感器CMOS圖像傳感器基本組成部分一、MOS光敏元陣列

1、MOS光敏元結(jié)構(gòu)

8.2.1CCD的工作原理

MOS光敏元陣列：執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換功能，感光形成“電荷”圖像。讀出移位寄存器――執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移功能MOS光敏元的結(jié)構(gòu)它是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元(MOS)。耗盡區(qū)：電極加正偏壓，排斥空穴，無(wú)空穴的區(qū)域，偏壓越大，耗盡區(qū)越深

電荷包：少數(shù)載流子（電子）吸引到最高正偏壓電極下勢(shì)阱：加偏壓后在金屬電極下形成的深耗盡層，阱內(nèi)存儲(chǔ)少子電荷（少子）注入方法：光注入、電注入、熱注入2：工作原理二、讀出移位寄存器――執(zhí)行電荷轉(zhuǎn)移功能

1、結(jié)構(gòu)原理

特點(diǎn)：硅底復(fù)蓋遮光層，只傳送電荷包，不產(chǎn)生電荷包每三個(gè)相鄰的電極組成一個(gè)耦合單元(亦即傳輸單元)，三個(gè)電極分別由三個(gè)相位相差120°的時(shí)鐘脈沖φ1、φ2、φ3來(lái)驅(qū)動(dòng)。

2、電荷傳輸過(guò)程：每經(jīng)歷一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，電荷就向右轉(zhuǎn)移三極即轉(zhuǎn)移一級(jí)。

8.2.2CCD圖象傳感器的結(jié)構(gòu)

一、線列陣

1、組成

2、結(jié)構(gòu)

(a)單排結(jié)構(gòu)

(b)雙排結(jié)構(gòu)

光敏元陣列轉(zhuǎn)移柵讀出移位寄存器

3、工作過(guò)程：

①各光敏元同時(shí)曝光，生成“電荷包”；②各光敏元的電荷包同時(shí)并行轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)移位寄存器電極下；③移位寄存器串行依次輸出各個(gè)“電荷包”。二、面列陣

1、組成

光敏元面陣存儲(chǔ)器面陣水平讀出移位寄存器線陣2、工作過(guò)程：

（1）面曝光――各光敏元同時(shí)曝光，生成一幅“電荷包”圖像；（2）場(chǎng)轉(zhuǎn)移――“電荷包”從光敏元面陣并行轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器面陣；

（3）行轉(zhuǎn)移――“電荷包”逐行從存儲(chǔ)器面陣并行轉(zhuǎn)移到水平讀出移位寄存器；（4）位移出――水平讀出移位寄存器逐位串行輸出，移出一行，再移下一行。

三實(shí)際應(yīng)用1：光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)2：數(shù)碼相機(jī)8.3超聲波與聲表面波傳感器

一、超聲波及其性質(zhì)

振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。能為人耳所聞的機(jī)械波（頻率在16～2×104Hz之間）稱為聲波；

超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波；

微波：

3×108～

3×1011Hz之間的波。

二、超聲波傳感器

1、超聲波傳感器——利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置。

2、超聲波探頭常用的材料：壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。工作原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可做為發(fā)射探頭。利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。三、超聲檢測(cè)方法

1、透射法——用兩個(gè)探頭，置于被測(cè)對(duì)象的相對(duì)兩側(cè)，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。2、反射法——通常采用一個(gè)超聲波探頭，兼做超聲波發(fā)射和接收用。3、頻率法——利用超聲波測(cè)量流速時(shí)采用的方法。

1、超聲波測(cè)量液位和物位原理在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。四、超聲波傳感器應(yīng)用c：超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。由此可見，只要知道超聲波速度，就對(duì)以通過(guò)精確地測(cè)量時(shí)間t的方法來(lái)精確測(cè)量距離L。聲速c在各種不同的液體中是不同的。即使在同一種液體中，由于溫度和壓力不同，其值也不相同。由于液體中其它成分的存在及溫度的不均勻都會(huì)使c發(fā)生變化，引起測(cè)量誤差，故在精密測(cè)量時(shí)，要考慮采取補(bǔ)償措施。同學(xué)們是否注意：當(dāng)一輛汽車響著喇叭從你身邊疾駛而過(guò)時(shí)，喇叭的音調(diào)會(huì)由高變低，好像汽車駛來(lái)的時(shí)候唱著音符“1”，離開的時(shí)候就唱音符“7”了。1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時(shí)就注意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化，并且做出了解釋，人們把這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。－1－－7－2、超聲波多普勒測(cè)量車速模擬實(shí)驗(yàn)讓一隊(duì)人沿街行走，觀察者站在街旁不動(dòng)，每秒有9個(gè)人從他身邊通過(guò)（圖甲）。這種情況下的“過(guò)人頻率”是9人／秒；如果觀察者逆著隊(duì)伍行走，每秒和觀察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（圖乙）；反之，如果觀察者順著隊(duì)伍行走，頻率降低（圖丙）。

甲乙丙超聲波情況相似當(dāng)波源和觀察者相對(duì)靜止時(shí)，1s內(nèi)通過(guò)觀察者的