常用傳感器與敏感元件

第三章常用傳感器與敏感元件主要研究?jī)?nèi)容：1.了解傳感器的分類2.常用傳感器測(cè)量原理3.傳感器選用3.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置。傳感器在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào)二是變換作用：被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理的電信號(hào)

獲得傳感器信號(hào)的兩種方法：直接獲得電信號(hào)的變化（開關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號(hào)的變化（水位、壓力等）。2.傳感器的分類(1)按被測(cè)物理量分類:(2)按傳感器元件的變換原理分類:位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式、光電式等.物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.

例如:水銀溫度計(jì),壓電測(cè)力計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進(jìn)行能量傳遞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)敏感檢測(cè).

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(3)按傳感器的能量傳遞方式分類:3.傳感器的性能要求足夠的容量匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)3.2機(jī)械式傳感器（略）如彈簧稱，真空表等電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理可分為:熱敏式電阻應(yīng)變式變阻器式光敏式電敏式4.3.1電阻式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。1)工作原理金屬應(yīng)變片的電阻R為(1)

金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計(jì)(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)2)金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有:絲式和箔式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(jì)3)結(jié)構(gòu)（a）金屬絲式（b）金屬箔式1－基底；2－敏感柵；3－蓋片；4－引線柵長(zhǎng)又稱格距，一般l＝2～3mm。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片橫向效應(yīng)嚴(yán)重，粘貼和定位較困難，所以常選用柵長(zhǎng)大的應(yīng)變片。柵長(zhǎng)小的應(yīng)變片主要用于應(yīng)變變化梯度大、頻率高、粘貼面受限的場(chǎng)合。a為柵寬，通常10mm。金屬絲式:敏感柵常用直徑20μm～30μm的康銅或鎳鉻合金曲折繞成柵狀后貼在由浸漬過(guò)絕緣材料的紙或合成有機(jī)聚合物的基底上。缺點(diǎn)：橫向效應(yīng)比較明顯。金屬箔式:敏感柵通常是用光刻法在厚度僅為1μm～10μm的金屬箔片上刻制而成。如此，不僅可制造出可滿足各種不同測(cè)試要求的形狀復(fù)雜的應(yīng)變片（如圖3-5所示），而且刻制出的線條均勻、尺寸精度高，適于大批量制造。彈性元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變。3)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計(jì)體型薄膜型擴(kuò)散型

案例：4)應(yīng)用案例：電子稱原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。德國(guó)HBM電阻應(yīng)變式傳感器典型應(yīng)用拉壓力的測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量流體壓力測(cè)量加速度測(cè)量拉壓力測(cè)量汽車軸荷儀電子稱測(cè)掛鉤牽引力的拉力傳感器轉(zhuǎn)矩測(cè)量流體壓力的測(cè)量還有其他辦法嗎？溫度特性1溫度對(duì)敏感柵電阻值的影響設(shè)測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變化為，則由此所引起敏感柵電阻值的變化為：

式中：—溫度變化引起敏感柵電阻值的變化；

—應(yīng)變片電阻；

—應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)；

—測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變化值。電阻值的變化折算成相應(yīng)的應(yīng)變值為：

式中：—應(yīng)變片的靈敏度。敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變?cè)O(shè)測(cè)試過(guò)程中被測(cè)試件的溫度變化為，則敏感柵與基底線脹差異引起的附加應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：—線脹差異引起的附加應(yīng)變

—分別為敏感柵和基底材料的線脹系數(shù)。溫度引起的總的應(yīng)變?yōu)椋河郎囟鹊挠绊?，常用的方法是進(jìn)行補(bǔ)償。應(yīng)變片沾貼確定貼片位置打磨劃線表面處理貼片固化引線防護(hù)處理3.3.2電容式傳感器

1.變換原理:

將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A

當(dāng)被測(cè)量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。2分類

a)極距變化型;+++c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.平板平移式圓柱平移式變間距式變介質(zhì)式差動(dòng)電容式提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度。消除溫升所帶來(lái)的誤差。

(a)外形結(jié)構(gòu)(b)剖面圖1－矩形窗口，2－測(cè)量裝置，3－金屬帶，4－發(fā)射電極，5－接收電極容柵式擴(kuò)大測(cè)量范圍（量程）電容式傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)體積小、功耗低、精度高、性能穩(wěn)定及所需要驅(qū)動(dòng)力小。應(yīng)用廣泛用于測(cè)量位置、位移、壓力、振動(dòng)、噪聲和傾角等。原理:振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊便上、下振動(dòng)，兩差動(dòng)聯(lián)接的電容器C1和C2便向外輸出與振動(dòng)加速度相對(duì)應(yīng)的電容量。傳感器采用空氣作為阻尼介質(zhì)（氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多），因此測(cè)試精度較高,通頻帶寬，可測(cè)較高頻率的振動(dòng)加速度。1－下固定極板；2－外殼；3－彈性支承鋼片；4－質(zhì)量塊；5－上固定極板；6－絕緣墊；A、B－上、下活動(dòng)極板電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器原理:隨著傾角的改變，電容器兩極板被液體介質(zhì)浸泡的面積隨之改變，即介電常數(shù)隨之發(fā)生變化,傳感器的輸出電容隨傾角的變化而變化，如此便實(shí)現(xiàn)了傾角的測(cè)量。1、3－分別是電容器的兩個(gè)極板；2－不導(dǎo)電的液體介質(zhì)1.震動(dòng)，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動(dòng)，位置，膨脹3.撓度，變形，波動(dòng)，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識(shí)別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動(dòng)6.軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，偏心3.3.3電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型1自感型--可變磁阻式a)變間隙型原理:電磁感應(yīng)b)變面積型c）螺線管型d)差動(dòng)型2渦流式原理:渦流效應(yīng)原線圈的等效阻抗Z變化：a)高頻反射式：（集膚效應(yīng)）b)低頻透射式：（互感原理）案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測(cè)油管檢測(cè)案例：測(cè)厚案例：零件計(jì)數(shù)3變壓器式--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,

應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.案例：板的厚度測(cè)量

~案例：張力測(cè)量3.4.1磁電式傳感器

1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U為

磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2分類

磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N3動(dòng)圈式傳感器K與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，K<1；N線圈的匝數(shù)；B磁場(chǎng)強(qiáng)度；A線圈中導(dǎo)線的截面積4磁阻式傳感器5應(yīng)用a)磁電式車速傳感器

式中：m—脈沖個(gè)數(shù)；

t—時(shí)間，；

Z—信號(hào)齒盤的齒數(shù)。b)測(cè)速電機(jī)3.4.2壓電式傳感器

1.變換原理:

壓電效應(yīng)某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)q=DFF+2、測(cè)量電路

a)電壓放大器

b)電荷放大器F+3應(yīng)用b)壓力變送器a)加速度計(jì)，力傳感器

壓電式傳感器案例：飛機(jī)模態(tài)分析3.4.3熱電式傳感器

接觸測(cè)量熱電偶熱敏電阻非接觸測(cè)量紅外測(cè)溫儀熱電效應(yīng)在兩種不同的導(dǎo)體材料所組成的閉合回路中，若兩接觸點(diǎn)的溫度T0，T不同，在回路中便會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。中間導(dǎo)體定理若在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相等，則熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)不變，同理，接入第四，第五種導(dǎo)體，只要兩端的溫度相等，同樣不會(huì)影響電路中的總電動(dòng)勢(shì)中間溫度定理在熱電偶測(cè)量電路中，若測(cè)量端溫度為T，參考端溫度為T0。中間溫度為T0’。則：參考電極定理已知熱電極A、B與參考電極C組成的熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0

時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)分別為、，則在相同溫度下，由A、B兩種熱電極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)為：用處：為獲得不同材料組成熱電偶的分度表提供了方便，即只需測(cè)量少數(shù)幾種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系，便可獲得其它各種不同材料所組成的熱電偶分度表。熱電偶溫度傳感器的特點(diǎn)(1)熱電偶的大小和形狀可按需要進(jìn)行配置，因此使用方便。(2)熱電偶的測(cè)溫范圍為-270℃～1000℃，如此寬的測(cè)溫范圍是許多溫度傳感器不易做到的。(3)測(cè)量數(shù)據(jù)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。應(yīng)用：汽車零部件進(jìn)行熱處理的溫度控制，汽車烤漆房的溫度控制，測(cè)排氣溫度等。常用熱電偶鉑銠——鉑連續(xù)1300℃,短時(shí)：1600℃鎳鉻——鎳硅氧化性氣體長(zhǎng)時(shí)900℃,短時(shí)1200℃冷端處理辦法冷端恒溫法導(dǎo)線補(bǔ)償法傳感器補(bǔ)償法鎳鉻——考銅還原性或中性氣體長(zhǎng)時(shí)600℃,短時(shí)800℃鉑銠30——鉑銠6

長(zhǎng)時(shí)1600℃,短時(shí)1800℃熱敏電阻式溫度傳感器原理：利用某些金屬氧化物或單晶鍺、單晶硅等材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性工作的PTCNTCCTR電阻值隨溫度的上升而上升電阻值隨溫度的上升而下降在某一特定溫度，電阻值發(fā)生突變R—熱敏電阻的電阻值；A、B—與熱敏電阻材料和制造工藝有關(guān)的常數(shù)；

T—被測(cè)溫度。測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、進(jìn)氣溫度、過(guò)熱保護(hù)等紅外測(cè)溫儀原理：任何物體的溫度只要高于絕對(duì)零度（即-273.16℃）就處于“熱狀態(tài)”。處于熱狀態(tài)的物質(zhì)分子和原子不斷振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)并發(fā)生電子躍遷，從而產(chǎn)生電磁波。這些電磁波的波長(zhǎng)處于可見光的紅光之外，因此稱為“紅外光”或稱“紅外線”。物體紅外熱輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)分布取決于物體的溫度和輻射率。斯蒂芬－玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：物體的溫度與紅外線輻射功率的關(guān)系

W—單位面積的紅外熱輻射功率

—斯蒂芬－玻爾茨曼常數(shù)，＝5.67×10-8；

—比輻射率，黑體的＝1，非黑體的<1；

T—熱力學(xué)溫度，。3.5光電式傳感器

外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，又稱為光電子發(fā)射效應(yīng)。器件有光電管、光電倍增管等。在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱為光導(dǎo)效應(yīng)。器件有：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管在光照作用下，某些特殊物質(zhì)（如硅、硒、砷化鎵、硫化鎘等）可產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的材料稱為光電池應(yīng)用

測(cè)轉(zhuǎn)速透光式煙度計(jì)1－換向閥；2－采樣頭；3－測(cè)量室；4－取樣泵；5－光電元件；6－測(cè)試管；7－光源

被測(cè)物體的紅外線輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)2聚焦在光柵調(diào)制盤上，經(jīng)光柵盤調(diào)制成一定頻率的光能入射到紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為交變的電信號(hào)經(jīng)放大后送到顯示或記錄設(shè)備。光柵調(diào)制器由兩塊光柵片組成，一塊為定片，另一塊為動(dòng)片。動(dòng)片受光柵調(diào)制電路控制，由微電機(jī)4驅(qū)動(dòng)，其按一定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光路的開（光透過(guò)）和關(guān)（光不透過(guò)），從而使入射光被調(diào)制成具有一定頻率的輻射信號(hào)作用于紅外探測(cè)器上。1－被測(cè)物體；2－光學(xué)系統(tǒng)；3－紅外探測(cè)器；4－微電機(jī)；5－光柵調(diào)制盤；6－放大器；7－顯示器光纖傳感器FOS(FiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。①電絕緣；②抗電磁干擾高電壓大電流，強(qiáng)磁場(chǎng)噪聲,強(qiáng)輻射；③非侵入性；

④高靈敏度;⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量3.6光纖傳感器各種裝飾性光導(dǎo)纖維

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此,采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。

1、斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。n1n2θrθi光的折射示意圖

可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n1sinθi=n2sinθr

當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。式中：θi0——臨界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1n1n2θrθi

光全反射示意圖n1n2θrθi

臨界狀態(tài)示意圖

當(dāng)θr=90o時(shí)，θi仍＜90o，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有

2、光纖結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)以及護(hù)套組成。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些．兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。

光纖結(jié)構(gòu)光的全反射實(shí)驗(yàn)

3、光纖的主要參數(shù)（1）傳播損耗光纖纖芯材料和包層物質(zhì)的吸收、散射、畸變，以及光纖彎曲處的輻射損耗等,它表示光強(qiáng)度相對(duì)衰減與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。（2）光纖模式是光波沿光纖傳播的途徑和方式。

（3）色散表征光纖傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)，在光纖通訊中反映傳輸帶寬，影響通訊信息的容量和質(zhì)量。①多模色散

②材料色散和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散

（4）光纖強(qiáng)度

二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類

1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。見圖(a)。光纖傳感器是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。見圖(b)。光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號(hào)處理電源信號(hào)接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測(cè)量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A——電場(chǎng)E的振幅矢量；ω——光波的振動(dòng)頻率；φ——光相位；t——光的傳播時(shí)間。可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。

傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

2、光纖傳感器的分類（1）按光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器

FF（FunctionFibre

OptilSensor）利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

NFF（Non-FunctionFibre

OptilSensor）光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成,光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

3）拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象

（2）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大。

2）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

4）相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。

三、光纖傳感器的應(yīng)用

（一）溫度的檢測(cè)光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。

1、遮光式光纖溫度計(jì)下圖為一種簡(jiǎn)單利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。用于對(duì)設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。

1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液2自聚焦透鏡3光纖4水銀下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾分鐘。

光源接收熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)121遮光板2雙金屬片

2、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器當(dāng)一束白光經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長(zhǎng)λg的光將被半導(dǎo)體吸收,而高于該波長(zhǎng)的光將透過(guò)半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長(zhǎng)。電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體上時(shí),電子吸收光能從價(jià)帶躍遷入導(dǎo)帶,顯然,要發(fā)生本征吸收,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即因λ＝c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件h——普朗克常數(shù)；v——光頻率因此，對(duì)于波長(zhǎng)大于λg的光，能透過(guò)半導(dǎo)體，而波長(zhǎng)小于λg的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長(zhǎng)，圖為在室溫(20℃)時(shí),120μm厚的GaAs材料的透射率曲線。

由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的本征吸收波長(zhǎng)約為880nm左右，半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為式中：Eg（0）——絕對(duì)零度時(shí)半導(dǎo)體的禁帶寬度；

α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(eV／K)；β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。8508009009501000010203040t=20℃波長(zhǎng)λ/nmGaAs的光譜透射率曲線透射率(%)對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長(zhǎng)λg隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度半導(dǎo)體透射測(cè)量原理透射率波長(zhǎng)（二）壓力的檢測(cè)

種類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。

1、采用彈性元件的光纖壓力傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。下圖為簡(jiǎn)單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補(bǔ)償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度(y＜0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為R—膜片有效半徑；t—膜片厚度；

p—外加壓力；E－膜片材料的彈性模量；μ—為膜片的泊松比?？梢?，在一定范圍內(nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測(cè)位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長(zhǎng)期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖(a),這里采用了特殊結(jié)構(gòu)的光纖束，光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,如圖(b)。其中最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時(shí)，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等,即I1＝I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強(qiáng)增大,形成差動(dòng)輸出。

4

p>0P=0P<0(a)傳感器結(jié)構(gòu)

(b)探頭截面結(jié)構(gòu)(c)測(cè)量原理PI2I1I02(外圈)1(內(nèi)圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(輸入)可見，輸出光強(qiáng)比I2／Il與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。將上式兩邊取對(duì)數(shù)且滿足(Ap)2≤1時(shí),等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得到這表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(guò)減法器即可得到線性的輸出。若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70μm,包層厚度為3.5μm,纖芯和包層折射率分別為1.52和1.62,則該傳感器可獲得115dB的動(dòng)態(tài)范圍,線性度為0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可獲得不同的測(cè)量范圍。

兩束輸出光的光強(qiáng)之比為A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)；p——待測(cè)量壓力。

2、光彈性式光纖壓力傳感器

晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖。發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長(zhǎng)板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。

(b)傳感器結(jié)構(gòu)12345P(a)檢測(cè)原理1光源2、8起偏器3、91/4波長(zhǎng)板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡P67891011偏振光線偏振光橢圓偏振光為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，下圖為另一種檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測(cè)出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差／和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無(wú)關(guān)的輸出。該傳感器的測(cè)量范圍為103Pa～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速度。

輸出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驅(qū)動(dòng)123456I1I2PD1PD2光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)1光纖2起偏器3光彈性元件41/4波長(zhǎng)板5偏振分光鏡6反射鏡p

3.7半導(dǎo)體傳感器

3.7.1霍爾式傳感器霍爾效應(yīng):某些半導(dǎo)體材料，如砷化錮（InAs）、銻化錮（InSb）、砷化鎵（GaAs）、鍺（Ge）等，若將其置于一磁場(chǎng)中，若在與磁場(chǎng)垂直的方向上加一控制電流，則在與磁場(chǎng)和電流垂直的方向上便會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓，這一現(xiàn)象是一位名叫霍爾的工程師發(fā)現(xiàn)的，因此稱之為霍爾效應(yīng)。能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件。

——控制電流，；

——帶電粒子的電荷＝1.602×10-19；

——磁場(chǎng)強(qiáng)度；

——半導(dǎo)體的厚度；

——電子濃度。應(yīng)用：它可用來(lái)測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速、位置、位移等多種不同的物理量，還可用來(lái)制做各種非接觸式行程開關(guān)。1－信號(hào)轉(zhuǎn)子；2－永磁體；3－霍爾元件3.7.2半導(dǎo)體氣體傳感器氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢(shì)壘模型。1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)（1）氣敏元件電阻值

將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ｒａ。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。測(cè)定固有電阻值Ｒａ時(shí),要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對(duì)于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測(cè)定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。（2）氣敏元件靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種

（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1—?dú)饷粼跐舛葹镃1的被測(cè)氣體中的阻值：RＣ2—?dú)饷粼跐舛葹镃2的被測(cè)氣體中的阻值。通常，C1＞C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出

Ra—?dú)饷粼跐崈艨諝庵械碾娮柚担籖g—?dú)饷粼谝?guī)定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值（4）氣敏元件響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。

（3）氣敏元件分辨率表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣