2025/9/10山東科技大學第三章新型傳感器第一節(jié)氣敏傳感器第二節(jié)濕敏傳感器第三節(jié)感應(yīng)同步器第四節(jié)磁柵式傳感器第五節(jié)光柵傳感器第六節(jié)光電式傳感器第七節(jié)光纖傳感器第八節(jié)超聲波傳感器第九節(jié)紅外傳感器第十節(jié)圖像傳感器2025/9/10山東科技大學第一節(jié)氣敏傳感器

氣敏傳感器可分為半導體氣敏傳感器、固體電解質(zhì)氣敏傳感器、濃差電池型氣敏傳感器和組合電位型氣敏傳感器等多種類型。其中實際使用最多的是半導體氣敏傳感器。一、電阻型半導體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)制作氣敏電阻的材料主要有二氧化錫（SnO2）等金屬氧化物半導體，取材和摻雜不同決定了氣敏電阻的類型，常用的氣敏電阻有P型、N型和混合型三種。2025/9/10山東科技大學它們的典型結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1半導體氣體傳感器的結(jié)構(gòu)（a）燒結(jié)型氣敏元件；（b）薄膜型氣敏元件；（c）厚膜型氣敏元件2025/9/10山東科技大學

由于加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式氣敏元件的結(jié)構(gòu)及符號如圖3-2所示。這類器件制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高電壓回路下使用，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。2025/9/10山東科技大學旁熱式氣敏元件的結(jié)構(gòu)及符號如圖3-3所示，它的特點是將加熱絲放置在一個陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上SnO2等材料。旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，元件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對元件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)的元件穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式元件好2025/9/10山東科技大學二、電阻型半導體氣敏傳感器工作原理圖3-3為氣體吸附到N型半導體時所產(chǎn)生的氣敏元件阻值變化情況。根據(jù)圖示的特性，就可以從阻值變化情況確定吸附氣體的種類和濃度。2025/9/10山東科技大學三、氣敏傳感器的應(yīng)用（一）袖珍瓦斯報警器這是一種攜帶方便的瓦斯報警器，它可以直接安裝在煤礦工人的礦帽內(nèi)（或頭燈里）。當井下瓦斯超限時，能發(fā)出響亮的警笛聲，防止嚴重隱患事故的發(fā)生。2025/9/10山東科技大學（二）帶排風的煤氣報警器這是一個實用的室內(nèi)氣控報警器，在對有害氣體超濃度報警的同時，可自動開啟換氣扇，及時排除有害氣體，防止災害或事故發(fā)生。2025/9/10山東科技大學（三）煙霧報警器電路由電源、檢測、定時報警輸出三部分組成。電源部分將220V電經(jīng)變壓器降至15V，由VD1～VD4組成的橋式整流電路整流并經(jīng)C2濾波成直流。三端穩(wěn)壓器7810供給煙霧檢測器件（HQ-2）和運算放大器IC1、IC210V直流電源以工作，三端穩(wěn)壓器7805供給5V電壓以加熱。2025/9/10山東科技大學第二節(jié)濕敏傳感器

一、陶瓷電阻式濕度傳感器圖3-7是陶瓷電阻式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)、外形及測量轉(zhuǎn)換電路框圖，它主要用于測量空氣的相對濕度。

陶瓷電阻式濕度傳感器的核心部分是用鉻酸鎂-氧化鈦（MgCr2O4-TiO2）等金屬氧化物以高溫燒結(jié)的工藝制成的多孔陶瓷半導體。它的氣孔率高達25%以上，具有1μm以下的細孔分布。與日常生活中常用的結(jié)構(gòu)致密的陶瓷相比，其接觸空氣的表面顯著增大，所以水蒸氣極易被吸附于其表層及孔隙之中，使其電導率下降。2025/9/10山東科技大學圖3-7陶瓷電阻式濕度傳感器結(jié)構(gòu)、外形及測量轉(zhuǎn)換電路框圖(a)多孔濕敏陶瓷(b)濕度傳感器(c)外形(d)輸入輸出特性(e)測量電路框圖2025/9/10山東科技大學二、陶瓷電容式濕度傳感器（一）結(jié)構(gòu)陶瓷電容式濕度傳感器由多孔氧化鋁感濕膜、鋁基片和金電極等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。（二）工作原理陶瓷電容式濕度傳感器基于單元氣孔的平行板電容器效應(yīng)，利用器件的電容隨環(huán)境濕度的變化而變化的原理制成。2025/9/10山東科技大學（三）陶瓷電容式濕度傳感器的特性

Al2O3薄膜組成的陶瓷電容式濕度傳感器在氣孔中有一定水汽吸附時，隨著環(huán)境濕度的變化，膜電阻和膜電容都將改變，其特性曲線如圖3-9所示。2025/9/10山東科技大學三、濕敏電阻傳感器的應(yīng)用（一）高濕度顯示器圖3-10所示是高濕度顯示器電路。它能在環(huán)境相對濕度過高時顯示，告知人們應(yīng)采取排濕措施。2025/9/10山東科技大學（二）房間濕度控制器將濕敏電容置于RC振蕩電路中，直接將濕敏元件的電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及RC組成雙振蕩器，其中一條支路由固定電阻和濕敏電容組成，另一條支路由多圈電位器和固定電容組成。2025/9/10山東科技大學第三節(jié)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨其位置變化的原理制成的。根據(jù)用途不同，感應(yīng)同步器分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器兩大類。前者用于測量線位移，后者用于測量轉(zhuǎn)角。感應(yīng)同步器具有測量精度高、抗干擾能力強、對環(huán)境要求低等特點，因此，得到廣泛應(yīng)用。一、種類與結(jié)構(gòu)（一）直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器由定尺和可以相對移動的滑尺組成。2025/9/10山東科技大學直線感應(yīng)同步器分為標準型、窄型、帶型和三重型四種。前三種都是增量式，不能測量絕對位置；后一種是絕對式，對位置具有記憶功能。（1）標準型定尺長250mm，滑尺長100mm，全尺總寬88mm，其外形如圖3-12所示。（2）窄型定尺長250mm，滑尺長75mm，全尺總寬45mm，繞組結(jié)構(gòu)與標準型相同，精度低于標準型。2025/9/10山東科技大學（3）帶型定尺的基板改用鋼帶，滑尺為滑標式，直接套在定尺上。（4）三重型定尺和滑尺繞組上有粗、中、細三組平面繞組。定尺的粗、中繞組相對于位移垂直方向傾斜不同的角度，滑尺的粗、中繞組與位移方向平行，定滑尺的細繞組與標準式相同。（二）圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器也稱為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，由轉(zhuǎn)子和定子組成。如圖3-13所示，轉(zhuǎn)子為單繞組，定子做成正弦、余弦繞組形式，兩繞組的電相位角相差。2025/9/10山東科技大學二、感應(yīng)同步器的工作原理直線式感應(yīng)同步器由兩個磁耦合部件組成，其工作原理類似于一個多極對的正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺相互平行放置，其間有一定的間隙，一般應(yīng)保持在0.25mm±0.05mm范圍內(nèi)，如圖3-14所示。圖3-14直線式感應(yīng)同步器的工作原理2025/9/10山東科技大學當滑尺上的正弦繞組和余弦繞組分別以1kHz-10kHz的正弦電壓勵磁時，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通。該交變磁通與定尺繞組耦合，在定尺繞組上將產(chǎn)生同頻率的電動勢。電動勢的大小除了與勵磁頻率、勵磁電流和兩繞組之間的間隙有關(guān)外，還與兩繞組的相對位置有關(guān)。如果在滑尺的余弦繞組上單獨施加正弦勵磁電壓，感應(yīng)同步器定尺的感應(yīng)電動勢與兩繞組相對位置的關(guān)系如圖3-15所示。圖3-15感應(yīng)電動勢與兩繞組相對位置的關(guān)系2025/9/10山東科技大學定尺的感應(yīng)電動勢隨滑尺的相對移動呈現(xiàn)周期性變化，這樣便把機械位移和感應(yīng)電動勢相互聯(lián)系起來。假設(shè)在滑尺的正弦或余弦繞組上單獨施加的正弦勵磁電壓為則正弦和余弦繞組在定尺上相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢分別為2025/9/10山東科技大學三、輸出信號的鑒別方式以圖3-12所示長感應(yīng)同步器采用滑尺勵磁為例，從定尺上輸出的感應(yīng)電動勢，可以通過鑒別輸出感應(yīng)電動勢的相位和幅值確定相對位移量。（一）鑒別相位方式在滑尺的分段繞組上加以頻率相同、相位差90°的交流勵磁電壓，正弦繞組勵磁電壓為,余弦繞組勵磁電壓為。按疊加原理在定尺（連續(xù)繞組）上總感應(yīng)電動勢為2025/9/10山東科技大學（二）鑒別幅值方式若加到滑尺分段繞組上的交流勵磁電壓為和，則分別在定尺繞組上感應(yīng)出的電動勢為定尺（連續(xù)繞組）上總感應(yīng)電動勢為采用函數(shù)變壓器使滑尺的分段繞組交流勵磁電壓幅值為，；為勵磁電壓的相位角，，則總感應(yīng)電動勢為2025/9/10山東科技大學設(shè)在起始狀態(tài)下，則e=0。然后滑尺相對尺有一位移Δx，使感應(yīng)電動勢的相位角，即定尺與滑尺間相對位移角有一增量，則總應(yīng)電動勢增量為在較小的情況下（），感應(yīng)電動勢增量的幅值與成正比，通過鑒別可測出相對位移大小。2025/9/10山東科技大學

四、感應(yīng)同步器的應(yīng)用圖3-16為感應(yīng)同步器鑒相型數(shù)字位移測量裝置框圖。圖3-16鑒相型數(shù)字位移測量裝置框圖2025/9/10山東科技大學第四節(jié)磁柵式傳感器一、磁柵磁柵是一種有磁化信息的標尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P的磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為磁尺。圖3-17磁柵的基本結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學

二、磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。其工作原理是電磁感應(yīng)原理，當線圈在一個周期性磁體表面附近勻速運動時，線圈上就會產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動勢。磁尺是檢測位移的基準尺，磁頭用來讀取磁尺上的記錄信號。按讀取方式不同，磁頭分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。（一）動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭只有一個輸出繞組，只有當磁頭和磁尺相對運動時才有信號輸出，因此動態(tài)磁頭又稱為速度響應(yīng)磁頭。當磁頭與磁柵發(fā)生相對運動位移為x時，磁頭線圈中感應(yīng)電動勢為（3-8）2025/9/10山東科技大學動態(tài)磁頭測量位移較簡單，磁頭輸出為正弦信號，在N、N相接處達到正向峰值，在S、S相接處為負向峰值，如圖3-18所示。由式（3-8）可知，磁頭與磁柵間有不同相對位移量x值，就有不同的電動勢e產(chǎn)生，線圈中e的大小，就反映了位移量的變化。若以計數(shù)的方式，通過計數(shù)磁尺的磁節(jié)距個數(shù)也可知道磁頭與磁尺間的相對位移量圖3-18動態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系2025/9/10山東科技大學（二）靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個繞組，一個是激勵繞組，加以激勵電源電壓，另一個是輸出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對靜止時，也會因為有交流激勵信號使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號輸出。圖3-19靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)及輸出波形2025/9/10山東科技大學磁頭總的輸出信號為可見輸出信號是一個幅值不變、相位隨磁頭與磁柵相對位置變化而變化的信號，可用鑒相電路測出該調(diào)相信號的相位為，從而測出位移x。三、信號處理方式為了能檢測位移大小和方向，必須使用兩個磁頭來讀出磁柵上的磁信號，它們的間距為，其中n為正整數(shù)，W為信號的節(jié)距，也就是兩個磁頭在信號角度上布置成相差90°，其信號處理方式分為鑒幅型和鑒相型兩種。2025/9/10山東科技大學（一）鑒幅型信號處理方式兩個磁頭輸出相差90°，其輸出電壓分別為經(jīng)檢測器檢波及濾波器濾去高頻載波后，可得它們是兩個幅值與磁頭位置x成比例的信號，通過細分辨向后，輸出計數(shù)脈沖。2025/9/10山東科技大學（二）鑒相型信號處理方式將兩磁頭之一的激磁電壓相移45°（或?qū)⑤敵鲂盘栂嘁?0°），則兩個磁頭的輸出電壓分別為再將上述兩電壓相加得總輸出電壓為由式（3-13）可知，輸出信號是一個幅值恒定、相位隨磁頭與磁柵之間相對位移x而變化的信號，這種方法稱為鑒相法。（3-13）2025/9/10山東科技大學

四、磁柵式傳感器的應(yīng)用鑒相型磁柵數(shù)字位移顯示裝置（簡稱為磁柵數(shù)顯表）框圖如圖3-20所示。圖3-20鑒相型磁柵數(shù)顯表框圖2025/9/10山東科技大學第五節(jié)光柵傳感器

一、光柵傳感器基本工作原理計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，按形狀又可分為長光柵和圓光柵。（一）光柵光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。沒有刻線的地方透光（或反光），刻線的地方不透光（或不反光）。圖3-21黑白型長光柵2025/9/10山東科技大學對于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。圖3-22所示為光柵傳感器實物圖。（二）光柵傳感器的組成光柵傳感器測量位移是利用莫爾條紋原理來實現(xiàn)的。光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩個部分。

圖3-22光柵傳感器實物2025/9/10山東科技大學1、光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由光源、透鏡、主光柵、指示光柵及光電元件組成，如圖3-23所示。

2、光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對位移是的測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。圖3-23光柵傳感器組成原理圖2025/9/10山東科技大學光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。二、莫爾條紋及其特點（一）莫爾條紋形成莫爾條紋必須有兩塊光柵組成：主光柵作標準器，指示光柵作為取信號用。將兩塊光柵（主光柵、指示光柵）相疊合，中間留有很小的間隙，并使兩者柵線有很小的夾角θ，于是在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，如圖3-24所示。圖3-24莫爾條紋原理圖2025/9/10山東科技大學（二）莫爾條紋特點莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點：（1）位移的放大作用。由圖3-24可知，莫爾條紋的間距BH與兩光柵柵線間夾角θ之間的關(guān)系為（2）與運動的對應(yīng)關(guān)系。如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線向上移動；反之，當主光柵向左移動時，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動。（3）誤差的平均效應(yīng)。光電元件接收的并不只是固定一點的條紋，而是在一定長度范圍內(nèi)所有刻線產(chǎn)生的條紋，這樣對于光柵刻線的誤差起到了平均作用。2025/9/10山東科技大學三、辨向原理和細分技術(shù)（一）辨向原理為了解決辨向問題，需要有兩個具有相位差的莫爾條紋信號同時輸入才能辨別移動方向。通常在相隔BH/4間距的位置處設(shè)置兩個光電元件1和2，如圖3-25所示。當條紋移動時，得到兩相位差的正弦電信號和，是滯后還是超前決定于光柵運動方向。然后將和送到辨向電路中處理，如圖3-26所示。圖3-25相隔BH/4間距的兩個光電元件2025/9/10山東科技大學當主光柵正向（右）移動時，莫爾條紋向上移動，這時光電元件2的輸出電壓波形如圖3-27（a）中曲線所示。主光柵反向（左）移動時，莫爾條紋向下移動。這時光電元件2的輸出電壓波形如圖3-27（b）中曲線所示，與正向移動時情況相反。正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器即可辨向，因而可以進行正確的測量。圖3-26辨向電路和原理圖2025/9/10山東科技大學圖3-27辨向電路各點波形2025/9/10山東科技大學（二）細分技術(shù)為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細分技術(shù)。所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。

1、機械細分機械細分常用的細分數(shù)為4，四細分可用4個光電元件依次安裝在相距BH/4的位置上，如圖3-28（a）所示。這樣可以獲得依次有相位差的4個正弦交流信號。用鑒零器分別鑒取4個信號的零電平，即在每個信號由負到正過零點時發(fā)出一個計數(shù)脈沖，如圖3-28（b）。2025/9/10山東科技大學2、電子細分由上述辨向原理可知，在相差BH/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差的正弦交流電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差的信號，它們分別經(jīng)RC微分電路，得到尖脈沖信號。在計數(shù)器的輸出端能得到四個計數(shù)脈沖，每個脈沖表示的是1/4柵距的位移，如圖3-29所示。圖3-28四倍頻機械細分法2025/9/10山東科技大學圖3-29四倍頻細分電路2025/9/10山東科技大學四、光柵傳感器的應(yīng)用（一）萬能比長儀圖3-30萬能比長儀工作原理1-燈泡；2-聚光鏡；3-光柵；4-物鏡；5，8-反射棱鏡；6-光電元件；7-偏振片；9-分光棱鏡；10，11-光電元件；12-永久磁鐵；13-動圈。2025/9/10山東科技大學（二）坐標檢測光柵部件的工作原理如圖3-31所示。圖3-31光柵部件的工作原理1-發(fā)光二極管；2-長光柵；3-長光柵刻線；4-零位刻線；5-指示光柵；6-指示光柵刻線；7-光電晶體管。

2025/9/10山東科技大學第六節(jié)光電式傳感器光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。利用這種傳感器測量非電量時，只需將這些非電量的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化而進行檢測。一、光電效應(yīng)光由具有一定能量的粒子組成，根據(jù)愛因斯坦光粒子學說，每個光子所具有的能量E與其頻率f的大小成正比（即E=hf，式中h=6.626×10-34J·s，為普朗克常數(shù)）。光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對物體的轟擊，物體吸收光子能量而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，即光電效應(yīng)，這是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。光電效應(yīng)依其表現(xiàn)形式的不同，通常可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。2025/9/10山東科技大學（一）外光電效應(yīng)在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。外光電效應(yīng)可用愛因斯坦光電方程來描述，即由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率f有一最低的限度。當hf小于W時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限頻率。當hf大于W時，光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流也就越大。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電元器件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。2025/9/10山東科技大學（二）內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，使物體導電能力發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光電導效應(yīng)。根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等。（三）光生伏特效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元件是光電池。二、光電器件（一）光電管圖3-32光電管2025/9/10山東科技大學（二）光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。圖3-33是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。（三）光敏電阻光敏電阻是一種利用內(nèi)光電效應(yīng)（光導效應(yīng)）制成的光電元件。它具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定、價格低等特點，所以被廣泛應(yīng)用在自動化技術(shù)中作為開關(guān)式光電信號傳感元件。圖3-33光電倍增管(a)結(jié)構(gòu)、工作原理(b)圖形符號2025/9/10山東科技大學光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極和半導體之間呈歐姆接觸，使用時在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖3-34所示。圖3-34光敏電阻工作原理目前生產(chǎn)的光敏電阻主要是硫化鎘，為提高其光靈敏度，在硫化鎘中再摻入銅、銀等雜質(zhì)。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖3-35所示。圖3-35光敏電阻2025/9/10山東科技大學（四）光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管也叫光電二極管，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，如圖3-36所示，具有一個PN結(jié)，單向?qū)щ?，而且都是非線性器件。

光敏三極管又稱為光電三極管、光電晶體管，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，都具有電流放大作用，只是基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照的控制。圖3-36光電二極管結(jié)構(gòu)原理圖圖3-37NPN型光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖2025/9/10山東科技大學（五）光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）也稱為光控晶閘管，如圖3-38所示。圖3-38（c）是它的典型應(yīng)用電路，光敏晶閘管的陽極接正極，陰極接負極，控制極通過電阻RG與陰極相連接。這時，J1、J3正偏，J2反偏，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。圖3-38光敏晶閘管(a)結(jié)構(gòu)(b)圖形符號(c)應(yīng)用電路2025/9/10山東科技大學（六）光電池光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的一種可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件。制造光電池的材料很多，主要有硅、鍺、硒、硫化鎘等，其中硅光電池應(yīng)用最廣泛。圖3-39硅光電池結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學三、光電式傳感器應(yīng)用（一）帶材跑偏檢測儀光電帶材跑偏檢測儀由光電式邊緣位置傳感器和測量電橋、放大電路組成，如圖3-40所示。圖3-40帶材跑偏檢測裝置2025/9/10山東科技大學（二）光電式煙塵濃度計工廠煙囪煙塵的排放是環(huán)境污染的重要來源，為了控制和減少煙塵的排放量，對煙塵的監(jiān)測是必要的。圖3-41光電式煙塵濃度計工作原理2025/9/10山東科技大學（三）光電測速計設(shè)高頻脈沖的頻率f=1MHz，周期T=1μs，計數(shù)器所計脈沖為n，則可判斷出物體通過已知距離S0所經(jīng)歷的時間為t=nT（單位為μs），則運動物體的平均速度為2025/9/10山東科技大學（四）光電式轉(zhuǎn)速計光電式轉(zhuǎn)速傳感器分為反射式和直射式兩種。圖3-43光電式轉(zhuǎn)速計工作原理(a)反射式(b)直射式2025/9/10山東科技大學第七節(jié)光纖傳感器光導纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發(fā)展速度很快的一種傳感器。光纖傳感器的測量對象涉及位移、加速度、液體、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、核輻射、應(yīng)變、熒光、PH值、DNA生物量等諸多內(nèi)容。和其他傳感器相比，光纖傳感器有抗電磁干擾強、靈敏度高、質(zhì)量輕、體積小、柔軟等優(yōu)點。它對軍事、航空航天、生命科學等的發(fā)展起著十分重要的作用，應(yīng)用前景十分廣闊。2025/9/10山東科技大學一、光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理（一）光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成。每一根光纖由纖芯、包層和外層組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。纖芯位于光纖的中心。其直徑范圍為5~75μm，光主要在纖芯中傳輸。圍繞纖芯的是一層圓柱形包層，直徑在100~200μm范圍內(nèi)，包層的折射率比纖芯小。包層外面常有一層尼龍外套，直徑約為1mm，其作用有二：一是保護光纖不受外界損害，增加光纖的機械強度；二是以顏色區(qū)分各種光纖。圖3-44光纖結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學（二）光纖導光原理圖中n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故，n1為纖芯折射率，n2為包層折射率。當時，根據(jù)斯乃爾定理，由圖3-45可得：

當折射角時，則定義為纖維光學中的數(shù)值孔徑NA，即NA=當時，光線發(fā)生全反射，其條件是：圖3-45光纖導光原理示意圖（3-18）2025/9/10山東科技大學如圖3-46(a)、圖3-46(b)所示為能夠在階躍光纖纖芯中傳播并具有最小光功率損耗的曲線光線。如圖3-46(c)所示為梯度型光纖中傳播的子午光線。由于折射率連續(xù)不斷地變化，梯度型光纖纖芯中光線通過中心軸沿曲線而不是直線傳播，且不斷地發(fā)生反復彎曲。梯度型光纖中還存在一種螺旋光線，如圖3-46(d)所示，它沿與中心線不相交的螺旋路徑傳播。圖3-46光纖纖芯中光線傳播典型示意圖2025/9/10山東科技大學二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理與分類（一）光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理光纖傳感器的結(jié)構(gòu)由光發(fā)送器、敏感元件（光導纖維或非光導纖維）、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光導纖維組成。圖3-47為三種光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖3-47光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理圖(a)功能型光纖傳感器；(b)非功能型光纖傳感器(c)拾光型光纖傳感器。2025/9/10山東科技大學（二）光纖傳感器的分類將光纖傳感按光纖在光纖傳感器中的作用和光受被測量調(diào)制形式兩種分類方法敘述如下。

1、按光纖在光纖傳感器中的作用分類光纖傳感器按光纖在其中的作用可分為功能型、非功能型和拾光型三類。（1）功能型光纖傳感器又稱全光纖傳感器。光纖在其中既是導光媒質(zhì)，又是敏感元件，是將“傳光”和“感知”合為一體的傳感器。（2）非功能型光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，對外界信息的“敏感”功能是依靠對光的性質(zhì)加以調(diào)制的調(diào)制器來完成的。（3）拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。2025/9/10山東科技大學2、按光受被測量的調(diào)制形式分類按光受被測量的調(diào)制形式，光纖傳感器可分為下列五類。（1）強度調(diào)制型光纖傳感器利用外界物理量改變光纖中光的強度，通過測量光強度變化來測量外界物理量變化的原理稱為強度調(diào)制。（2）偏振調(diào)制型光纖傳感器利用外界物理量改變的偏振特性，通過檢測光的偏振態(tài)的變化（即偏振面的旋轉(zhuǎn)）來檢測各種物理量，稱為偏振調(diào)制。（3）頻率調(diào)制型光纖傳感器光頻率調(diào)制是指被測量對光纖中傳輸?shù)墓獠l率進行調(diào)制，頻率偏移即反映被測量。目前使用較多的調(diào)制方法為多普勒（Doppler）法，即外界信號通過多普勒效應(yīng)對接收光纖中的光波頻率實施調(diào)制，是一種非功能型調(diào)制。2025/9/10山東科技大學（4）波長調(diào)制型光纖傳感器 外界信號（被測量）通過一定的方式改變光纖中的傳輸光的波長，因此，測量波長的變化即可檢測到被測量，這種調(diào)制形式稱為光的波長調(diào)制。（5）相位調(diào)制型光纖傳感器利用外界物理量（被測量）改變光纖中傳輸光的相位，通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。2025/9/10山東科技大學

三、光纖傳感器的應(yīng)用（一）反射光強調(diào)制型光纖傳感器圖3-48所示光纖動態(tài)壓力傳感器是一個反射光強調(diào)制型的光纖傳感器。圖3-48光纖動態(tài)壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理2025/9/10山東科技大學（二）光纖加速度傳感器圖3-49所示為相位型光纖加速度傳感器原理示意圖圖3-49相位型光纖加速度結(jié)構(gòu)原理圖2025/9/10山東科技大學（三）多普勒光纖測速系統(tǒng)圖3-50激光多普勒光纖測速系統(tǒng)2025/9/10山東科技大學第八節(jié)超聲波傳感器

一、超聲波傳感器的工作原理20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。完成超聲波發(fā)射和接收的裝置，就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，也叫超聲探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理，有壓電式、磁致伸縮式和電磁式等多種，在檢測技術(shù)中主要采用的是壓電式換能器。2025/9/10山東科技大學

圖3-51為超聲波傳感器結(jié)構(gòu)實例。它采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。圖3-51超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學若在發(fā)送器的雙晶振子（諧振頻率為40kHz）上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片a、b就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。圖3-52超聲傳感器工作原理示意圖2025/9/10山東科技大學二、壓電式超聲波傳感器的類型壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)有直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭。（一）直探頭式換能器直探頭式換能器也稱直探頭或平探頭，它可以發(fā)射和接收縱波。直探頭主要有壓電晶片、阻尼塊（吸收塊）及保護膜組成，其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-53所示。壓電晶片是換能器中的主要元件，一般采用PZT壓電陶瓷材料制作，大多數(shù)做成圓板形，兩面敷有銀層，作為導電的極板，晶片底面接地線引至電路上。壓電晶片的厚度與超聲波的頻率成反比。為避免壓電晶片與被測試件直接接觸而磨損晶片，在晶片下粘合一層軟性保護膜或硬性保護膜。2025/9/10山東科技大學在選擇保護膜的材料性質(zhì)時，要注意聲阻抗的匹配，其最佳條件為圖3-53直探頭式換能器的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-54斜探頭式換能器的結(jié)構(gòu)示意圖2025/9/10山東科技大學（二）斜探頭式換能器斜探頭式換能器可產(chǎn)生與接收橫波。它主要由壓電晶片、阻尼塊及斜楔塊組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-54所示。（三）雙探頭式換能器雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖3-55所示。它是由兩個單晶直探頭組合而成。兩個探頭之間用一塊吸聲性強、絕緣性能好的薄片加以隔離，并在壓電晶片下方增設(shè)延遲塊，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。圖3-55雙晶直探頭式換能器的結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學（四）表面波換能器對于斜式換能器，當其入射角增大到某一角度，使得在被測件中橫波的折射角為90°時，則可在試件中產(chǎn)生表面波，而形成表面波換能器。因此表面波換能器是斜式換能器的一個特例。（五）聚焦換能器聚焦換能器可將超聲波聚成一細束（線狀或點狀），使聲能集中在焦點處，可提高探傷靈敏度及分辨力。聚焦換能器多用于液浸法自動化探傷。聚焦換能器發(fā)射縱波，但在液體中以不同的入射角傾斜入射到試件時，在工件中可產(chǎn)生橫波、表面波。2025/9/10山東科技大學（六）空氣傳導探頭此發(fā)射器和接收器一般是分開設(shè)置的，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。圖3-56為空氣傳導用的超聲波發(fā)射器和接收器結(jié)構(gòu)簡圖。

圖3-56空氣傳導型超聲波發(fā)射、接收器結(jié)構(gòu)(a)超聲波發(fā)射器；(b)超聲波接收器。1-外殼；2-金屬絲網(wǎng)罩；3-錐形共振盤；4-壓電晶片；5-引線端子；6-阻抗匹配器。2025/9/10山東科技大學

三、超聲波傳感器的應(yīng)用（一）超聲波測厚如果超聲波在工件中的聲速c是已知的，設(shè)工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔Δt可以測量，因此可求出工件厚度為2025/9/10山東科技大學（二）超聲波測流量超聲波流量計常用測量方法有傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流時的速度之差來反映流體的流速，從而測出流量。1、直接時差法其基本工作原理如圖3-58所示。設(shè)靜止時流體中的聲速為c，流體的流動速度為ν。把一組傳感器P1，P2與管道軸線安裝成θ角，兩個傳感器的距離為L。則從P1到P2順流發(fā)射時，聲波傳播時間為圖3-58直接時差法原理示意圖2025/9/10山東科技大學從P1到P2逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間為一般情況下c>>ν，則時差根據(jù)上式可求出流速ν，并可求出流量Q。

2、相位差法在時差法測量中，時間差Δt的量級很小，約為10-8s～10-9s。測量Δt需要很復雜的電子儀器，所以常用測量連續(xù)超聲波在順流和逆流傳播時接收信號之間的相位差的方法，簡稱相位差來實現(xiàn)。設(shè)連續(xù)波的角頻率為ω，則2025/9/10山東科技大學3、頻差法在被測流體內(nèi)有兩對超聲波發(fā)射器和接收器組成兩個通道，一個通道按順流方向發(fā)射超聲波，另一個通道按逆流方向發(fā)射超聲波。設(shè)順流發(fā)射時，接收的聲波頻率為f1，有逆流發(fā)射時，接收的聲波頻率為f2，有測出Δf，即可測出ν，Q。2025/9/10山東科技大學（三）超聲波探傷測試時，探頭放在工件上，并在工件上來回移動進行檢測，探頭發(fā)出的超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播，如果工件中沒有缺陷，超聲波傳到工件底部才反射，在熒光屏上只出現(xiàn)脈沖T和B，如圖3-59(a)所示。如果工件中有缺陷，一部分超聲波在缺陷處反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底部反射，在熒光屏上出現(xiàn)三個脈沖，多了一個脈沖F，如圖3-59(b)所示。

圖3-59超聲波探傷(a)無缺陷時超聲波的反射及顯示波形(b)有缺陷時超聲波的反射及顯示波形2025/9/10山東科技大學（四）超聲波防撞報警器圖3-60超聲波倒車防撞報警器電路2025/9/10山東科技大學該倒車防撞報警器主要由40kHz的超聲波振蕩器、超聲波接收、控制和報警等電路組成。1、40kHz的超聲波振蕩器40kHz的超聲波振蕩器主要由一塊555時基集成電路IC1（NE555）和R1、R2、C1等元件構(gòu)成，是一種無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。振蕩電路工作后產(chǎn)生的方波信號從IC1的③腳輸出，經(jīng)R10電阻加到VT1的基極，經(jīng)VT1放大后的信號從其集電極輸出，直接加到LM1812的⑧腳內(nèi)。

2、功率放大與發(fā)射電路功率放大電路由LM1812集成電路⑧腳與⑥腳內(nèi)的部分電路及驅(qū)動管VT2等組成。用于將振蕩電路產(chǎn)生的信號進行功率放大以滿足發(fā)射電路的幅度要求。加到LM1812⑧腳的振蕩信號經(jīng)過其內(nèi)部有關(guān)電路處理后從⑥腳輸出，經(jīng)由兩只電阻（R13和R14）和一只電容C10組成的“T”字形濾波電路濾波后加到VT2功率放大管基極。經(jīng)VT2進行功率放大后，加到L1線圈抽頭處。2025/9/10山東科技大學3、接收傳感器接收傳感器采用與發(fā)射傳感器MA40EIS相配套的MA40EIR，其接收、放大用的諧振回路與發(fā)射回路一樣，諧振在40kHz頻率上。

4、單穩(wěn)態(tài)及聲光報警電路聲光報警電路受IC2（NE555）時基集成電路和、等組成的單穩(wěn)態(tài)電路的控制，單穩(wěn)態(tài)電路輸出的脈沖寬度為：因此，電子蜂鳴器發(fā)出的是斷續(xù)的報警聲。同時，發(fā)光二極管LED發(fā)出可見的閃爍光，進行同步閃爍。2025/9/10山東科技大學第九節(jié)紅外傳感器紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面：①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置，并對它的運動進行跟蹤；③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測距和通信系統(tǒng)；⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。一、紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖3-61所示。2025/9/10山東科技大學紅外線的最大特點是具有光熱效應(yīng)，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。圖3-61電磁波譜圖2025/9/10山東科技大學二、紅外探測器（傳感器）能將紅外輻射量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器。紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器種類很多，常見的有兩大類，即熱探測器和光子探測器。（一）熱探測器熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全波吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器主要類型有熱敏電阻型、熱電偶型、高萊氣動型和熱釋電型探測器。2025/9/10山東科技大學1、熱敏電阻型紅外探測器熱敏電阻型紅外探測器是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒結(jié)而成的。熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減小。圖3-62熱敏電阻紅外探測器的結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學2、熱電偶型紅外探測器熱電偶型紅外探測器是由熱電功率差別較大的兩種金屬材料（如鉍-銀、銅-康銅、鉍-鉍錫合金等）構(gòu)成的。當紅外輻射入射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點上時，該接點溫度升高，而另一個沒有被紅外輻射的接點處于較低的溫度。此時，在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時回路中產(chǎn)生溫差電勢，溫差電勢的大小，反映了吸收紅外輻射的強弱。3、高萊氣動型紅外探測器高萊氣動型紅外探測器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。其結(jié)構(gòu)原理如圖3-63所示.2025/9/10山東科技大學4、熱釋電型紅外探測器熱釋電型紅外探測器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱鐵電體。鐵電體的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型紅外探測器。圖3-63氣體探測室的結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學（二）光子探測器光子型紅外探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。按照光子探測器的工作原理，一般可分為外光電探測器和內(nèi)光電探測器兩種。內(nèi)光電探測器又分為光電導探測器、光生伏特探測器和光磁電探測器三種。

1、外光電探測器（PE器件）當光輻射照在某些材料的表面上時，若入射光的光子能量足夠大，就能使材料的電子逸出表面，向外發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。光電管、光電倍增管等都屬于這種類型的光子探測器。只適用于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。2025/9/10山東科技大學2、光電導探測器（PC器件）當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上，半導體材料中有些電子和空穴在光子能量作用下可以從原來不導電的束縛狀態(tài)變?yōu)閷щ姷淖杂蔂顟B(tài)，使半導體的導電率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導效應(yīng)。利用光電導效應(yīng)制成的探測器稱為光電導探測器，光敏電阻就屬于光電導探測器。3、光生伏特探測器（PU器件）當紅外輻射照射在某些半導體材料構(gòu)成的PN結(jié)上時，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，P型區(qū)的自由電子移向N型區(qū)，N型區(qū)的空穴向P型移動。如果PN結(jié)是開路的，則在PN結(jié)兩端產(chǎn)生一個附加電勢，它稱為光生電動勢。利用這個效應(yīng)制成的探測器稱為光生伏特探測器或結(jié)型紅外探測器。2025/9/10山東科技大學4、光磁電探測器（PEM器件）當紅外線照射在某些半導體材料表面上時，在材料的表面產(chǎn)生電子和空穴對，并向內(nèi)部擴散，在擴散中受到強磁場作用，電子與空穴各偏向一邊，因而產(chǎn)生了開路電壓，這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。利用光磁電效應(yīng)制成的紅外探測器，稱為光磁電探測器。光磁電探測器響應(yīng)波段在7μm左右，時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，不用加偏壓，內(nèi)阻極低，噪聲小，性能穩(wěn)定。但其靈敏度低，低噪聲放大器制作困難，因而影響了使用。2025/9/10山東科技大學三、紅外傳感器的應(yīng)用（一）熱輻射測溫儀熱輻射測溫儀由紅外線傳感器和電信號處理電路組成，其中的紅外線傳感器就是能接收上述紅外波長并將其轉(zhuǎn)變成電信號的一種裝置。1、傳感器測溫儀所使用的紅外線傳感器，能接收物體放射出的紅外線并使之轉(zhuǎn)換成電信號。圖3-64傳感器單元及熱輻射溫度儀測溫原理框圖1-遮光板；2-傳感器；3-慢速電機；4-用于溫度補償?shù)亩O管2025/9/10山東科技大學2、測量電路

傳感器輸出的信號需要放大器進行放大，然后再經(jīng)過濾波器濾波，傳感單元中的二極管進行溫度補償，被測量到的電信號和溫度補償電信號通過加法器處理后輸出被測物體的溫度信號。圖3-65熱輻射溫度儀電路圖2025/9/10山東科技大學（二）光電高溫計圖3-66是WDL型光電高溫計的工作原理示意圖。圖3-66光電高溫計工作原理圖(a)工作原理示意圖；(b)光調(diào)制器1-物鏡；2-光欄；3，5-窗口，4-光電器件；6-遮光板；7-調(diào)制片；8-永久磁鋼；9-激磁繞組；10-透鏡；11-反射鏡；12-觀察孔；13-前裝置放大器；14-主放大器；15-反饋燈；16-電子電位差計；17-被測物體2025/9/10山東科技大學（三）紅外雷達紅外雷達的搜索裝置是由光學系統(tǒng)、位于光學系統(tǒng)焦點上的紅外探測器、調(diào)制盤、電子線路及顯示器等組成（見圖3-67）。圖3-67紅外雷達搜索裝置2025/9/10山東科技大學第十節(jié)圖像傳感器

圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能，將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號。。圖像傳感器分為光導攝像管和固態(tài)圖像傳感器。與光導攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。一、CCD電荷耦合器件的基本工作原理（一）MOS光敏元件的結(jié)構(gòu)和工作原理2025/9/10山東科技大學CCD的基本結(jié)構(gòu)是按一定規(guī)律排列的MOS（即金屬—氧化物——半導體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖3-68所示。

在P型或N型襯底上形成一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，成為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底形成規(guī)則的MOS電容陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。圖3-68CCD基本結(jié)構(gòu)示意2025/9/10山東科技大學（二）電荷轉(zhuǎn)移原理

MOS電容器上記憶的電荷信號的輸出是采用轉(zhuǎn)移柵極的辦法來實現(xiàn)的。如圖3-69所示，圖3-69電荷轉(zhuǎn)移原理(a)電荷轉(zhuǎn)移柵極結(jié)構(gòu)；(b)電荷轉(zhuǎn)移柵極電位變化波形2025/9/10山東科技大學圖3-70所示為電荷傳輸過程。圖3-70電荷傳輸過程(a)t=t1(b)t=t2(c)t=t3(d)t=t42025/9/10山東科技大學①當t=tl時，即Ф1=U，Ф2=0，Ф3=0，此時只有Фl極下形成勢阱。如果有光照，這些勢阱里就會收集到光生電荷，電荷的數(shù)量與光照成正比。

②當t=t2時，即Ф1=0.5U，Ф2=U，Ф3=0，此時Ф1極下的勢阱變淺，Ф2極下的勢阱最深，Ф3極下沒有勢阱。原先在Ф1極下的電荷就逐漸向Ф2極下轉(zhuǎn)移。

③到t=t3時，Фl極下的電荷向Ф2極下轉(zhuǎn)移完畢。

④在t=t4時，Ф2極下的電荷向Ф3極下轉(zhuǎn)移，如此下去，勢阱中的電荷沿著Ф1→Ф2→Ф3→Ф1方向轉(zhuǎn)移。在它的末端就能依次接收到原先存儲在各個Ф極下的光生電荷。2025/9/10山東科技大學二、CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器有線型和面型兩大類，它們各具有不同的結(jié)構(gòu)和用途。

(一)線列陣圖像傳感器線列陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖3-55所示。線列陣CCD是將光敏元件排列成直線的器件，由MOS的光敏元件陣列、轉(zhuǎn)移柵、讀出移位寄存器三部分組成。（a）單排結(jié)構(gòu)（b）雙排結(jié)構(gòu)圖3-71線列陣圖像傳感器結(jié)構(gòu)2025/9/10山東科技大學（二）面列陣圖像傳感器如圖3-72所示的面列陣固態(tài)圖像傳感器有四種基本構(gòu)成方式。圖3-72面列陣圖像傳感器的構(gòu)成(a)x-y選址(b)行選址(c)幀場傳輸(d)行間傳輸2025/9/10山東科技大學

三、圖像傳感器的應(yīng)用（一）尺寸測量利用幾何光學知識可以很容易地推導出被測對象長度L與系統(tǒng)諸參數(shù)之間的關(guān)系為：式中：f為所用透鏡焦距；a為物距；M為倍率；n為現(xiàn)行傳感器的像素數(shù)；p為像素間距。 圖3-73尺寸測量基本原理（3-29）2025/9/10山東科技大學若選定透鏡（即f和現(xiàn)場l1已知）并且已知物距為a，那么所需傳感器的長度（被測參數(shù)在傳感器中反映出的長度）l2可由下式求出則有代入式（3-29）得（3-30）2025/9/10山東科技大學（二）英國IPL公司的ORBIS測量儀這種測量儀由測頭、計算機信號處理裝置和顯示器3個主要部分組成。圖3-74ORBIS測量儀1-光源；2-平行光透鏡；3-軋件；4-物鏡；5-光欄；6-濾光器；7-攝像機2025/9/10山東科技大學（三）計算機視覺三維測試該裝置實質(zhì)上是一個以CCD為核心器件的三維測試系統(tǒng)。圖3-75激光三角法測量汽車車身曲面裝置的原理2025/9/10山東科技大學第十一節(jié)傳感器的智能化與微型化

一、智能傳感器智能傳感器可以對信號進行檢測、分析、處理、存儲和通信，具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能，所以稱之為智能傳感器。（一）智能傳感器的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上來講，智能傳感器由經(jīng)典傳感器和微處理器單元兩個部分構(gòu)成，圖3-76給出了一個典型的智能傳感器系統(tǒng)框圖。2025/9/10山東科技大學圖3-77給出了模塊式智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，其功能是由幾塊輸出獨立的模板構(gòu)成，裝在同一殼體內(nèi)，構(gòu)成智能傳感器。也可把這些模塊集成化，成為以硅片為基礎(chǔ)的超