主要內(nèi)容5.15.25.35.45.1角度數(shù)字編碼器5.2光柵傳感器5.3感應(yīng)同步器5.4現(xiàn)代傳感器數(shù)字溫度傳感器數(shù)字溫度傳感器微機(jī)USB/RS232轉(zhuǎn)換芯片USB接口PC機(jī)I2C總線SPI總線SCI總線TXRX數(shù)字量轉(zhuǎn)換處理傳輸溫度傳感器溫度傳感器微機(jī)USB/RS232轉(zhuǎn)換芯片USB接口PC機(jī)TXRX信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換模擬轉(zhuǎn)換處理傳輸數(shù)字式檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)輸出脈沖或數(shù)字信號(hào)直接與計(jì)算機(jī)相接。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，測(cè)量精度高。數(shù)字式檢測(cè)裝置的分類直接數(shù)字傳感器（數(shù)字編碼器、CCD傳感器、數(shù)字溫度傳感器等）間接數(shù)字傳感器（增量式和頻率式）（光柵、感應(yīng)同步器、增量式角度數(shù)字編碼器）5.1角度數(shù)字編碼器概念將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（角位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的傳感器。5.1.1

增量式角度數(shù)字編碼器圖5-1編碼器的結(jié)構(gòu)功能：將轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為脈沖。原理式分辨率轉(zhuǎn)軸盤(pán)碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABCABZABZ正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)光欄板上的兩個(gè)狹縫距離是碼盤(pán)上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B。圖5-2正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)A、B輸出波形Z:零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。2、辨向電路圖

5-2辨向電路方框圖圖

5-3辨向電路波形

u2′門(mén)控信號(hào)。u1w′和u1w〞提供正反向計(jì)數(shù)脈沖。工作軸正轉(zhuǎn)，光敏元件1、元件2相位差。與門(mén)1、2哪個(gè)輸出脈沖可逆計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)？圖

5-3辨向電路波形

工作軸反轉(zhuǎn)，光敏元件1、元件2相位差。與門(mén)1、2哪個(gè)輸出脈沖可逆計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)？T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在T時(shí)間段內(nèi)（秒）有m1

個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

m1n=60m1/（NT）5.1.2絕對(duì)式角度數(shù)字編碼器

定義:在碼盤(pán)上按角度直接進(jìn)行編碼的裝置。光電式角度數(shù)字編碼器組成：光源、光學(xué)系統(tǒng)、碼盤(pán)、讀出系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。

圖5-4光電光電碼盤(pán)工作原理示意圖1、碼盤(pán)和碼制

絕對(duì)式碼盤(pán)與增量式碼盤(pán)有何區(qū)別？透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志10碼道光電絕對(duì)式碼盤(pán)絕對(duì)式接觸式編碼器演示4個(gè)光電元件

4位二進(jìn)制碼盤(pán)

最小分辨角度為α=360°/2n

每個(gè)方位(轉(zhuǎn)角)對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制編碼圖5-5N位二進(jìn)制碼盤(pán)2、二進(jìn)制碼盤(pán)主要特點(diǎn)（1）碼盤(pán)特性n位(n個(gè)碼道)二進(jìn)制碼盤(pán)具有2n種不同編碼。最小分辨力θ1＝3600／2n，最外圈角節(jié)距為2θ1（2）轉(zhuǎn)角計(jì)算公式：碼盤(pán)的位置與轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。D=101011對(duì)應(yīng)的角度？思考（3）碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中，CK變化時(shí)，所有Cj(j<K)應(yīng)同時(shí)變化。

7→80111→1000圖5-66位循環(huán)碼碼盤(pán)圖5-66位二進(jìn)制碼盤(pán)3、二進(jìn)制碼盤(pán)的粗大誤差及消除

微小的制作誤差，只要有一個(gè)碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。消除粗大誤差方法：循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼循環(huán)碼碼盤(pán)產(chǎn)生誤差最大為4、二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照表R→CC→R（1）二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路

(a)并行變換電路(b)串行變換電路

圖5-7二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼碼盤(pán)（2）循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼的電路

圖5-8(a)并行變換電路(b)串行變換電路

5、應(yīng)用

圖5-9光學(xué)碼盤(pán)測(cè)角儀的原理圖將光電元件輸出的編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形變?yōu)殡娖?、1組合的編碼信號(hào)，輸入到微機(jī)的I/O口，微機(jī)讀入I/O口數(shù)據(jù)，按公式計(jì)算轉(zhuǎn)角。經(jīng)過(guò)二進(jìn)制碼到BCD碼，BCD碼到七段碼的轉(zhuǎn)換，輸出對(duì)應(yīng)角度的七段碼顯示。5.2光柵傳感器長(zhǎng)度和角度精密測(cè)量和數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)。掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜5.2.1計(jì)量光柵的理論基礎(chǔ)

1、光柵的定義由很多相等節(jié)距的透光和不透光的刻線相間排列構(gòu)成的柵形光器件。

W=(a+b)2、光柵的分類

物理光柵：特點(diǎn)：光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象。用途：光譜分析和波長(zhǎng)檢測(cè)。每毫米約有300～1200條線

計(jì)量光柵：利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，應(yīng)用于位移及和位移相關(guān)的物理量測(cè)量。每毫米約有20～125條線

計(jì)量用黑白透射式長(zhǎng)光柵。3、光柵傳感器的構(gòu)造5-10光柵傳感器的構(gòu)造圖

4、莫爾條紋形成原理

遮光效應(yīng)兩光柵刻線相交處形成亮帶；刻線彼此錯(cuò)開(kāi)處形成暗帶。在與刻線垂直方向，出現(xiàn)周期性的明暗相間的條紋，為莫爾條紋。疊合標(biāo)尺光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)標(biāo)尺光柵指示光柵光柵移動(dòng)莫爾條紋移動(dòng)兩亮（暗）條紋（寬度）間距為莫爾條紋的間距BH。*移過(guò)一個(gè)光柵柵距，移過(guò)一個(gè)莫爾條紋。莫爾條紋間距圖5-11光柵和橫向莫爾條紋（1）運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系在夾角一定的情況下，光柵尺的位移方向與莫爾條紋的移動(dòng)方向有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵的夾角θ方向

標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向

莫爾條紋移動(dòng)方向順時(shí)針?lè)较蚰鏁r(shí)針?lè)较?、莫爾條紋的特點(diǎn)*莫爾條紋對(duì)光柵的柵距具有放大作用。光柵尺每移過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋寬度B，通過(guò)讀出移過(guò)莫爾條紋的數(shù)目，來(lái)測(cè)量位移X。X=NW（2）放大作用放大1/θ（3）誤差平均效應(yīng)莫爾條紋對(duì)光柵的柵距誤差具有消差作用。光電元件接受的莫爾條紋是在它所接受區(qū)域的眾多光柵刻線遮透光形成的。10mm有500條刻線在參與工作，某幾條刻線的誤差或斷裂對(duì)整個(gè)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。5.2.2光柵傳感器工作原理圖5-12光柵傳感器組成圖光柵光學(xué)系統(tǒng)，電子系統(tǒng)（接收、辨向、細(xì)分、顯示）機(jī)械系統(tǒng)處理電路標(biāo)尺光柵隨被測(cè)件移動(dòng)，光電元件受光感受莫爾條紋的變化，后接電路，計(jì)出移動(dòng)莫爾條紋的條數(shù)，由X=NW即可測(cè)出位移。圖5-13光柵輸出信號(hào)波形莫爾條紋測(cè)量位移原理5.2.3辨向原理與細(xì)分技術(shù)1、辨向原理光電元件25-14辨向原理圖

光電元件1圖5-15辨向原理電路框圖光電元件1光電元件2差動(dòng)放大器斯密特電路差動(dòng)放大器斯密特電路與門(mén)1微分可逆計(jì)數(shù)器與門(mén)2微分反相觸發(fā)器QQCLK加減H光敏元件1產(chǎn)生主信號(hào)（計(jì)數(shù)），光敏元件2產(chǎn)生門(mén)控信號(hào)。主光柵正向移動(dòng)X向，光敏元件1先感光，微分輸出在控制信號(hào)的高電平，與門(mén)2有輸出，加減控制觸發(fā)器置1，可逆計(jì)數(shù)器加法控制母線為高電平，同時(shí)與門(mén)2輸出脈沖經(jīng)過(guò)或門(mén)送到可逆計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端加計(jì)數(shù)。產(chǎn)生主光柵負(fù)向移動(dòng)X向，莫爾條紋做A向運(yùn)動(dòng)，光敏元件1后感光，電信號(hào)相位滯后光敏元件2相位角。微分輸出在控制信號(hào)的高電平，與門(mén)1有輸出，加減控制觸發(fā)器置0，可逆計(jì)數(shù)器減法控制母線為高電平，同時(shí)與門(mén)1輸出脈沖經(jīng)過(guò)或門(mén)送到可逆計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端減計(jì)數(shù)。2、細(xì)分（倍頻）技術(shù)細(xì)分思想：在一個(gè)莫爾條紋周期內(nèi)，內(nèi)插N個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表W/N位移量。目的：進(jìn)一步提高儀器測(cè)量分辨率。脈沖細(xì)分光柵的分辨力一個(gè)柵距的大小。細(xì)分前細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，測(cè)量步距是原來(lái)的1/4。（2）四細(xì)分邏輯分析①光電元件輸出的四路信號(hào)

1

、四倍頻直接細(xì)分。（1）原理在一個(gè)莫爾條紋間距內(nèi)等間距放四個(gè)光電元件。亦可由相位差的兩路信號(hào)再經(jīng)反向得到四路信號(hào)。+ABu1u3u2u4四細(xì)分邏輯電路框圖u1u2u3u4每移過(guò)一個(gè)光柵柵距，移過(guò)一個(gè)莫爾條紋。四倍頻電路產(chǎn)生四個(gè)脈沖信號(hào)。一個(gè)脈沖信號(hào)代表位移W/4。微分電路鑒零器差動(dòng)放大光電元件光電元件光電元件光電元件差動(dòng)放大差動(dòng)放大差動(dòng)放大鑒零器鑒零器鑒零器微分電路微分電路微分電路u4u3u2u1圖5-16四細(xì)分邏輯電路框圖t1u3u13u1②經(jīng)差分放大后濾除直流信號(hào)。四路信號(hào)相位差相差。③鑒零器作用是將正弦波變?yōu)榉讲?。輸入正弦波每過(guò)零一次，鑒零器翻轉(zhuǎn)一次，四路方波信號(hào)t1

、t2、t3

、t4為后續(xù)電路提供辨向信號(hào)。(4-23)(4-24)t1

、t2、t3

、t4經(jīng)過(guò)微分電路后輸出尖脈沖提供計(jì)數(shù)信號(hào)p1、p2

、p3

、p4。t1

、t2、t3

、t4、p1、p2

、p3

、p4經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)電路，輸出Q+、Q-、Q。設(shè)計(jì)邏輯電路實(shí)現(xiàn)。圖5-18四細(xì)分加減計(jì)數(shù)邏輯電路觸發(fā)器單穩(wěn)整形或門(mén)可逆計(jì)數(shù)器Q+Q-加減qq計(jì)數(shù)器CLK2、電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）圖5-19電阻電橋細(xì)分原理用此信號(hào)去觸發(fā)施密特電路圖5-20電阻電橋細(xì)分電路3、電阻鏈細(xì)分法

圖5-21等電阻鏈細(xì)分電路

20細(xì)分呢？代表性產(chǎn)品：

德國(guó)Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開(kāi)放式：量程1440mm，分辨力0.01m開(kāi)放式：量程270mm分辨力1nmsincos節(jié)距τ節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼)滑尺定尺5.3感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)250mm圖5-22長(zhǎng)感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖5-23圓感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)銅箔厚度在40-50um，通過(guò)光刻和腐蝕工藝刻成需要的繞組圖形。利用兩個(gè)平面形印刷電路繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理，將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（感應(yīng)電勢(shì)），感應(yīng)電勢(shì)的幅值或相位是滑尺與定尺的位置函數(shù)。原理用于數(shù)顯、數(shù)控精密機(jī)床、精密伺服同步系統(tǒng)

應(yīng)用定尺感應(yīng)電勢(shì)滑尺加激勵(lì)5.3.1感應(yīng)同步器的理論基礎(chǔ)圖5-23通電矩形線圈中磁場(chǎng)分布單一通電矩形線圈中磁場(chǎng)分布圖5-24兩個(gè)線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)

在A線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)激磁線圈B中通以電流為

不同位置產(chǎn)生互感系數(shù)不同，感應(yīng)電勢(shì)不同。線圈A換成定尺，線圈B換成滑尺?；呒蛹?lì)，定尺產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。5.3.2感應(yīng)同步器工作原理圖5-25滑尺位置與定尺感應(yīng)電勢(shì)變化圖總的感應(yīng)電勢(shì)為

余弦繞組激磁電勢(shì)eB在定尺中的感應(yīng)電勢(shì)為正弦繞組激磁電勢(shì)eA在定尺中的感應(yīng)電勢(shì)為K互感耦合系數(shù)

1、鑒幅型系統(tǒng)

滑尺上激勵(lì)電壓要求：同頻同相不同幅5.3.4信號(hào)處理方式

在定尺上的感應(yīng)電勢(shì)

根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的幅值測(cè)量位移量。定尺繞組上總的感應(yīng)電勢(shì)應(yīng)為

鑒幅檢測(cè)原理圖

放大環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)函數(shù)發(fā)生器計(jì)算顯示圖5-26鑒幅檢測(cè)原理圖2、鑒相型系統(tǒng)

根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量的工作方式。滑尺上激勵(lì)電壓要求：同頻同幅但不同相在定尺上感應(yīng)電勢(shì)分別為

圖5-27鑒相檢測(cè)原理圖5.3.7感應(yīng)同步器的應(yīng)用

1、位移高精度測(cè)量

（1）鑒幅式函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正余弦激勵(lì)信號(hào)加到滑尺的正余弦繞組。系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，滑尺相對(duì)定尺產(chǎn)生位移

圖5-28鑒幅位移測(cè)量系統(tǒng)框圖

函數(shù)電壓發(fā)生器e放大后作用在門(mén)檻，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，打開(kāi)與門(mén)。（1）時(shí)鐘脈沖到可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。（2）到轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器改變使實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量通過(guò)譯碼顯示顯示出位移量。（2）鑒相式數(shù)字式位移相位自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。鑒相器兩入：輸出信號(hào)相位θ2

與跟蹤信號(hào)相位θ1。兩出：相位差△θ和相位差狀態(tài)1或0。模數(shù)轉(zhuǎn)換：鑒相器、計(jì)數(shù)門(mén)、可逆計(jì)數(shù)器脈沖發(fā)生器通過(guò)計(jì)數(shù)門(mén)送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。直到△θ=0將加減脈沖轉(zhuǎn)換為跟蹤相位的變化。鑒相器輸出為1，加脈沖。鑒相器輸出為0，減脈沖。數(shù)模轉(zhuǎn)換：脈沖相位變換器。

圖5-29鑒相式位移測(cè)量系統(tǒng)框圖

X=1mmM=?θ

1θ2為多少？工作原理：開(kāi)始，θ2=θ1?！鳓?0，計(jì)數(shù)器清零。（零點(diǎn)）設(shè)滑尺相對(duì)定尺正向位移，θ2

超前θ1?！鳓取?，計(jì)數(shù)門(mén)開(kāi)啟加計(jì)數(shù)，同時(shí)鑒相器輸出控制脈沖移相器移相使θ1增加。5.5現(xiàn)代傳感器

5.5.1CCD圖像傳感器

基本功能：光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。

應(yīng)用：圖像識(shí)別技術(shù)，固體攝像器件。

圖5-30CCD傳感器基本功能框圖

電荷存儲(chǔ)電荷輸出電荷轉(zhuǎn)移光電轉(zhuǎn)換1、電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）基本單元的結(jié)構(gòu)P型硅半導(dǎo)體金屬電極Si02氧化物

圖5-31MOS結(jié)構(gòu)圖三相脈沖（2）電荷的存儲(chǔ)

圖5-32有信號(hào)電荷的勢(shì)阱①勢(shì)阱的產(chǎn)生勢(shì)阱的深淺取決于UG的大小。勢(shì)阱的寬度取決于金屬電極的寬度。排斥空穴，形成耗盡層，表面勢(shì)升高，形成對(duì)電子的“勢(shì)阱”②電荷的存儲(chǔ)光電轉(zhuǎn)換，光像→電像。電荷存儲(chǔ)，電荷存儲(chǔ)在MOS單元?jiǎng)葳逯?。光注入式P5-33(a)光注入電子空穴光照激發(fā)電子—空穴對(duì)，多數(shù)載流子注入P型硅襯底，少數(shù)載流子被收集存勢(shì)阱中，形成“電荷包”，其大小與入射光信號(hào)強(qiáng)度和照射時(shí)間有關(guān)。

電注入P-Si5-33(b)電注入VDDID電壓信號(hào)加到注入二極管ID上，在IG選通脈沖作用下，光照PN結(jié)產(chǎn)生電荷被注入到勢(shì)阱，直到下電位與區(qū)電位相等，IG關(guān)斷。（3）電荷的傳輸（耦合）電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到下一個(gè)MOS元位置。①三相CCD電極的結(jié)構(gòu)

MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。②電荷的定向轉(zhuǎn)移

多個(gè)MOS單元緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。圖5-34CCD電荷轉(zhuǎn)移（4）電荷的檢測(cè)輸出OG關(guān)斷，ΦR（復(fù)位管）選通，直流偏壓UDD加到輸出二極管上，構(gòu)成深勢(shì)阱。OG開(kāi)啟，電荷流入到輸出深勢(shì)阱，電荷量為QS使A點(diǎn)電位降低，輸出電壓變化為輸出電壓經(jīng)C及放大器輸出。而后再?gòu)?fù)位，下一個(gè)電荷包再轉(zhuǎn)換放大輸出。圖5-35電荷電流輸出P-SiA2、CCD圖像傳感器工作原理利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像”。類型線列和面陣列（1）線列陣（單排和雙排）

①光積分光像→電像（電荷包）過(guò)程；

光照光敏元，各光敏元中的光敏二極管產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，電子注入對(duì)應(yīng)的MOS勢(shì)阱中。②電荷轉(zhuǎn)移輸出

過(guò)程：控制信號(hào)使轉(zhuǎn)移柵打開(kāi)，奇偶光敏單元電荷并行地轉(zhuǎn)移到上下兩列移位寄存器中，通過(guò)移位寄存器串行輸出。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開(kāi)始下一行圖像信號(hào)積分采集。輸出的奇偶信號(hào)最后合二為一，恢復(fù)信號(hào)電荷的原有順序。

移位寄存器1

1

2

8

3

4

5

6

7移位寄存器2光敏元轉(zhuǎn)移控制柵U0圖5-36雙排結(jié)構(gòu)（2）面陣列①幀傳輸方式光敏區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)分開(kāi)，光敏區(qū)在積分時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對(duì)應(yīng)的電荷包，在積分周期結(jié)束后，利用時(shí)鐘脈沖將整幀信號(hào)轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。然后，整幀信號(hào)逐行下移，進(jìn)入水平讀出移位寄存器，串行輸出。（一幀對(duì)應(yīng)光敏區(qū)MOS的數(shù)量）②垂直行間傳輸方式光敏列陣與存儲(chǔ)列陣交錯(cuò)排列，（垂直與水平移位寄存器為光屏蔽結(jié)構(gòu)。光敏區(qū)存儲(chǔ)區(qū)水平寄存器輸出水平寄存器控制轉(zhuǎn)移光敏區(qū)垂直寄存器積分控制兩相驅(qū)動(dòng)圖5-37幀傳輸方式圖5-38垂直行間傳輸方式

3、CCD圖像傳感器應(yīng)用（1）線陣CCD器件檢測(cè)物體尺寸

圖5-39線陣CCD器件檢測(cè)物體尺寸原理圖（2）文字圖像識(shí)別系統(tǒng)

郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)。寫(xiě)有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度a－物距

b－像距讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23圖5-40郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成（石英、玻璃5—150um)（n1>n2)。外層一層尼龍保護(hù)套。2、傳輸原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件5.5.2光纖傳感器5-41光纖結(jié)構(gòu)

5-42光纖傳光示意圖

當(dāng)光由空氣到纖芯時(shí)，發(fā)生折射當(dāng)光由纖芯到包層時(shí)，發(fā)生折射希望NA越大越好。它表明無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2θi0

內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射傳輸。（1）按折射率分布n1n2n(r)rrn(r)階躍型光纖梯度型光纖n1n25-43光纖結(jié)構(gòu)

3、光纖的分類：（2）光纖的傳輸模式分類單模光纖與多模光纖

光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生反射。入射與反射波相位差為2π的整數(shù)倍，形成駐波。能形成駐波的光波成為模，這些光波能在光纖內(nèi)全反射傳播。纖芯直徑在5-10μm光纖傳輸一個(gè)模，單模光纖，直徑在幾十μm光纖多模光纖，傳輸幾百個(gè)模。模數(shù)的確定4、光纖的主要參數(shù)

（1）傳播耗損：纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲處的透射引起光信號(hào)在光纖中的傳播損耗。

為光沿著光纖的縱向長(zhǎng)度；α為強(qiáng)度衰減系數(shù)。光纖的損耗A計(jì)算式（2）集光本領(lǐng)數(shù)值孔徑：定義為當(dāng)光從空氣中射入到光纖的端面時(shí)的光錐半角之正弦。光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切關(guān)系。非功能型光纖傳感器：利用其他敏感元件測(cè)得的物理量，由光纖進(jìn)行傳輸光的傳感器。傳輸圖像、信息。，（傳光型多模光纖）功能型光纖傳感器：利用外界物理因素，改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)，從而對(duì)外界參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。（傳感型單膜光纖）5、光纖傳感器分類

測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象光源光源光電元件光電元件功能型光纖傳感器分類光強(qiáng)（振幅）調(diào)制型：利用光通過(guò)光纖時(shí)，光強(qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)各種物理量。相位干涉型：利用外界因素對(duì)光纖中光波相位的變化檢測(cè)各種物理量。偏振態(tài)調(diào)制型：利用外界因素對(duì)光纖中橫向偏振發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)各種物理量。頻率調(diào)制型：利用外界因素改變光的頻率，通過(guò)檢測(cè)光的頻率變化來(lái)測(cè)量外界物理量。

7、光纖傳感器的測(cè)量原理通過(guò)被測(cè)量的變化來(lái)調(diào)制光纖中的光波，使光纖中的光波參量隨被測(cè)量的變化而變化，從而測(cè)得被測(cè)量信號(hào)的大小。5-44光纖傳感器原理框圖（1）光纖壓力（溫度）傳感器(相位調(diào)制型)8、光纖傳感器的應(yīng)用光波通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后,出射光波相位延遲壓力（溫度）變化引起兩相干光束相位差5-45光纖壓力（溫度）傳感器通過(guò)光波的干涉技術(shù),把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化用光電元件測(cè)量干涉條紋移過(guò)的數(shù)目,對(duì)外界物理量檢測(cè)。P=0或T=T0，傳感與參考光纖中傳輸光同相，輸出光電流最大?！鱌（△T）→△Φ，光電流變化。溫度（壓力）變化一定值，相移2π，干涉條紋移動(dòng)一條。溫度（壓力）變化量與條紋移動(dòng)數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)量移過(guò)干涉條紋數(shù)，可以檢測(cè)變化的溫度（壓力）信號(hào)。26.0626.1226.182π整數(shù)倍TI△Φ

圖5-46光纖微彎對(duì)傳播光的影響2、光纖微彎曲位移和壓力傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型）位移壓力活動(dòng)板光纖固定板圖5-47光纖微彎曲傳感器彎曲程度越大，輸出光強(qiáng)度越小。（3）光纖液位傳感器（傳光型）原理：光的全反射原理。工作過(guò)程：測(cè)頭未接觸到液面，光線在錐面或U型面內(nèi)發(fā)生全反射返回到光電二極管。測(cè)頭接觸到液面，液體與空氣的折射率不同，全反射條件被破壞，光線在錐面或U型面內(nèi)部分光投射入液體內(nèi)，返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?。返回的光?qiáng)突變時(shí)，表明已接觸到液面。圖5-48光纖液位傳感器LED光源光纖光電二極管（4）光纖位移傳感器工作原理接收的光強(qiáng)隨物體距光纖端面的距離不同而變化。距離越近，接收光強(qiáng)越強(qiáng)；距離越遠(yuǎn)，散射光越多，接收光強(qiáng)越弱。光源檢測(cè)器照明光纖接收光纖被測(cè)對(duì)象探頭

圖5-49光纖位移傳感器

5-50電磁波譜圖

波長(zhǎng)從0.76μm至1000μm范圍內(nèi)的電磁幅射。（1）紅外線（2）紅外線特點(diǎn)①在整個(gè)電磁波譜中，紅外線波段的熱功率最大。5.5.3紅外傳感器

1紅外輻射的基本知識(shí)

紅外電磁爐（加熱）③任何物體均可外輻射紅外電磁波。溫度越高，輻射能量越大。②不同物體（氣體）對(duì)紅外輻射吸收程度不同紅外線氣體分析測(cè)溫、熱釋電人體紅外報(bào)警來(lái)客告知非接觸開(kāi)關(guān)。（3）紅外線探測(cè)器接受紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。（4）紅外探測(cè)器種類熱探測(cè)器

紅外輻射測(cè)溫。

①熱敏電阻：輻射使電阻溫度升高，阻值減?。ㄔ龃螅?，檢測(cè)阻值變化可確定輻射量。②熱釋電型：具有極化現(xiàn)象的熱晶體（鐵電體）受紅外輻射后，其表面溫度升高，極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少相當(dāng)于釋放掉一部分電荷，輸出信號(hào)的變化率正比與輻射能量的變化率。如人體紅外探測(cè)器。③熱電偶型：溫度變化引起熱電偶輸出電勢(shì)變化。④氣體型探測(cè)器：輻射引起氣室溫度變化，氣壓變化。氣體種類和濃度的檢測(cè)。特點(diǎn)：峰值探測(cè)率低,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。響應(yīng)波段寬,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，是一種無(wú)選擇性探測(cè)器。光子探測(cè)器

PN結(jié)光生伏特、外光電探測(cè)器（光電倍增管）。靈敏度高，響應(yīng)速度快，但探測(cè)波段窄，一般需在低溫下工作。有選擇式探測(cè)器。2、紅外探測(cè)器的性能參數(shù)

電壓響應(yīng)率

響應(yīng)波長(zhǎng)范圍表示探測(cè)器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長(zhǎng)之間關(guān)系

噪聲等效功率

噪聲等效功率NEP越小，探測(cè)器靈敏度越高。信噪比高。

5-51電壓響應(yīng)率與波長(zhǎng)關(guān)系5-52紅外輻射測(cè)溫儀示意圖

根據(jù)紅外光波段選擇光學(xué)材料

,增大紅外光的透射率，提高靈敏度。3、紅外傳感器的應(yīng)用（1）紅外測(cè)溫紅外分析儀：利用不同物質(zhì)對(duì)紅外線輻射能量具有特殊吸收特性（特征吸收波長(zhǎng)）的原理而進(jìn)行物質(zhì)成分和含量分析的儀器。朗伯特-比耳定律光的吸收定律（2）紅外分析儀

物質(zhì)例：紙張水分分析儀水在近紅外光譜區(qū)有3個(gè)特征吸收波長(zhǎng)，1.45μm、1.94μm和2.95μm。紙張的近紅外光譜曲線圖在1.45μm及1.94μm附近有吸收峰。紙張成品選1.94μm紅外輻射，紙張較干，光透射率高，紙張較濕，透射率較低。測(cè)得透射光強(qiáng)相對(duì)于入射光強(qiáng)的變化，從而推出紙張水分含量。

5-53水的紅外吸收譜

5-54紙張近紅外光譜曲線圖

（3）被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器（補(bǔ)充）熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開(kāi)關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。應(yīng)用熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)與原理傳感器外殼傳感器外形傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路一種高熱電系數(shù)的材料作為探測(cè)元件（鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等）。紅外輻射引起元件溫度變化，向外釋放電荷，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換放大后向外輸出。探測(cè)元件人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為9~10--um，探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.2~20--um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為7~10--um，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門(mén)用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。菲涅爾透鏡在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，產(chǎn)生熱釋電電荷。熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。（4）紅外測(cè)溫儀（補(bǔ)充）光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出。組成原理（5）紅外夜視儀（補(bǔ)充）主動(dòng)式紅外線夜視儀被動(dòng)式紅外線夜視儀被動(dòng)紅外夜視儀是利用光學(xué)掃描技術(shù)和對(duì)中、遠(yuǎn)紅外輻射敏感的固體半導(dǎo)體材料，將地物輻射的紅外能量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，把電信號(hào)處理放大后，再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，把電信號(hào)處理放大后，轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像的。美日沖繩島戰(zhàn)爭(zhēng)英阿馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭(zhēng)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)軍事交通汽車夜視儀5.5.4超聲波傳感器

超聲波頻率高于2×104Hz的機(jī)械波。5-55聲波的頻率界限圖1、超聲波的波形及其物理性質(zhì)縱波、橫波、表面波（1）波形縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致波。能在固體、液體和氣體介質(zhì)中的傳播橫波在固體中傳播表面波在固體表面?zhèn)鞑?/p>

當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí),除有縱波的反射、折射外,還發(fā)生橫波的反射和折射,在某種情況下,還能產(chǎn)生表面波。LL2介質(zhì)IIL1S2S1介質(zhì)I界面圖5-56波形轉(zhuǎn)換（2）波型轉(zhuǎn)換（3）超聲波的折射與反射

（4）超聲波的衰減

超聲波能量的衰減大小取決于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。聲壓

所謂聲壓，是指某點(diǎn)上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為Pa，1Pa=1N/m2。聲強(qiáng)

聲強(qiáng)是聲波在傳播方向上單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的能量，單位為W/m2。聲功率

聲功率(W)是聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位是W。2、超聲波探頭（超聲換能器）常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷。它是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。發(fā)射探頭：逆壓電效應(yīng)。將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生超聲波。接收探頭：壓電效應(yīng)。將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。5-57超聲波探頭結(jié)構(gòu)（a）發(fā)射探頭結(jié)構(gòu)（b）接收探頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)線壓電片音膜錐形罩錐形罩壓電片導(dǎo)線彈簧3、超聲波液（物）位傳感器

從探頭發(fā)出超聲波脈沖通過(guò)介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)過(guò)反射后又被探頭接收。測(cè)量發(fā)射與接收超聲波脈沖的時(shí)間間隔和聲波在介質(zhì)中傳播速度，可求出探頭與液面之間的距離。實(shí)現(xiàn)液位（物位）的測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能,傳感器又可分為單（復(fù)合）換能器和雙換能器。

對(duì)于單換能器（復(fù)合換能器）來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到液面,又從液面反射到換能器的時(shí)間為對(duì)于雙換能器（一對(duì)）來(lái)說(shuō),超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過(guò)的路程為2s,而s=

因此液位高度為

h=（s2-a2）1/2

定時(shí)器定時(shí)測(cè)量發(fā)射到接收所需時(shí)間。

4、超聲波流量傳感器

超聲波傳輸時(shí)間差法測(cè)流量。如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器（復(fù)合探頭）,它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波,一個(gè)裝在上游,一個(gè)裝在下游,其距離為L(zhǎng)。如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1,逆流方向的傳輸時(shí)間為t2,流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c,流體流動(dòng)速度為v。當(dāng)探頭1為發(fā)射探頭，2為接收探頭時(shí)，超聲波傳播速度為順流傳播時(shí)間t1為當(dāng)探頭2為發(fā)射探頭，1為接收探頭時(shí)，超聲波傳播速度為逆流流傳播時(shí)間t2為時(shí)差為流體的平均流速為順流傳播時(shí)間t1為逆流流傳播時(shí)間t2為時(shí)差為流體的平均流速為3、超聲波探傷（脈沖反射法）超聲波發(fā)射到被測(cè)試件后，傳播到有聲阻抗的界面上，產(chǎn)生反射。反射波顯示在示波器屏幕上。BFT脈沖發(fā)生器接收放大器缺欠探頭工件圖5-58脈沖反射法測(cè)厚縱波探測(cè)分一次反射波法和多次反射波法。一次反射波按時(shí)間順序屏幕上顯示發(fā)射波、表面反射波和底面反射波。若工件內(nèi)部有缺欠，對(duì)超聲波有較強(qiáng)的吸收，底波幅度減小。多次反射波以多次底波反射為依據(jù)。底波反射回探頭時(shí)，一部分聲波被探頭接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至聲能全部衰減完為止。當(dāng)試件有缺欠時(shí)，聲波衰減很大，底波反射次數(shù)減少，直至消失，由此判斷有無(wú)缺欠及缺欠的嚴(yán)重程度。倒車?yán)走_(dá)

魚(yú)群探測(cè)器

醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過(guò)儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來(lái)辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。閱讀材料空化作用:超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱為空化。空洞內(nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。5.5.5核輻射傳感器

1、核輻射傳感器的物理基礎(chǔ)

放射性同位素的放射性衰變規(guī)律為

J、分別為t和時(shí)刻的輻射強(qiáng)度；λ為衰變常數(shù)。

半衰期：放射性元素從個(gè)原子衰變到個(gè)原子所經(jīng)歷的時(shí)間。

放射性同位素衰變快慢指標(biāo)核輻射的方式：α輻射、β輻射、γ輻射和X輻射等。

射線的與物質(zhì)作用能量衰減

核輻射源的要求較長(zhǎng)的半衰期、較高的輻射量。2、核輻射傳感器

核輻射與物質(zhì)的相互作用是核輻射傳感器檢測(cè)物理量的基礎(chǔ)。利用電離、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射線的特性可以檢測(cè)多種物理量。

（1）電離室

圖5-59電離室的結(jié)構(gòu)示意圖

（2）氣體放電計(jì)數(shù)器（蓋格計(jì)數(shù)器）

在相同外電壓U時(shí)，不同輻射強(qiáng)度將得到不同的脈沖數(shù)N。入射的核輻射強(qiáng)度J越高，計(jì)數(shù)管內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)N越大。探測(cè)β粒子和γ射線的輻射量（強(qiáng)度）。

圖5-60氣體放電計(jì)數(shù)器核輻射→電離→電子雪崩放電→陽(yáng)極正離子鞘→陰極打出次級(jí)電子→脈沖電流（3）閃爍計(jì)數(shù)器

圖5-61閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍晶體和光電倍增管兩大部分組成。核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，晶體原子受激發(fā)出微弱的閃光，透過(guò)晶體射到光電倍增管的光電陰極上，經(jīng)過(guò)N級(jí)倍增后，在倍增管的陽(yáng)極上形成脈沖電流，經(jīng)輸出處理電路，就可得到與核輻射量有關(guān)的電信號(hào)，送到指示儀表或記錄器顯示。

圖5-62管道中氣體流量檢測(cè)

3核輻射傳感器的應(yīng)用

（1）核輻射流量計(jì)

V垂直于電離室軸線（2