傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第8章熱電式傳感器其他溫度傳感器1.2熱電偶式溫度傳感器8.18.2本章小結(jié)8.37.4第8章熱電式傳感器2本章內(nèi)容引出3熱電式傳感器是利用其敏感元件的特征參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度及與溫度有關(guān)的參量進行測量的裝置。其中，將溫度量轉(zhuǎn)換為電阻和電勢是目前工業(yè)生產(chǎn)和控制中應(yīng)用最為普遍的方法。將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。8.1熱電偶式溫度傳感器4熱電偶的工作原理5熱電偶是利用導體的熱電效應(yīng)將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的元件。熱電效應(yīng)是指將兩種不同的金屬材料A、B的兩端連接成閉合回路。若使連接點分別處于不同溫度場T0和T（設(shè)T>T0），在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。通常把兩種不同金屬的這種組合稱為熱電偶，A和B稱為熱電極，溫度高的接點稱為熱端（或工作端），溫度低的接點稱為冷端（或自由端）。兩端的溫差越大，產(chǎn)生的熱電勢也越大。熱電偶的工作原理6eAB(T)表示導體A、B的接點在溫度T時形成的接觸電勢eAB(T0)表示導體A和B的接點在溫度T0時形成的接觸電勢eA(T，T0)表示導體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電勢eB(T，T0)表示導體B兩端溫度為T、T0時形成的溫差電勢eAB(T)和eAB(T0)是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電勢圖8-2熱電效應(yīng)熱電偶的工作原理7兩接點的接觸電勢eAB(T)和eAB(T0)可表示為巡游一周，總回路的熱電勢的大小可表示為由于接觸電勢遠大于溫差電勢，忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為熱電偶的工作原理8對于熱電勢，有以下四點說明：影響因素與形狀、尺寸等無關(guān)，只取決于材料和接點溫度。（均勻?qū)Ь€定律）兩熱電極相同時，總電動勢為0。兩接點溫度相同時，總電動勢為0。對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=C（常數(shù)），則總的熱電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即可見，根據(jù)測量的eAB(T，T0)就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。熱電偶的基本定律9等值定律用兩種不同的金屬組成閉合電路，如果兩端溫度不同，則會產(chǎn)生熱電勢。其大小取決于兩種金屬的性質(zhì)和兩端的溫度，與金屬導線尺寸、導線的溫度及測量熱電勢在電路中所取位置無關(guān)。1.等值定律3.中間導體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律10均勻?qū)w定律用同一種金屬組成閉合電路，則不管截面是否變化，也不管在電路內(nèi)存在什么樣的溫度梯度，電路中都不會產(chǎn)生熱電勢。1.等值定律3.中間導體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律11中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種金屬，只要其兩端溫度相同，就不會使熱電偶的熱電動勢發(fā)生變化。利用熱電偶測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后不會影響回路中的熱電勢。1.等值定律3.中間導體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的基本定律12中間溫度定律熱電偶回路兩接點[T，T0]間的熱電勢等于熱電偶在溫度為（T，Tn）時的熱電勢與溫度為（Tn，T0）時的熱電勢的代數(shù)和，Tn稱為中間溫度。1.等值定律3.中間導體定律

2.均勻?qū)w定律4.中間溫度定律熱電偶的冷端溫度補償13當熱端溫度為T時，其對應(yīng)的熱電勢eAB(T，0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢eAB(T，T0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到，即由此可見，eAB(T0，0)是冷端溫度T0的函數(shù)，冷端溫度受周圍環(huán)境溫度的影響，難以自行保持為0℃或某一定值。為減小測量誤差，需對熱電偶冷端人為采取一定措施，使其溫度為恒定，或用其它方法進行校正和補償。熱電偶的冷端溫度補償14熱電偶補償導線熱電偶一般做得較短，為350~2000mm。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣，冷端溫度T0比較穩(wěn)定。工程中常用的冷端溫度補償辦法是采用補償導線。在0~100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。熱電偶補償導線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補償法熱電偶的冷端溫度補償15冷端0℃恒溫法在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃也可以將冷端放入盛油的容器內(nèi)，利用油的熱惰性保持冷端接近于室溫；或者將容器制成帶有水套的結(jié)構(gòu)，讓流經(jīng)水套的冷卻水來保持容器溫度的穩(wěn)定。適用于實驗室中，在工業(yè)中使用極為不便。熱電偶補償導線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補償法熱電偶的冷端溫度補償16冷端溫度補償法根據(jù)中間溫度定律：eAB(T，0)=eAB(T，T0)+eAB(T0，0)當工作端溫度為T時，分度表可查eAB(T，0)與eAB(T0，0)，從而計算出校正后的熱電勢。熱電偶補償導線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補償法熱電偶的冷端溫度補償17電橋補償法當環(huán)境溫度T0升高時，熱電勢eAB(T，T0)減小，電橋電阻RCu因溫度變化而變化，電橋輸出電壓UAB為：熱電偶補償導線3.冷端溫度修正法2.冷端0℃恒溫法4.電橋補償法RCu增大時，電橋輸出電壓UAB增大，這樣可以通過設(shè)計適當?shù)臉虮垭娮璞３謴亩鴮崿F(xiàn)冷端溫度自動補償。圖8-6熱電偶冷端溫度自動補償法熱電偶測溫線路18測量單點溫度普通測溫線路，熱電偶后面加上補償導線，用以延長到儀表室接顯示儀表帶有溫度補償器的測溫線路測量單點溫度2.測量兩點間溫度差3.測量平均溫度熱電偶測溫線路19測量兩點間溫度可采用熱電偶反向串聯(lián)來測量兩點溫差（注意：只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下）此時有測量單點溫度2.測量兩點間溫度差3.測量平均溫度熱電偶測溫線路20測量平均溫度可采用熱電偶并聯(lián)（左圖）或正向串聯(lián)（右圖）的方式來測量平均溫度（注意：只能是同一分度號的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下）并聯(lián)特點：當有一只熱電偶燒斷時，難以覺察出來，但不會中斷整個測溫系統(tǒng)的工作串聯(lián)特點：熱電勢大，儀表的靈敏度大大增加，且避免了熱電偶并聯(lián)線路存在的缺點，可立即發(fā)現(xiàn)斷路。缺點是只要有一支熱電偶斷路，整個測溫系統(tǒng)將停止工作。測量單點溫度2.測量兩點間溫度差3.測量平均溫度熱電偶式加速度傳感器21熱源處于硅片的中央，硅片懸空。由鋁和多晶硅組成的熱電偶組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在沒有加速度的情況下，熱源的溫度梯度均勻分布，四周的熱電偶溫度一樣，輸出的電壓也一樣。由于自由熱交換，任何方向的加速度都將打破溫度分布平衡，使之分布不平衡，此時四個熱電偶組的輸出電壓也將隨之改變。熱電偶輸出的電壓差和加速度成正比例。圖8-11熱電偶式加速度傳感器熱電偶式的加速度傳感器目前多應(yīng)用于低成本的測量領(lǐng)域，既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度?；跓峤粨Q原理，采用氣體介質(zhì)。其他溫度傳感器22熱電阻工作原理：導體（或半導體）的電阻值隨溫度變化而改變，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，通過測量其電阻值推算出被測物體的溫度。目前最常用的熱電阻有鉑電阻和銅電阻。鉑電阻：特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，測量范圍為-200~850℃銅電阻：用于對測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍為-50~150℃。銅電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器23熱電阻的測量電路測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻引線方式有二線制、三線制和四線制三種。對于不同的應(yīng)用要求，可采用不同接線方式。二線制：引線方式簡單、費用低，但引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。適于引線不長、測溫精度要求較低的場合三線制：用于工業(yè)測量，一般精度四線制：實驗室用，高精度測量熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器24熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體（某些金屬氧化物如NiO、MnO2、CuO、TiO2）的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。一般測溫范圍為－50~+300℃。熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)（PTC）型、負溫度系數(shù)（NTC）型和臨界溫度系數(shù)（CTR）型熱敏電阻是非線性電阻，在小電流情況下，電壓降和電流成正比，這一工作區(qū)是線性區(qū)，這一區(qū)域適合溫度測量。隨著電流增加，電壓上升變緩，曲線呈非線性熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器其他溫度傳感器25熱敏電阻的基本測溫電路為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號，需要考慮它的直線性和自身加熱問題為了使輸出U與溫度有近似的線性關(guān)系，可以適當調(diào)整RS。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器圖8-14熱敏電阻的基本連接電路其他溫度傳感器26紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器是基于輻射原理來測溫的。紅外探測器是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。熱電阻2.熱敏電阻3.紅外溫度傳感器圖8-16紅外測溫儀工作原理圖紅外測溫儀工作原理：被測物體的熱輻射線由光學系統(tǒng)聚焦，經(jīng)調(diào)制盤調(diào)制為一定頻率的光能，落在紅外探測器上經(jīng)能量轉(zhuǎn)換后輸出電信號，最后經(jīng)放大后進行顯示或記錄。光線通過調(diào)制盤的小孔照射到紅外探測器上，圓盤由電機帶動按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)開（透光）、關(guān)（不透光），使入射線變?yōu)橐欢l率的能量作用在探測器上，表面溫度測量范圍為0~600℃。8.3本章小結(jié)2728本章主要介紹了熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器和紅外傳感器的工作原理和應(yīng)用。在掌握熱電偶溫度傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)具備性質(zhì)分析、冷端補償以及測溫電路設(shè)計的能力。讀者應(yīng)掌握各類溫度傳感器工作原理和測量電路。傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第9章光電式傳感器電荷耦合器件1.2光電效應(yīng)與光電器件9.19.2CMOS圖像傳感器9.39.4第9章光電式傳感器30光纖傳感器9.5本章小結(jié)本章內(nèi)容引出31光電式傳感器是一種采用光電器件作為檢測元件的傳感器，其基本原理是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電器件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號?，F(xiàn)代化生活離不開光電式傳感器，如掃描儀、打印機、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫(yī)療診斷儀器等。9.1光電效應(yīng)與光電器件32光電效應(yīng)33在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流。這類光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類外光電效應(yīng)34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)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。根據(jù)愛因斯坦的光子假設(shè)：光子是具有能量的。不同頻率的光子，具有不同的能量。每個光子具有的能量為

式中，

為普朗克常數(shù)；

為光的頻率(Hz)若物體中電子吸收的入射光子能量足以克服逸出功A0時，電子便逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量hν必須超過逸出功A0。超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能，即

式中，m為電子質(zhì)量，

v0為電子逸出速度愛因斯坦光電效應(yīng)方程外光電效應(yīng)35光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。這意味著每種物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率。當光線的頻率大于紅限頻率時，被照射的物體會產(chǎn)生光電子發(fā)射。光電子初動能決定于光的頻率，而和入射光的強度無關(guān)。光的強度越大，單位時間里入射到金屬上的光子數(shù)就越多，吸收光子后，從金屬表面逸出的光電子數(shù)也越多，因此，光電流也就越大，即飽和光電流或光電子數(shù)與光的強度之間成正比關(guān)系。一個光子的全部能量是一次被一個電子所吸收，無需積累能量的時間，所以光照射后，立刻有光電子發(fā)射。內(nèi)光電效應(yīng)36某些半導體材料在入射光能量的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對，致使材料電性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管等。內(nèi)光電效應(yīng)又可以分為光電導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：光電導效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而導致材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導效應(yīng)。如光敏電阻光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。如光電池光電器件37光電管光電管是基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。在一個抽成真空（真空光電管）或充以惰性氣體（充氣光電管）的玻璃管內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)，陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當光照在陰極上時，中央陽極可收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流I1.光電管

4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻圖9-2光電管的結(jié)構(gòu)光電器件38光電倍增管當入射光很微時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾微安，很不容易探測，這時常用光電倍增管對電流進行放大。光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成。次陰極是在鎳或鋼

鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的。次陰極多的可達30級，通常為12~14級。陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻圖

9-5光電倍增管的外形與工作原理光電器件39使用光電倍增管時，在各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增電極用次級發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級電子”。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此，存在加速電場對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第1個倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出3~6倍個次級電子，被打出來的次級電子再經(jīng)過電場的加速后，打在第2個倍增電極上，電子數(shù)又增加3倍~6倍，如此不斷倍增，光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾萬倍到幾百萬倍。因此，光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍，在極微弱的光照時，其就能產(chǎn)生很大的光電流。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻光電器件40光敏電阻光敏電阻又稱光導管，是一種均質(zhì)半導體光電器件。當光照射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻圖9-7硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)與符號1-光導層2-玻璃窗口3-金屬外殼4-電極5-陶瓷基座6-黑色絕緣玻璃7-電極引線光電器件41光電二極管光電二極管是一種PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件。在無光照時，處于反偏的光敏二極管，工作在截止狀態(tài)，這時只有微小的反向電流即暗電流。當光敏二極管受到光照時，P區(qū)少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻圖

9-8光電二極管工作原理光電器件42光電晶體管光電晶體管與光電二極管的結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部有兩個PN結(jié)。當基極開路時，基極-集電極處于反偏。當光照射到PN結(jié)附近時，使PN結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，在內(nèi)電場作用下，定向運動形成增大了的反向電流即光電流。由于光照射集電結(jié)產(chǎn)生的光電流相當于一般晶體管的基極電流，因此集電極電流被放大了β+1倍，從而使光電晶體管具有比光電二極管更高的靈敏度。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器

3.光敏電阻圖

9-9光電晶體管的原理和電路圖

光電器件43光電耦合器光電耦合器是由發(fā)光元件和光電元件同時封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。光電耦合器的結(jié)構(gòu)有金屬密封型和塑料密封型兩種。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器3.光敏電阻圖9-10光電耦合器結(jié)構(gòu)圖光電器件44光電耦合器光電耦合器中的發(fā)光元件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，是一種半導體發(fā)光器件，與普通二極管一樣，管心由一個PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ姷奶匦?。當給PN結(jié)加以正向電壓后，空間電荷區(qū)勢壘下降，引起載流子的注入，P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，注入的電子和空穴相遇而產(chǎn)生復(fù)合，釋放出能量。對于發(fā)光二極管來說，復(fù)合時放出的能量大部分以光的形式出現(xiàn)。此光為單色光，對于砷化鎵發(fā)光二極管來說波長為0.94μm左右。隨正向電壓的提高，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量亦增加，其最大值受發(fā)光二極管最大允許電流的限制。1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器3.光敏電阻光電器件45光電耦合器光電耦合器的組合形式有四種（a）所示的形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)（b）為采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器，適用于較高頻率的裝置中（c）的組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于接驅(qū)動和較低頻率的裝置中（d）為采用固體功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器1.光電管4.光電二極管和光電晶體管2.光電倍增管5.光電耦合器3.光敏電阻圖

9-11光電耦合器的組合形式光電傳感器的類型及應(yīng)用46模擬式光電傳感器測量系統(tǒng)是把被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。光輻射源本身是被測物，被測物發(fā)出的光通量射向光電元件（圖a）恒光源是白熾燈（或其它任何光源），光通量穿過被測物，部分被吸收后到達光電元件上（圖b）恒光源發(fā)出的光通量射到被測物，再從被測物體表面反射后投射到光電元件上（圖c）從恒光源發(fā)射到光電元件的光通量遇到被測物，被遮蔽了一部分（圖d）1.模擬式光電傳感器2.開關(guān)式光電傳感器圖

9-13光電元件的應(yīng)用形式1—被測物2—光電元件3—光源光電傳感器的類型及應(yīng)用47開關(guān)式光電傳感器利用光電元件受光照或無關(guān)照時“有/無”電信號輸出的特性，將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號。此類傳感器主要應(yīng)用于零件或產(chǎn)品的自動記數(shù)、光控開關(guān)、電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器以及光電報警等裝置1.模擬式光電傳感器2.開關(guān)式光電傳感器9.2光電耦合器件48CCD工作原理及特性49電荷耦合器CCD傳感器是由許多感光單元組成，通常以百萬像素為單位，它使用一種高感光度的導體材料制成，能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)變成電荷信號。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單元將入射光強的大小以電荷數(shù)量的多少反映出來，這樣所有感光單元所產(chǎn)生的信號組合在一起，構(gòu)成了一幅完整的圖像。CCD不同于大多數(shù)以電流或電壓為信號的器件，它是以電荷作為信號載體，CCD基本功能表現(xiàn)為信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢出（即輸出）。CCD工作原理及特性50光電荷的產(chǎn)生光電荷產(chǎn)生的方法主要分為光注入和電注入兩類，通常的CCD傳感器一般采用光注入方式。當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓所排斥，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。CCD工作原理及特性51光電荷的存儲CCD的基本單元是MOS結(jié)構(gòu)，其作用是將產(chǎn)生的光電荷進行存儲。柵極G電壓為零，P型半導體中的空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的（圖a）；施加了正偏壓UG，在空穴中產(chǎn)生了耗盡區(qū)；施加的電壓繼續(xù)增加，則耗盡區(qū)將進一步向半導體內(nèi)延伸（c）所示，當UG>Uth

時，半導體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）被吸引到表面，形成一層很薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在則表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。圖

9-15單個CCD柵極電壓變化對耗盡層的影響CCD工作原理及特性52光電荷的轉(zhuǎn)移通過按一定的時序在電極上施加高低電平，可以實現(xiàn)光電荷在相鄰勢阱間的轉(zhuǎn)移。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，CCD電極間的間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極下，電極間的間隙由電極結(jié)構(gòu)、表面態(tài)密度等因素決定。CCD工作原理及特性53光電荷的輸出光電荷的輸出是指在光電荷轉(zhuǎn)移通道的末端，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出，也稱為光電荷的檢出。目前CCD的主要輸出方式有電流輸出、浮置擴散放大輸出和浮置柵極放大輸出。CCD的性能參數(shù)54CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換特性如右圖所示。圖中x軸表示曝光量，

y軸表示輸出信號幅值，QSAT表示飽和輸出電荷，HS表示飽和曝光量；

QDARK表示暗電荷輸出，即無光照射時CCD的輸出電荷，良好的CCD傳感器應(yīng)具有低的暗電荷輸出。1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性

7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍由圖可以看出，輸出電荷與曝光量之間有一線性工作區(qū)域，在曝光量不飽和時，輸出電荷Q正比于曝光量E，當曝光量達到飽和曝光量ES后，輸出電荷達到飽和值QSAT，并不隨曝光量增加而增加。曝光量等于光強乘以積分時間：

式中H—光強；

Tint積分時間，即起始脈沖的周期圖

9-19CCD光電轉(zhuǎn)換特性CCD的性能參數(shù)55CCD傳感器的靈敏度或稱量子效率標志著器件光敏區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率，用在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量下器件輸出的電流或電壓表示。CCD光電換特性曲線的斜率就是器件的靈敏度S由于半導體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)靈敏度不均勻現(xiàn)象，通常用NU值表示其不均勻性1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD的性能參數(shù)56光譜響應(yīng)特性表示CCD對于各種單色光的相對響應(yīng)能力，其中響應(yīng)度最大的波長稱為峰值響應(yīng)波長。通常把響應(yīng)度等于峰值響應(yīng)

所對應(yīng)的波長范圍稱為波長響應(yīng)范圍。CCD器件的光譜響應(yīng)范圍基本上是由使用的材料性質(zhì)決定的，但是也與器件的光敏元結(jié)構(gòu)和所選用的電極材料有密切關(guān)系。1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD的性能參數(shù)57CCD器件在既無光注入又無電注入的情況下的輸出信號稱為暗信號，它是由暗電流引起的。產(chǎn)生暗電流的原因在于半體的熱激發(fā)，主要包括3部分：耗盡層產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)；耗盡層邊緣的少數(shù)載流子的熱擴散界面上產(chǎn)生中心的熱激發(fā)。暗電流的存在，每時每刻地加入到信號電荷包中，與圖像信號電荷一起積分，形成一個暗信號圖像，疊加到光信號圖像上，降低了圖像的分辨力。暗電流的存在會占據(jù)CCD勢阱的容量，降低器件的動態(tài)范圍。CCD傳感器的動態(tài)范圍DR是指飽和輸出信號與暗信號之比值。1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD的性能參數(shù)58分辨力是用來表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力。分辨力通常有兩種不同的表示方式：極限分辨力：指人眼能夠分辨的最細線條數(shù)，通常用每毫米線對數(shù)LP/mm來表示調(diào)制傳遞函數(shù)：在各個空間頻率下，CCD器件的輸出信號的調(diào)制度

與輸入信號的調(diào)制度

的比值

式中，

為空間頻率1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD的性能參數(shù)59轉(zhuǎn)移效率：CCD中電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時轉(zhuǎn)移效率定義為

式中Q1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q0為原始電荷量。當信號電荷進行N次轉(zhuǎn)移時，總效率為CCD轉(zhuǎn)移效率必須達到99%~99.999%工作效率：CCD器件的下限工作頻率主要受暗電流限制；CCD器件的上限工作頻率主要受電荷轉(zhuǎn)移快慢限制。1.光電轉(zhuǎn)換特性5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD的性能參數(shù)60CCD的噪聲源可歸納為3類：散粒噪聲：光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可以看作是獨立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機過程。單位時間內(nèi)光產(chǎn)生的信號電荷數(shù)并非絕對不變，而是在一個平均值上作微小波動，這一微小的起伏便形成散粒噪聲，又稱白噪聲。暗電流噪聲：暗電流噪聲可以分為兩部分。其一是耗盡層熱激發(fā)產(chǎn)生，可用泊松分布描述。其二是復(fù)合產(chǎn)生中心非均勻分布，特別是在某些單元位置上形成暗電流尖峰。轉(zhuǎn)移噪聲：轉(zhuǎn)移噪聲產(chǎn)生的主要原因有：轉(zhuǎn)移損失引起的噪聲、界面態(tài)浮獲引起的噪聲和體態(tài)浮獲引起的噪聲。1.光電轉(zhuǎn)換特性

5.分辨力2.靈敏度和靈敏度不均勻性6.轉(zhuǎn)移效率和工作效率3.光譜響應(yīng)特性7.CCD的噪聲4.暗電流特性和動態(tài)范圍CCD圖像傳感器的原理61CCD圖像傳感器是利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能。當一定波長的入射光照射CCD時，若CCD的電極下形成勢阱，則光生少數(shù)載流子就積聚到勢阱中，其數(shù)目與光照時間和光強度成正比。使用時鐘控制將CCD的每一位下的光生電荷依次轉(zhuǎn)移出來，分別從同一輸出電路上檢測出，則可以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上的光學圖像轉(zhuǎn)移成了電信號“圖像”。CCD圖像傳感器可以分為線列和面陣兩大類，它們各具有不同的結(jié)構(gòu)和用途。CCD線列圖像器件62CCD線列圖像器件由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器（即CCD）、胖零（即偏置）、電荷注入電路、信號讀出電路等幾部分組成。圖

9-22線列CCD圖像器件結(jié)構(gòu)CCD面陣圖像器件63面陣圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，組成感光區(qū)。面陣圖像器件能夠檢測二維CCD面陣圖像器件的平面圖像。由于傳輸和讀出的結(jié)構(gòu)方式不同，面陣圖像器件有許多種類型。常見的傳輸方式有行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。a)行傳輸b)幀傳輸c)行間傳輸圖

9-25CCD面陣圖CCD傳感器的應(yīng)用64微小尺寸檢測：通常用于對微隙、細絲或小孔的尺寸進行檢測。對微小尺寸的檢測一般采用激光衍射的方法。當激光照射細絲或小孔時，會產(chǎn)生衍射圖像，用陣列光電器件對衍射圖像進行接收，測出暗紋的間距，即可計算出細絲或小孔的尺寸。1.尺寸檢測2.表面缺陷檢測3.機器人視覺導航系統(tǒng)CCD傳感器的應(yīng)用65物體輪廓尺寸的檢測：實現(xiàn)對物體的形狀識別或輪廓的尺寸檢驗。輪廓尺寸的檢測方法有兩種：投影法和成像法。用于輪廓尺寸檢測的光電陣列器件可以是線列，也可以是面陣。采用面陣器件時不僅可以提高檢測速度，而且檢測精度也比用線列器件高得多。1.尺寸檢測2.表面缺陷檢測3.機器人視覺導航系統(tǒng)CCD傳感器的應(yīng)用66在自動化生產(chǎn)線上，經(jīng)常需要對產(chǎn)品的表面質(zhì)量進行檢測，以作為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的一個方面，或者作為控制的反饋信號。采用光電陣列器件進行物體表面檢測時，根據(jù)不同的檢測對象，可以采用投射法和反射法。1.尺寸檢測2.表面缺陷檢測3.機器人視覺導航系統(tǒng)圖9-28透明體的缺陷檢測1-線列光電器件2-成像透鏡

3-被測物體4-光源圖

9-29表面缺陷的反射檢測1-光源2-線陣光敏器件3-成像透鏡4-被測物體CCD傳感器的應(yīng)用67基于視覺的機器人導航是一種利用視覺傳感器來引導機器人移動的技術(shù)。機器人視覺系統(tǒng)的組成如圖9-31所示，由全程攝像機、下位機和控制軟件（控制程序、視覺數(shù)據(jù)庫）等組成。機器人視覺系統(tǒng)的工作原理框圖如圖9-32所示。1.尺寸檢測2.表面缺陷檢測3.機器人視覺導航系統(tǒng)圖9-31機器人視覺系統(tǒng)的組成

圖9-32機器人視覺系統(tǒng)的工作原理9.3CMOS圖像傳感器68CMOS概述69CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導體）早期由于受集成電路設(shè)計和工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器無法克服靈敏度低和抗干擾能力差的缺點。到了20世紀80年代，愛丁堡大學成功地試制出世界上第一塊單片圖像傳感芯片，為CMOS圖像傳感器實用化開通了道路。目前廣泛應(yīng)用于智能手機、數(shù)碼相機、安防、自動駕駛、工業(yè)控制和醫(yī)療器械等領(lǐng)域CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)70CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行地址譯碼器、列地址譯碼器、A/D轉(zhuǎn)換器、邏輯時序控制電路、接口電路等幾部分組成，并且被集成到同一塊硅片上。圖9-33CMOS圖像傳感器的組成CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)71工作過程一般分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它的X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇；每一列像敏單元對應(yīng)一個列放大器，列放大器的輸出信號分別接到由X方向地址譯碼器進行選擇的多路模擬開關(guān)，并輸出至輸出放大器；輸出放大器的輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)預(yù)處理電路處理后通過接口電路輸出。時序脈沖發(fā)生器用于為整個CMOS圖像傳感器提供各種工作脈沖。CMOS圖像傳感器的工作原理：像敏單元72像敏單元是指每個成像單元的電路結(jié)構(gòu)，它是CMOS圖像傳感器的核心組件。工作原理是：場效應(yīng)管VT1構(gòu)成光電二極管的負載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當復(fù)位脈沖出現(xiàn)時，VT1導通，光電二極管被瞬時復(fù)位；而當復(fù)位脈沖消失時，VT1截止，光電二極管開始積分光信號。場效應(yīng)管VT2是一個源極跟隨放大器，它將光電二極管的高阻輸出信號進行電流放大。場效應(yīng)管VT3用作選址模擬開關(guān)，當選通脈沖引入時，VT3導通，使得被放大的光電信號被輸送到列總線上，然后經(jīng)過公共放大器放大后輸出。CMOS圖像傳感器的工作原理：像敏陣列73像敏陣列由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏單元組成。在Y方向地址譯碼器的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)S，信號通過開關(guān)送至列線，再通過X方向上的地址譯碼器的控制，傳送到放大器。開關(guān)的選通是由兩個方向的地址譯碼器上所加的數(shù)碼控制的，實現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式，也可以只輸出某一行或某一列的信號，使其采用與線陣CCD類似的工作方式。CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)74填充因子是光敏面積對全部像敏面積之比，它對器件的靈敏度、噪聲、時間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)等的影響很大。提高填充因子，即增大光敏面積，能提高靈敏度、降低噪聲并提高器件的工作速度。常用的提高填充因子的方法有兩種：微透鏡法和采用特殊的像敏單元結(jié)構(gòu)。1.填充因子2.像素總數(shù)和有效像素數(shù)3.動態(tài)范圍4.噪聲CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)75像素總數(shù)是指所有像素的總和，是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號的像素為有效像素，它直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。1.填充因子2.像素總數(shù)和有效像素數(shù)3.動態(tài)范圍4.噪聲CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)76動態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號處理能力和噪聲決定，反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD圖像傳感器的動態(tài)范圍，其數(shù)值是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比，通常用dB表示。1.填充因子2.像素總數(shù)和有效像素數(shù)3.動態(tài)范圍4.噪聲CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)77噪聲一直是限制CMOS圖像傳感器占領(lǐng)市場的重要因素之一。噪聲來源主要是光敏器件的噪聲、MOS場效應(yīng)晶體管中的噪聲和CMOS圖像傳感器中的工作噪聲。1.填充因子2.像素總數(shù)和有效像素數(shù)3.動態(tài)范圍4.噪聲CMOS圖像傳感器的應(yīng)用78景物通過鏡頭照射到CMOS圖像傳感器上，當用戶感到滿意時，半按快門，主控CPU開始計算對焦距離、快門速度和光圈大小，由ASIC集成電路發(fā)出信號給取景器電路進行自動聚焦和快門、光圈調(diào)整。全按下快門，ASIC集成電路發(fā)出信號給取景器電路進行信號鎖定，再由CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號經(jīng)放大器放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲在存儲卡上。存儲卡上的圖像數(shù)據(jù)可以傳送到微型計算機保存和顯示。圖9-37數(shù)碼相機的組成框圖9.4光纖傳感器79光纖的結(jié)構(gòu)80光纖由纖芯、包層、保護層組成纖芯由二氧化硅或塑料制成，有時為了提高光的折射率，摻入微量雜質(zhì)，如二氧化鍺或五氧化二硫等。包層包裹在纖芯的外面，根據(jù)需要可制成單層或多層，材料一般為二氧化硅，摻入微量三氧化二硼或四氧化硅，以降低其對光的折射率，使光信號封閉在纖芯中傳輸。保護層：增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性，還能提高光纖傳輸信號的穩(wěn)定性和可靠性。光纖的傳光原理81光纖的傳播基于光的全反射原理，當光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖。(a)一部分透射到包層，一部分反射回纖芯;(b)臨界狀態(tài),光沿著交界面?zhèn)鞑?入射角稱為臨界角θi0(c)入射光全部被反射回來（

θi<θi0）。（a）

（b）

（c）光纖的傳光原理82N0為入射光在外介質(zhì)的折射率。N1和N2分別為纖芯和包層的折射率。臨界入射角θi0為光纖臨界入射角的大小由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。只要滿足入射角θi<θi0，入射光就可以在纖芯和包層界面上反射，經(jīng)若干次反射向前傳播，最后從另一端面射出。外介質(zhì)為空氣時光纖傳感器的原理與結(jié)構(gòu)83光纖傳感器泛指使用了光纖技術(shù)的各類傳感器。它將來自光源的光經(jīng)過光纖送入敏感元件，待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使得光的光學性質(zhì)如光的強度、偏振態(tài)、頻率、相位、波長等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后光信號變?yōu)殡娦盘?，從而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的原理與結(jié)構(gòu)84光纖傳感器主要包括光源、光纖、敏感元件、光探測器和信號處理電路五個部分光源即光發(fā)送器，相當于一個信號源，負責信號的發(fā)射光纖是傳輸媒介，負責信號的傳輸敏感元件（光纖的或非光纖的）用于感知外界信息，相當于調(diào)制器光探測器即光接收器，負責信號的轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，相當于解調(diào)器信號處理電路的功能是對電信號進行放大等處理。光纖傳感器的原理與結(jié)構(gòu)85光是一種電磁波，討論光的敏感測量時，必須考慮光的電矢量E的振動只要光的強度、偏振態(tài)、頻率和相位等參量中任意一個參量隨被測量狀態(tài)的變化而變化，即可實現(xiàn)被測量的調(diào)制。再通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，從而獲得所需要的被測量的信息。A為電矢量E的振幅；ω為光波的振動頻率；

為光相位；t為光的傳播時間（9-22）光纖傳感器的分類86根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可分為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器三種。功能型光纖傳感器：光纖不僅起著傳光作用，而且也是敏感元件，將“傳”和“感”合為一體，利用被測量直接或間接對光纖中傳送光的光強、偏振態(tài)、相位、波長等進行調(diào)制。優(yōu)點：靈敏度高缺點：制作技術(shù)難度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的分類87根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可分為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器三種。非功能型光纖傳感器：光纖不是敏感元件，只是起著傳輸光波的作用。通常在光纖的端面放置光學材料及敏感元件來感受被測物理量的變化，從而使透射光或反射光強度隨之發(fā)生變化來進行檢測。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、原理簡單。缺點：靈敏度、測量精度一般低于功能型光纖傳感器，一般適用于對靈敏度要求不高的場合1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的分類88根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可分為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器三種。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發(fā)射、散射的光。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低缺點：靈敏度較低1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的分類89根據(jù)對光波的調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器和相位調(diào)制型光纖傳感器四種。強度調(diào)制型光纖傳感器：利用被測對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，而導致光的強度變化來實現(xiàn)對被測量的測量。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易實現(xiàn)。缺點：受光源強度波動和連接器損耗等影響較大。1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類圖9-43強度調(diào)制的調(diào)制原理光纖傳感器的分類90根據(jù)對光波的調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器和相位調(diào)制型光纖傳感器四種。偏振調(diào)制型光纖傳感器：利用光的偏振狀態(tài)的變化來傳遞被測對象信息的。優(yōu)點：可以避免光源強度變化的影響，因此靈敏度高。缺點：不容易實現(xiàn)。偏振調(diào)制的機理有電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和光彈效應(yīng)。1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類普克爾效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)光彈效應(yīng)實驗裝置光纖傳感器的分類91根據(jù)對光波的調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器和相位調(diào)制型光纖傳感器四種。頻率調(diào)制型光纖傳感器：利用光學多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)對被測量的測量。優(yōu)點：高靈敏度。光學多普勒效應(yīng)：當光發(fā)送器和光接收器都不動時，光源發(fā)出的頻率為f0的光波，經(jīng)過運動體散射和反射后，由光接收器接收到的光波頻率fs發(fā)生變化。多普勒效應(yīng)引起的光波頻率變化量

稱為多普勒頻移。1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的分類92光學多普勒效應(yīng)：當光發(fā)送器和光接收器都不動時，光源發(fā)出的頻率為f0的光波，經(jīng)過運動體散射和反射后，由光接收器接收到的光波頻率fs發(fā)生變化。多普勒效應(yīng)引起的光波頻率變化量

稱為多普勒頻移。運動體的速度大小為v，運動方向與光源光波發(fā)射方向之間的夾角為θ1，運動方向與光接收器之間的夾角為θ2，則光接收器接收到運動體反射的光波頻率fs為1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的分類93根據(jù)對光波的調(diào)制方式，光纖傳感器可分為強度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器和相位調(diào)制型光纖傳感器四種。相位調(diào)制型光纖傳感器：利用被測量引起敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而獲得被測量信息。優(yōu)點：靈敏度高。缺點：成本高。如：相位調(diào)制型光纖傳感器測溫，相位的變化

與溫度變化

的關(guān)系為1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類L為光纖的長度；λ0為自由空間光波長；n為纖芯的平均折射率；α為線膨脹系數(shù)；β為傳播常數(shù)；r為纖芯的半徑；為折射率的溫度系數(shù)光纖傳感器的分類94根據(jù)其檢測對象，光纖傳感器可分為光纖壓力傳感器、光纖位移傳感器、光纖溫度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等類別。1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類2.根據(jù)對光波的調(diào)制方式分類3.根據(jù)光纖傳感器的檢測對象分類光纖傳感器的應(yīng)用95光纖溫度傳感器由光源、光纖、半導體光吸收器和光敏探測器組成。當光源的光以恒定的強度經(jīng)光纖達到半導體薄片時，透過薄片的光強受溫度的調(diào)制，調(diào)制的透過光由光纖傳送到光敏探測器，轉(zhuǎn)換為電信號輸出。1.光纖溫度傳感器2.光纖位移傳感器3.光纖加速度傳感器圖9-48光纖溫度傳感器光纖傳感器的應(yīng)用96光纖溫度傳感器由光源、光纖、半導體光吸收器和光敏探測器組成。光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，測溫范圍為-20~300℃，測量精度為±3℃，響應(yīng)時間約為2s，可以在電磁干擾等惡劣的環(huán)境中工作。在無人裝備系統(tǒng)中，可用于機器人的溫度感知和溫度控制，通過將光纖傳感器布置在機器人的關(guān)鍵部位，實時監(jiān)測環(huán)境溫度和機器人自身的溫度變化，從而幫助機器人實現(xiàn)溫度控制和保護。1.光纖溫度傳感器2.光纖位移傳感器3.光纖加速度傳感器光纖傳感器的應(yīng)用97反射式光纖位移傳感器利用光纖傳輸光信號的功能，根據(jù)檢測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。1.光纖溫度傳感器2.光纖位移傳感器3.光纖加速度傳感器（a）（b）圖9-49光纖位移傳感器的工作原理（a）剖面圖；（b）立體圖；光纖傳感器的應(yīng)用98光纖加速度傳感器：激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時，質(zhì)量塊的慣性力使順變體變形，使得繞于順變體上的單模光纖長度發(fā)生變化（b），引起測量光纖和參考光纖光程差的改變，從而使到達干涉儀的兩束光的相位發(fā)生改變，產(chǎn)生干涉效應(yīng)。干涉儀干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理電路處理后便可測出加速度。1.光纖溫度傳感器2.光纖位移傳感器3.光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器（a)（b)9.5本章小結(jié)99100學習本章，應(yīng)該從原理出發(fā)，掌握各種光電式傳感器的特性，區(qū)別異同優(yōu)缺；從應(yīng)用著手，建立系統(tǒng)的思想和直觀的感受。同時，光電式傳感器日新月異，更應(yīng)注重對新型光電式傳感器的不斷學習。隨著智能傳感器的興起，將光電式傳感器與智能設(shè)備的融合和再創(chuàng)造，必將拓展光電式傳感器的應(yīng)用與技術(shù)進步。傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第10章波式與射線式傳感器紅外傳感器1.2超聲波傳感器10.110.2微波傳感器10.310.4第10章波式與射線式傳感器102激光傳感器10.5核輻射傳感器10.6本章小結(jié)本章內(nèi)容引出103本章介紹超聲波式、紅外式、微波式、激光式和核輻射式等五種類型的波式與射線式傳感器，這類非接觸式傳感器可以實現(xiàn)精確、快速、自動無損檢測各種參數(shù)，應(yīng)用于多種場合，如雷達、遙感、紅外跟蹤、警戒、工業(yè)探傷和材料成分分析等。10.1超聲波傳感器104超聲波的類型105聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，超聲波的波形也不同，按傳播方式通?？煞譃橐韵氯N：橫波是質(zhì)點振動方向與波的傳播方向垂直的波，它只能在固體中傳播，主要用于檢測物體的表面缺陷。縱波是質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播，主要用于檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。表面波是質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?，主要用于檢測物體的表面缺陷。超聲波的物理性質(zhì)106超聲波的波速超聲波在氣體、液體中的傳播速度：在常溫下，超聲波在空氣中的傳播速度為334m/s在水中的傳播速度約為1440m/s超聲波在固體中的傳播速度在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通常認為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波的聲速約為橫波聲速的90%。在常溫下，超聲波在鋼鐵中的傳播速度約為5000m/s。ρ—介質(zhì)的密度Ba—絕對壓縮系數(shù)（10-1）超聲波的物理性質(zhì)107超聲波的反射與折射當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上一部分被反射回原介質(zhì)的波稱為反射波，另一部分透過分界面在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播的波稱為折射波。超聲波的物理性質(zhì)108超聲波的反射與折射反射定律入射角α與反射角α’的正弦之比等于入射波速度c1與反射波的速度c2之比。折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波在介質(zhì)1中的波速c1與折射波在介質(zhì)2中的波速c2之比，即圖10-1波的反射與折射超聲波傳感器的性能109工作頻率壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用的功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。靈敏度主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波傳感器的應(yīng)用110當A為發(fā)射換能器，B為接收換能器時。超聲波為順流方向傳播，順流傳播時間t1為當B為發(fā)射換能器，A為接收換能器時。超聲波為逆流方向傳播，逆流傳播時間t2為超聲波順、逆流傳播時間差為可得被測流體的平均流速為×管道截面積流量1.超聲波測流量2.無損探傷超聲波傳感器的應(yīng)用111超聲波透射型探傷：根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。優(yōu)點指示簡單，適用于自動探傷可避免盲區(qū)，適宜探測薄板缺點探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位對兩探頭的相對位置要求較高超聲波測流量無損探傷圖10-3透射型探傷原理圖超聲波傳感器的應(yīng)用112超聲波反射型探傷：根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。超聲波測流量無損探傷圖10-4反射型探傷原理圖10.2紅外傳感器113紅外輻射概述114紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，因其光譜位于可見光中的紅色光之外，故稱紅外線。紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于熱力學溫度0K（-273℃），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現(xiàn)的，物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外輻射最大的特點是具有光熱效應(yīng)，處于光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)，因此又將紅外輻射稱為熱輻射。紅外輻射概述115紅外線具有以下特征：在近紅外區(qū)時，具有可見光的某些特征，如直線傳播、反射、折射、散射、衍射等；在遠外紅區(qū)時，具有較強的穿透能力，能穿透大部分半導體和一些塑料等不透明物質(zhì)。紅外線在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，特別是在金屬中傳播時衰減很大。大部分液體對紅外線吸收很大；氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶。紅外線具有良好的隱蔽性和保密性，環(huán)境光線對它影響很小，抗干擾能力強。紅外傳感器的工作原理116紅外傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的一種光敏元件，通常稱為紅外探測器。常見的紅外探測器有兩類：熱探測器和光探測器參數(shù)熱探測器光探測器波長范圍所有波長只對狹小波長范圍靈敏度高響應(yīng)時間ms以上ns級探測性能與器件尺寸、形狀、工藝有關(guān)與器件尺寸、形狀、工藝無關(guān)適用溫度無需冷卻多數(shù)需要冷卻紅外傳感器的工作原理117根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外傳感器還可分為主動型和被動型兩種：主動型紅外傳感器包括紅外發(fā)射器和紅外接收器，它們配套使用可組成一個完整的紅外線發(fā)送與接收遙控系統(tǒng)。被動型紅外傳感器只有接收傳感器，在背景物體紅外特性穩(wěn)定的狀態(tài)下，用于檢測背景中出現(xiàn)突變的紅外特性。紅外傳感器的應(yīng)用118紅外無損檢測技術(shù)主要基于紅外輻射理論，對物體內(nèi)部能量流動情況進行測量，最后使用紅外熱像儀顯示檢測結(jié)果，在直觀上對缺陷進行判定的一種方法。在實施無損檢測時，向試件注入熱量，當試件內(nèi)部存在缺陷時，就會在試件有缺陷區(qū)和無缺陷區(qū)形成溫差。由于試件局部溫差的存在，必然導致紅外輻射強度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測出溫度的變化狀況，進而判斷缺陷的情況。1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控紅外傳感器的應(yīng)用

1191.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控圖10-5缺陷表面溫度分布圖紅外傳感器的應(yīng)用

120紅外無損檢測裝置根據(jù)是否需要外加激勵源可分為主動式和被動式兩種：主動式紅外檢測：人為地為被測物體注入（或移出）熱量，被測物體內(nèi)部溫度不必達到穩(wěn)定狀態(tài)，探測物體表面熱量或熱流變化規(guī)律，并以此分析判斷物體有無缺陷。被動式紅外檢測：不需要加載熱源，通過探測被測物自身紅外輻射的強弱或分布情況來判斷內(nèi)部有無缺陷。圖10-6紅外無損檢測系統(tǒng)原理框圖1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控紅外傳感器的應(yīng)用

121在探測器前端安裝有光學鏡頭，當有人體經(jīng)過或移動時，人體輻射的紅外線經(jīng)光學透鏡傳遞給熱釋電元件。傳感器將熱-電轉(zhuǎn)換信號送放大器放大，1.5MΩ反饋電阻可調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)，二極管D與電阻、電容組成低通濾波器。當信號幅值達到某一限定值時，可用比較器控制輸出驅(qū)動蜂鳴器報警。1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控圖10-7熱釋電紅外報警控制電路原理10.3微波傳感器122微波概述123微波：波長介于紅外線和無線電波之間的電磁波，其頻率范圍大約300MHz~300GHz之間，所對應(yīng)的波長為1mm~1m之間，可以細分為分米波、厘米波、毫米波三個波段。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又與普通的無線電波及光波不同，是一種波長相對較長的電磁波。其特點如下：微波易于產(chǎn)生，發(fā)射裝置容易制造定向性好，遇到障礙物容易反射，繞射能力差介質(zhì)對微波能量的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比例傳輸損耗小，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光等影響很小微波傳感器的原理及構(gòu)成124微波傳感器是利用微波特性來檢測一些物理量的器件，可感應(yīng)物體的存在、移動速度、距離、角度等信息。由發(fā)射天線發(fā)出微波，該微波信號在傳播過程中遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收透過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路后顯示出被測量，就實現(xiàn)了微波檢測。微波傳感器的原理及構(gòu)成125微波傳感器通常由微波振蕩器、微波天線和微波檢測器三部分組成。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。通常構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管（波長在10cm以上可用同軸電纜）傳輸?shù)桨l(fā)射天線，并發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波波束具有較小的發(fā)散角度和尖銳的方向性，天線要有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線結(jié)構(gòu)有喇叭形、拋物面等。（a）圓錐形喇叭天線

（b）旋轉(zhuǎn)拋物面天線圖10-8常用的微波天線

微波傳感器的分類126根據(jù)微波的傳輸特性，可將微波傳感器分為以下兩類：反射式微波傳感器：通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來實現(xiàn)被測量的檢測，通?？梢詼y量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。遮斷式微波傳感器：利用微波穿透物體時損耗特性的不同來實現(xiàn)檢測目的，它通過檢測接收天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置、被測物的含水量等參數(shù)。微波傳感器的特點127實現(xiàn)了非接觸測量，檢測速度快，靈敏度高，可以進行動態(tài)檢測和實時處理，便于自動控制；有極寬的頻譜（波長1mm~1m）可供選用,可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；可以在惡劣的環(huán)境條件下檢測，如煙霧、粉塵、高溫、高壓、有毒、有放射線等環(huán)境條件下工作；輸出信號可以方便地調(diào)制在載頻信號上進行發(fā)射與接收，傳輸距離遠，便于實現(xiàn)遙測與遙控。微波傳感器的不足之處是零點漂移，不易標定，測量環(huán)境（溫度、氣壓、取樣位置等）對測量結(jié)果影響較大。微波傳感器的應(yīng)用128微波多普勒傳感器是利用雷達將微波發(fā)射到被測對象，并接收返回的反射波來實現(xiàn)測量的。若對以相對速度v運動的物體發(fā)射微波，由于多普勒效應(yīng)，反射波的頻率發(fā)生偏移（稱為多普勒頻移），表示為當波遇到靜止不動的物體時，其反射波的頻率不改變；當物體靠近發(fā)射天線時,fd取“+”號；當物體遠離發(fā)射天線時,fd取“-”號。只要確定了v、λ、θ中的任意兩個參數(shù)，由于fd可測出，即可根據(jù)式（10-8）確定第三個參數(shù)，微波多普勒傳感器通常用于測定物體的運動速度。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器（10-8）

fd—多普勒頻率；v—物體的運動速度；λ—微波信號波長；θ—方位角。微波傳感器的應(yīng)用129如果要確定運動物體與發(fā)射天線間的距離，可發(fā)射兩個不同波長的信號，引起信號初始相位的變化，即因此，只要測出不同波長λ1、λ2下的初始相位差

，即可確定距離r。微波多普勒傳感器的應(yīng)用非常廣泛，如多普勒測速儀可用于交通管制的車輛測速雷達、水文站的流速測定儀、海洋氣象站的海浪與熱帶風暴測定、火車進站的速度監(jiān)控等。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器（10-11）微波傳感器的應(yīng)用130任何物體的溫度高于環(huán)境溫度時，都能夠向外輻射熱能，當該輻射熱到達接收機輸入端時，若仍然高于基準溫度（或室溫），在接收機的輸出端將有信號輸出。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器圖中Ti為輸入（被測）溫度，Tc為基準溫度，C為環(huán)行器，BPF為帶通濾波器，LNA為低噪聲放大器，IFA為中頻放大器，M為混頻器，LO為本機振蕩器。當被測溫度Ti與基準溫度Tc不一致時，就會產(chǎn)生輻射，輻射強度通過環(huán)行器輸出到帶通濾波器，再通過低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器等處理得到被測溫度。圖10-10微波輻射儀原理框圖10.4激光傳感器131激光的產(chǎn)生機理132在一個原子體系中，電子基本上是分層運動的，有些原子處于低能級，有些處于高能級，一旦低能級原子受到外界光子的刺激，吸收一定的能量，會從低能級ε1躍遷至高能級ε2，這個過程稱為光的受激吸收。處在高能級ε2的原子在適合條件的外來光的作用下，躍遷到低能級ε1而發(fā)光，這個現(xiàn)象稱為受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來光子具有完全相同的頻率、傳播方向和偏振方向。通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子，這稱為光的放大。激光的產(chǎn)生機理133在外來光的激發(fā)下，如果受激輻射大于受激吸收，原子在某高能級的數(shù)目就多于在低能級的數(shù)目,將其稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當激光器內(nèi)工作物質(zhì)中的原子處于反轉(zhuǎn)分布，這時受激輻射占優(yōu)勢，光在這種工作物質(zhì)中傳播時，會變得越來越強。通常把處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益介質(zhì)。激光的產(chǎn)生機理134為了使受激輻射的光具有足夠的強度，還需設(shè)置一個光學諧振腔。光學諧振腔內(nèi)設(shè)有兩個面對面平行放置的反射鏡，一個為全反射鏡，另一個為半反半透鏡，其間放有工作物質(zhì)。當沿軸線方向行進的光遇到反射鏡后，被反射折回，如此在兩反射鏡間往復(fù)運行并不斷對有限容積內(nèi)的工作物質(zhì)進行受激輻射，產(chǎn)生雪崩式的放大，形成強大的受激輻射光，簡稱激光。激光的產(chǎn)生機理135激光的形成必須具備三個條件：具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)—增益介質(zhì)；具有供給能量的激勵源；具有提供反復(fù)進行受激輻射場所的光學諧振腔。將這三個條件結(jié)合在一起的裝置稱為激光器。按增益介質(zhì)的不同,激光器可分為氣體激光器（CO2、氦氖、CO等）、液體激光器（液體染料）、固體激光器（紅寶石、銣玻璃等）、半導體激光器（砷化鎵、銻化銦等）。

激光的特性136高方向性:激光具有高平行度，其發(fā)散角小，一般約為0.18°，比普通光和微波小2~3個數(shù)量級。它的能量高度集中，亮度較高，比同能量的普通光源高幾百萬倍。高單色性:激光的光譜很窄，比普通光頻率寬度的1/10還小，因此顏色極純。高相干性:受激輻射產(chǎn)生的光子與初始光子狀態(tài)（傳播方向、頻率、相位）完全一致，因此激光的相干性非常好。激光傳感器的工作原理137激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。激光傳感器由激光發(fā)射器、激光接收器和測量電路組