《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第7章

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1、第7章新型传感器7.1光纤传感器7.1.1光导纤维的结构和传光原理一、光导纤维结构与类型1、光纤结构图7-1-12、类型二、光纤传光原理1．光在纤芯与包层交界面上的传博——入射角——反射角——折射角所以临界角全反射（只有反射没有折射）条件：2．光在光纤端头的传播即所以光纤数值孔径全反射要求3．光在光纤内传播1°在满足全反射条件下（或），光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。2°弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径d—光纤直径R>>4d时，仍满足全反射条件，光纤传输损耗很小R<4d时，不

2、满足全反射条件，光纤传输损耗很大7.1.2光纤传感器的基本原理和类型一、光纤传感器的基本原理被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。二、光纤传感器的分类功能型——光纤用作敏感元件，常用单模光纤非功能型——光纤用作传感元件，常用多模光纤三、传输光的调制方式1．调制方式种类光强调制——应用最多光相位制无频率制光波长制光偏振制2．光强调制方式①辐射式②光纤位移式图7－1-5入射光纤不动出射光纤不动③插入式图7－1-6④微弯损耗式图7－1-7四、光纤传感器的优点缺点

3、优点1、灵敏度高2、电绝缘性能好，抗电磁干扰3、耐腐蚀，耐高温4、体积小，重量轻缺点：断线修复需专用工具7.2CCD图象传感器7.2.1CCD的工作原理CCD器件由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。一、MOS光敏元阵列――执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像1、MOS光敏元结构图7－2-1金属电极上施加正偏压形成“势阱”，光生电子被势阱俘获形成“电荷包”，势阱所俘获的电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。2、光敏元阵列――光敏元有规则的排列一个光敏元――一个象素光敏元阵列――一幅光生电荷图像二、读出移位寄存器――执行电荷转移功能1、结构原理图7－2-2特点：硅

4、底复盖遮光层，只传送电荷包，不产生电荷包每三个相邻的电极组成一个耦合单元(亦即传输单元)，三个电极分别由三个相位相差120°的时钟脉冲,,来驱动，2、电荷传输过程：每经历一个时钟脉冲周期，电荷就向右转移三极即转移一级。7.2.2CCD图象传感器的结构一、线列阵1、组成2、结构图7-2-4(a)单排结构(b)双排结构3、工作过程：①各光敏元同时曝光，生成“电荷包”②各光敏元的电荷包同时并行转移到对应移位寄存器电极下③移位寄存器串行依次输出各个“电荷包”二、面列阵1、组成图7-2-62、工作过程：①面曝光――各光敏元同时曝光，生成一幅“电荷包”图像②场转移――“电荷包”

5、从光敏元面阵并行转移到存储器面阵③行转移――“电荷包”逐行从存储器面阵并行转移到水平读出移位寄存器④位移出――水平读出移位寄存器逐位串行输出，移出一行，再移下一行。7.3红外传感器7.3.1、红外线及其特性一、红外线在电磁波谱中的位置图7-3-1也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线,故称为红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波长范围大致在0.75µm～1000µm。二、红外线的特性1、具有可见光的一切特性，2、具有光热效应，能辐射热量。3、红外光在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。7.3.2红外探测器的类型一、光敏红外探测器1、电真空

6、器件(光电管、光电倍增管)，2、半导体器件二、热敏红外探测器1、对比图7-3-2热敏探测器的响应速度较低，响应时间较长，但具有宽广的、比较平坦的光谱响应。2、类型：室温探测器，不需冷却，热敏电阻、热电偶和热电堆，低温探测器，需冷却。7.3.3热释电红外探测器一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象、称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。二、热释电红外传感器1、组成结构及内部电路图7-3-32、应用：探测人体用的红外传感器用于防盗报警、来客告知及非接触开关等供测温使用的热释电红外传感器，

7、其测温范围可达－80～1500℃。三、热释电红外探测模块及其应用1、热释电红外探测模块HN911图7-3-42、应用实例――自动门控制原理电路图7-3-57.4超声波与核辐射传感器7.4.1超声波传感器一、超声波及其性质1、超声波的定义：振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。高于2×Hz的机械波称为超声波。2、超声波与声波的异同：相同点：传播速度也取决于介质的密度和介质的弹性常数在两介质的分界面上将发生反射和折射及波型转换不同点：①振动频率高而波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播。②能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。3、超声波的