传传感器技术及应用_教案及习题

传传感器技术及应用_教案及习题内容摘要：

窗口对着光源，此时万用表表针应向右偏转，偏转角度大小说明其灵敏度高低，偏转角度越大，灵敏度越高。 光电三极管检测： 光电三极管管脚较长的是发射极，另一管脚是集电极。 检测时首先选一块黑布遮住起接收窗口，将万用表置 R*1K 挡，两表笔任意接两管脚，测得结果其表针都不动（电阻无穷大），在移去遮光布，万用表指针向右偏转至 15K~35K，其向又偏转角度越大说明其灵敏度越高。 光电二极管和三极管的性能主要由伏安特性、光照特性 、光谱特性、响应时间、温度特性和频率特性等来描述。 光电管的基本特性 光照特性： 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。 曲线 1 表示氧铯阴极：光照特性成线性关系曲线 2表示锑铯阴极：光照特性成非线性关系。 光照特性曲线的斜率 (光电流与入射光光通量之间比 )称为 光电管的灵敏度。 光电管的光照特性 光谱特性： 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，有不同的 红限频率 v0，对应于不同的光谱范围。 第三章 光电式传感器 22 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极 —— 光谱响应范围。 例如：锑铯阴极，其红限λ 0=700nm，它对紫外线和可见光范围的入射光灵敏度比较高，适用于白光光源和紫外光源。 对红外光源，常用氧铯阴极。 伏安特性： 在一定的光照射下，对光电管的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系 —— 是应用光电传感器的主要依据参数。 当极间电压高于 50V 时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。 真空光电管一般工作于饱和部分。 光电池 第三章 光电式传感器 23 光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为太阳能电池。 光电池常用的材料是硅和硒，也可以使用锗、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等。 目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。 结构： 硅光电池是用单晶硅制成，在一块 N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的 PN结， P层做得很薄，从而使光线能穿透照到 PN结上。 工作原理： 当光照到 PN 结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子 空穴对，在 N 区聚积负电荷， P 区聚积正电荷，这样 N 区和 P 区之间出现电位差 —— 光生电动势。 基本特性 1﹑ 光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为 2020lx 时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。 短路电流：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。 负载电阻 RL越小，光电流与照度的线性关系越好，且线性范围越宽。 硅光电池的光照特性 硅光电池 光照特性与负载的关系 2﹑ 光谱特性 光电池 在可见光谱范围内有较高的灵敏度， 峰值波长在 500nm 附近，适宜测可见光。 硅光电池 应用的范围 400nm— 1200nm，峰值波长在 800nm 附近，因此可在很宽的范围内应用。 第三章 光电式传感器 24 光电池的光谱特性 光电池的频率特性 3﹑ 频率 特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常采用调制光输入。 光电池的频率特性就是指输出电流随调制光频率变化的关系。 频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。 由于光电池 PN 结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。 硅光电池 具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。 4﹑ 温度 特性 开路电压和短路电流随温度变化的关系。 开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。 当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。 硅光电池的温度特性曲线 PIN型硅光电二极管 雪崩式光电二极管 (APD) 半导体色敏传感器 光电闸流晶体管 热释电传感器 第三章 光电式传感器 25 达林顿光电三极管 光导摄像管 以上各节均做了解。 光电耦合器件 光电耦合器： 发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。 以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现 电隔离 ，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。 由于它具有单向信号传输功能，因此适用于数字逻辑中开关信号的传输和在逻辑电路中作为隔离器件及不同逻辑电路间的接口。 光电耦合器的特点： (a) 结构简单、成本低，通常用于工作频率 50kHz以下的装置。 (b)采用高速开关管构成的高速光电耦合器 ,适用于较高频率的装置中。 (c)采用放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。 组成与结构： 第三章 光电式传感器 26 CCD图像传感器 电荷藕合器件图像传感器 CCD（ Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压 缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。 CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。 当 CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 第四章 光纤传感器 27 第四章 光纤传感器  教学要求 1．掌握光导纤维的组成和光在光纤中传播的原理。 2．掌握光纤的主要参数。 3．掌握 强度型光纤传感器和干涉型光纤传感器的基本原理。 4. 了解各类光纤传感器的结构和 应用。  教学内容 光导纤维 (光纤 ) 光纤的结构 ：石英玻璃，直径 5－ 75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。 ：直径 100－ 200um，折射率略低于纤芯。 ：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。 ：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。 光在光纤中的传播 斯涅尔定理 (Snell39。 s law)： 光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，其折射角大于入射角，即 n1n2 时，θ r＞θ i。 n nθ r、θ i 间的数学关系为： n1sinθ i=n2sinθ r （ 1） 当θ r=90186。 时，θ i 仍＜ 90186。 ，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。 临界角θ i0 为： θ i0=arcsin(n2/n1) （ 2） 当θ i＞θ i0 并继续增大时，θ r＞ 90186。 ，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。 光纤的几个重要参数 第四章 光纤传感器 28 1﹑ 数值孔径 NA 入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。 这个角度就称为光纤的数值孔径。 定义为： 221 2 1 2,NA n n n n 为 纤 芯 折 射 率 ， 为 包 层 折 射 率。 数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征 光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。 CCITT 建议多模光纤的数值孔径取值范围为 ～ ，其对应的光纤端面接收角 θc=10176。 ～ 13176。 2﹑传播模式 采用 “V 值 ”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性 ： 12221202aV ( )nn a 为纤芯半径 ， λ0 为入射光在真空中的波长。 光纤 V 值越大 ,则光纤所能拥有的 ,即允许传输的模式 (不同的离散波 )数越多。 当 V值低于 时 ,只允许一波 或模式在光纤中传输。 3. 传播损耗 光从光纤一端射入， 从光纤另一端射出，光强发生衰减， 通常用传播率 A来表示 传播损耗 : 1010 lg( / )IIA dB kml 式中 l 为光纤长度， 1I 为输出端光强， 0I 为输入端光强。 光纤的类型 1﹑ 按折射率变化类型分类 ： 阶跃折射率光纤 和渐变 折射率光纤。 2﹑ 按传播模式的多少： 单模光纤和多模光纤。 3﹑ 从传感器机理上来说 ： 第四章 光纤传感器 29 光纤传感器可分为 振幅型（也 叫强度型）和相位型（也叫干涉仪型） 两种。 振幅型光纤传感器 具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易等优点，但其灵敏度较低。 相位型光纤传感器 的优点是灵敏度高，但其机构及检测手段复杂。 强度型 (振幅型 ) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器 结构： 反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。 其原理如图 所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。 原理： 光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光 电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。 当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。 显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。 随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。 图 所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。 特点： 反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点， 可在小位移范围内进行高速位移检测。 图 反射型光纤传感器的结构 图 2 位移 —— 输出信号曲线 光纤测压传感器 移动光栅光纤传感器 第四章 光纤传感器 30 微弯光纤传感器 以上各节要求了解。 他们均属于 强度调制型传感器。 相位调制型光纤传感器 基本原理 基本换能机理： 在一段 单模光纤中传输的相干光，因待测能量场的作用，而产生相位调制。 测量 机构 分类 ： 迈克尔逊﹑马赫 泽德﹑萨格奈克和法布里 珀罗。 特点： 结构上都由空气光路和多个光学器件（分光束和 平面镜）组合而成。 在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。 这些分开的光束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。 光纤（强度）干涉仪 光纤耦合器 ： 光纤耦合器（ Coupler）又称分歧器 （ Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属 于 光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。 光纤耦合器可分标准耦合器 （双分支，单位 12 ，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（ WDM，若波长属高密度分出，即 波长间距窄，则属於 DWDM），制作方式则有烧结（ Fuse）、微光学式（ Micro Optics）、光波导式（ Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有 90％）。 光纤传感器的应用举例 1﹑ 相位检测 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用 电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（ Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。 这类传感器的灵敏度很高。 但由于须用第四章 光纤传感器 31 特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 第四章 光纤传感器 32 2. 光纤 声 传感器 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器。 光纤声压传感器利用了双路光纤干涉原理制成的。 磁 传感器 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器。 4. 光纤 电流 传感器 （了解） 第五章 变磁阻式传感器 33 第五章 变磁阻式传感器  教学要求 1．掌握变磁阻式传感器的原理。 2．掌握差动式电感传感器的工作原理。 3．掌握 差动变压器式传感器的 基 本原理。 4. 了解电动式传感器的原理。  教学内容 一、工作原理 变磁阻式传感器的结构如图所示。 它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成 , 在铁芯和衔铁之间有气隙 , 气隙厚度为δ , 传感器的运动部分与衔铁相连。 当衔铁移动时 ,气隙厚度δ发生改变 ，引起磁路中磁阻变化 ， 从而导致电感线圈的电感值变化 ， 因此只要能测出这种电感量的变化。