傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)第3章(2)

1、3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器（光電隔離器）是利用發(fā)光元件與光敏元件封裝為一體而構(gòu)成電光電轉(zhuǎn)換的器件。 & 圖3.76 光電耦合器基本組合 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件（1）光電隔離器 光電隔離器由一發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)組成，在裝配上要使LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管上。 選用哪種形式的光電隔離器要根據(jù)使用要求和目的來確定當(dāng)然在實(shí)用中都應(yīng)盡量選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的組合形式的器件，且無論選用何種組合形式，均要使發(fā)光元件與接收元件的工作波長(zhǎng)相匹配，保證器件具備較高的靈敏度。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合

2、器件 光電隔離器主要應(yīng)用與以下幾個(gè)方面：1）將輸入與輸出端兩部分電路的地線分隔開，并各自使用一套電源供電 輸出 1k 1k 1k 20k V1 輸入 + + Vcc2 Vcc1 圖 3.77 傳輸隔離電路示意圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件2）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 來自機(jī)械系統(tǒng) 去微機(jī) +5V R2 R1 G 輸出 (去執(zhí)行機(jī)構(gòu)) 輸入信號(hào) (來自微機(jī)) Vc +5V +12V 74LS04 G R2 R1 1 a) 控制輸出 b) 信息輸入 圖3.78 計(jì)算機(jī)與外設(shè)互連電路 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件3）提高驅(qū)動(dòng)能力。采用如達(dá)林頓電

3、路和可控硅 輸出型等形式的光電隔離器，不但可以實(shí)現(xiàn)隔離作用，而且還具有較強(qiáng)的帶負(fù)載的能力，利用這類光電隔離器，微機(jī)輸出信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件（2）光電開關(guān) 光電開關(guān)是通過把光的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)變化，并以此來實(shí)現(xiàn)控制的一種電子開關(guān)。對(duì)金屬或非金屬都能作出反應(yīng)，無機(jī)械磨損，無電火花，是一種安全、可靠、長(zhǎng)壽命、無觸點(diǎn)的開關(guān)。在一些簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制場(chǎng)合，因輸入信號(hào)往往是開關(guān)信號(hào)（高電平或低電平），其控制量也是開關(guān)量，即接通電源或斷開電源等，故可用電子開關(guān)在一定距離內(nèi)檢測(cè)物體的有無。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器

4、件 收 收 發(fā) 發(fā) 被檢測(cè)物體 a) 對(duì)射式光電開關(guān) 反光板 反光板 b) 反光板反射式光電開關(guān) 圖 3.79 光電式光電開關(guān)工作示意圖一 下頁(yè)下頁(yè)3.9.3 光光電耦電耦合器合器件件上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件 光電開關(guān)以其結(jié)構(gòu)和工作方式的不同，可分為溝式、對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式、聚焦式、光纖式等類型。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件 發(fā)、收發(fā)、收a) 擴(kuò)散反射式光電開關(guān)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.3 光電耦合器件光電耦合器件 光纖被檢測(cè)物發(fā)、收被檢測(cè)物聚焦點(diǎn)發(fā)、收b) 聚焦式光電開關(guān)c) 光纖式光電開關(guān)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返

5、回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 電荷耦合器件(ChargeCoupled Devices，簡(jiǎn)稱CCD)是一種在70年代初問世的新型半導(dǎo)體器件。利用CCD作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器，稱為CCD傳感器，或稱CCD圖像傳感器。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） CCD器件有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它在半導(dǎo)體硅片上制有成百上千個(gè)(甚至數(shù)百萬個(gè))光敏元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。當(dāng)物體通過物鏡成像于半導(dǎo)硅平面上時(shí)。這些光敏元就產(chǎn)生與照在它們上面的光強(qiáng)成正比的光生電荷。二是它具有自掃描能力，亦即將光敏元上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對(duì)應(yīng)的光

6、敏元上的電荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固體化、低功耗和自掃描能力等一系列優(yōu)點(diǎn)。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢(shì)阱 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） （1）電荷耦合器件原理 電荷耦合器件分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。 CCD最基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷南嗷オ?dú)立的MOS電容器，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列，且用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化物，并在其上制作許多金屬電極，各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接。 下頁(yè)

7、下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 2）讀出移位寄存器 a) 勢(shì)阱耦合與電荷轉(zhuǎn)移b) 控制時(shí)鐘波形圖下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）（2）CCD傳感器的應(yīng)用 CCD傳感器利用光敏元件的光電轉(zhuǎn)換功能將透射到光敏元件上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)“圖像”，即光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后經(jīng)讀出移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”轉(zhuǎn)送，并輸出放大器輸出。依照其光敏元件排列方式的不同，CCD傳感器主要分為線陣、面陣兩種。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 在非電

8、量的測(cè)量中，CCD傳感器的主要用途大致可歸納為以下三個(gè)方面： 1）組成測(cè)試儀器，可以測(cè)量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。 2）用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)(OCR)與圖像識(shí)別技術(shù)、光譜測(cè)量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等方面。 3）作為自動(dòng)化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 當(dāng)所用光源含紅外光時(shí)，可在透鏡與傳感器之間加紅外濾光片。若所用光源過強(qiáng)時(shí)，可再加一濾光片。 利用幾何光學(xué)知識(shí)，可以很容易地推導(dǎo)出被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度L與系統(tǒng)諸參數(shù)之間

9、的關(guān)系：fba111LnpabMnpfanpML) 1(1下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.4 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 放大 np 4 3 1 2 b a L 驅(qū)動(dòng)電路 計(jì)數(shù)、運(yùn)算、顯示 1紅外濾光片 2濾光片 3線陣 CCD 傳感器 4透鏡 圖 3.83 尺寸測(cè)量基本原理 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.5 光電式傳感器光電式傳感器 光電式傳感器的工作原理如圖3.84所示。首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電傳感元件變換成電信號(hào)。 這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、價(jià)廉、靈敏度高和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)化、檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。下頁(yè)下頁(yè)

10、上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.5 光電式傳感器光電式傳感器 位 移 、 轉(zhuǎn) 速 、振 動(dòng) 等 U或 I 光 量 被 測(cè) 非 電 量 光 學(xué) 通 路 光 電 傳 感 元 件 測(cè) 量 /顯 示 光 源 圖3.84 光 電 式 傳 感 器 原 理 圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.5 光電式傳感器光電式傳感器（1）光電傳感器的分類 按光電傳感器輸出量的性質(zhì)，可以分為模擬式和開關(guān)式二大類。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.5 光電式傳感器光電式傳感器 2）開關(guān)式光電傳感器 該類傳感器的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于光電元件“有”、“無”受到光照兩種狀態(tài)，即輸出特性是斷續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高，而對(duì)元

11、件的光照特性的線性要求不高。在自動(dòng)計(jì)數(shù)、光控開關(guān)、光電編碼器、光電報(bào)警裝置及其它光電輸入設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)合有廣泛的使用。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.9.5 光電式傳感器光電式傳感器 光電轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置工作原理示意圖 調(diào)制盤 電機(jī) 光電元件 放大 數(shù)字頻率計(jì) 發(fā)光二極管 調(diào)制盤 b） 在固定電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定調(diào)制盤 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10 霍爾式傳感器霍爾式傳感器 3.10.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 3.10.2 霍爾元件霍爾元件 3.10.3 霍爾式傳感器的組成霍爾式傳感器的組成 3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 把一塊載流子導(dǎo)體置于靜止

12、的磁場(chǎng)中，當(dāng)載流子導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，在垂直于電流方向和磁場(chǎng)的方向上就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，此載流子導(dǎo)體稱為霍爾元件或霍爾片。 h l b I FE FL v B UH + + + + + + - - - - - - 圖3.88 霍爾效應(yīng)原理圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 一塊長(zhǎng)為 ，寬為 ，厚度為h的N型半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體長(zhǎng)度方向通以電流I，將其置于的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中（磁場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于半導(dǎo)體平面），則半導(dǎo)體中的載流子電子將會(huì)受到洛侖茲力的作用，根據(jù)物理學(xué)知識(shí) （3.80） 式中 電子的電荷量，； 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)速

13、度； 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。lbvBqFL00qvB下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 方向如圖中所示。在力 的作用下，按長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的電子將會(huì)向半導(dǎo)體的一側(cè)偏移，形成電子累積，而在另一側(cè)將會(huì)累積正電荷，從而又在兩側(cè)之間形成一附加內(nèi)場(chǎng) ，即霍爾電場(chǎng)。此時(shí)霍爾電場(chǎng) 兩端之間的電位差 （霍爾電勢(shì)）為L(zhǎng)FLFHEHEHUHHbEU下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和激勵(lì)電流I成正比，與霍爾片厚度長(zhǎng)反比，因而在實(shí)際應(yīng)用中為了提高靈敏系數(shù)，霍爾元件常常制成薄片形狀。 電子（或空穴）遷移率 材料的電阻率。HR 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.2

14、 霍爾元件霍爾元件（1）霍爾元件的結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它由霍爾片、引線和殼體三部分構(gòu)成（如圖3.89所示）。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，在它的四個(gè)端面引出四根引線，其中引線1和3為激勵(lì)電壓或電流引線，稱為激勵(lì)電極。引線2和4為霍爾電勢(shì)輸出引線，稱為霍爾電極。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.2 霍爾元件霍爾元件 霍爾片材料常用的主要有鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料，霍爾元件殼體由不具有導(dǎo)磁性的金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 1 3 2 4 圖 3.89 霍爾元件外形示意圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.2 霍爾元件霍爾元件 R1 R2 R1 R4 R3 2 4 3 1 H a

15、) b) a) 霍爾元件的等效電路 b) 圖形符號(hào) 圖 3.90 霍爾元件的等效電路及符號(hào) 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.2 霍爾元件霍爾元件1）測(cè)量電流I 在一定溫度下，對(duì)于一確定的霍爾元件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持恒定時(shí)，電流I的變化可引起霍爾電勢(shì)相應(yīng)的線性變化。則可通過測(cè)量霍爾電勢(shì)來測(cè)得電流I或者跟電流I有關(guān)的其他物理量。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.2 霍爾元件霍爾元件2）測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B 當(dāng)激勵(lì)電流I一定時(shí)，霍爾電勢(shì) 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。根據(jù)這一關(guān)系可利用霍爾元件來測(cè)量交、支流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度或者跟磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的其他物理量（如非接觸式測(cè)電流）等。HU下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上

16、頁(yè)返回返回3.10.2 霍爾元件霍爾元件3）功率測(cè)量 如果激勵(lì)電流為I1，磁感應(yīng)強(qiáng)度B由激勵(lì)電流I2產(chǎn)生，則式（3.88）可轉(zhuǎn)化為 （3.90） 式中 K 轉(zhuǎn)變系數(shù)。 則可根據(jù)式（3.90）中的乘法關(guān)系將霍爾元件與其他器件組合成乘法器、開方器、平方器等，故可用來測(cè)量功率。21IKIUH下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.3 霍爾式傳感器的組成霍爾式傳感器的組成 利用霍爾元件實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器稱為霍爾式傳感器，霍爾式傳感器通常由霍爾元件、加在元件上的激勵(lì)電源、產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置和輸出測(cè)量電路等基本構(gòu)成。 圖 3.91 霍爾元件的基本電路 1 3 2 4 RP RL Uo E I B 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)

17、返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償 霍爾式傳感器在實(shí)際使用中常常有很多因素影響其測(cè)量精度，造成測(cè)量誤差。常見的主要因素有半導(dǎo)體本身固有的特性，半導(dǎo)體制造的工藝水平，環(huán)境溫度的變化情況，霍爾傳感器的安裝是否合理等。測(cè)量誤差一般表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償1）不等位電勢(shì) 如圖3.94所示，由制造工藝缺陷造成不等位電勢(shì)出現(xiàn)的主要原因有： 圖 3.94 霍爾元件不等位電勢(shì)示意圖 I 1 3 2 4 Uo 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償2）寄生直流電勢(shì) 當(dāng)霍爾元件通以交流激勵(lì)電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電

18、勢(shì)除了交流不等位電壓外，還有直流電勢(shì)分量，此直流電勢(shì)分量稱為寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的主要原因有： 激勵(lì)電極與霍爾電極接觸不量，形成非歐姆接觸，造成整流效果； 霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等或不對(duì)稱，則兩電極點(diǎn)的熱容量不同而引起溫差，產(chǎn)生內(nèi)部溫差電勢(shì)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償 （2）溫度誤差及補(bǔ)償 由于霍爾元件是由半導(dǎo)體材料制成的，因此它的許多參數(shù)如載流子濃度、電子遷移率、電阻率等都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，這些參數(shù)值都會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)式（3.85）、式（3.88）和式（3.89）可知，溫度的變化會(huì)引起霍爾電勢(shì)的改變，稱為溫度誤差。為了減小溫度誤差，除了采用溫

19、度系數(shù)小的材料作為霍爾元件或采取恒溫槽外，還可以采取其他適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償 RP 1 3 2 4 I 1 3 2 4 I RP 1 3 2 4 I RP a) b) c) 圖3.95 零位電勢(shì)補(bǔ)償原理 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償 1）恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化會(huì)引起霍爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供電時(shí)，引起激勵(lì)電流發(fā)生變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，通常采用恒流源提供電流。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償對(duì)于一確定的霍爾元件，可根據(jù) 、 、 來確定補(bǔ)

20、償電阻 的大小。0r0R00Rr I R IH UH A B IR 圖 3.96 恒流源溫度補(bǔ)償電路 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償2）恒壓源供電和輸入回路串聯(lián)電阻 當(dāng)霍爾元件采用恒壓源供電時(shí)，且霍爾輸出端處于開路狀態(tài)，可在輸入回路中串聯(lián)補(bǔ)償電阻R來進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電路如圖3.97所示。 圖 3.97 恒壓源溫度補(bǔ)償電路 I=IH R UH A B E 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.10.4 測(cè)量誤差補(bǔ)償測(cè)量誤差補(bǔ)償 圖3.98 霍爾元件的實(shí)際補(bǔ)償電路 RW2 R2 R1 R4 R3 E1 RW1 RW3 RT E2 UH 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11 光纖傳感

21、器光纖傳感器 3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型光纖傳感器基本原理及類型 3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理（1）光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖，是一種用于傳輸光信息的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體，其基本結(jié)構(gòu)包括纖芯、包層和涂敷層等，它的結(jié)構(gòu)如圖3.99所示。 纖芯 包層 圖 3.99 光纖的基本結(jié)構(gòu) 涂敷層 外層 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理2）光纖的

22、傳光原理 根據(jù)幾何光學(xué)理論，當(dāng)光線以某一較小的入射角l，由折射率較大的光密物質(zhì)射向折射率較小的光疏物質(zhì)時(shí)，則一部分入射光以折射角2折射入光疏物質(zhì)，其余部分以l角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)光的折射定律，光折射和反射之間關(guān)系為：1221sinsinnn下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 C A B d n1 0 n2 圖3.100 光在光纖中的全反射 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，形成駐波的光線組稱為模；它們是離散存在的，即某一種光纖只能傳輸特定模數(shù)

23、的光。 一般用麥克斯韋方程導(dǎo)出的歸一化頻率f作為確定光纖傳輸模數(shù)的參數(shù)。f的值可由下式確定：NArf2下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理（3）光纖的分類）光纖的分類 1）根據(jù)光纖的折射率的分布函數(shù)分類 根據(jù)光纖纖芯折射率分布，主要有階躍型（Step Index Fiber）和梯度型（Graded Index Fiber）兩大類。 b) 梯度型折射率光纖 a) 階躍型折射率光纖 圖 3.101 階躍型光纖和梯度型光纖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 按傳輸模數(shù)分類 可以分為單模光纖和多模光纖兩大類。 單模

24、光纖通常是指階躍型光纖中纖芯直徑很小，光纖傳輸模數(shù)很少，原則上只能傳送一種模數(shù)的光纖，常用于光纖傳感器。單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近波長(zhǎng)。這類光纖傳輸性能好，頻帶很寬，具有較好的線性。但因芯小，較難以制造和耦合。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 按材料分類 高純度石英（Si02）玻璃纖維。這種材料的光損耗比較小，在1.2m的波長(zhǎng)處，最低損耗約為0.47dB/km。包層采用硼硅材料的鍺硅光纖，其損耗約0.5dB/km。 多組分玻璃光纖。用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉(Sodium borosilicate)玻璃光纖在=0.84m時(shí)，最低損

25、耗為3.4dB/km。 塑料光纖。用人工合成導(dǎo)光塑料制成，損耗較大。當(dāng)0.63m時(shí)，這種光纖的損耗達(dá)到100200dB/km，但由于此類光纖重量輕、成本低、柔軟性好，在短距離導(dǎo)光的場(chǎng)合還是適用的 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 按用途分類 通迅光纖。用于通迅系統(tǒng)，大多使用光纜。 非通迅光纖。這類光纖有低雙折射光纖，高雙折射光纖，涂層光纖，液芯光纖和多模梯度光纖等幾類。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 按制作工藝分類 應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法(CVD)或改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)的工藝制作高純度石英玻璃光

26、纖。 應(yīng)用雙坩堝法或三坩堝法工藝制作多組分玻璃光纖。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型光纖傳感器基本原理及類型 光纖傳感器基本原理 光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 由于光纖既是一種電光材料，又是一種磁光材料，即同電和磁存在著某些相互作用的效應(yīng)，故可以說光纖兼具“傳”和“感”的兩種功能。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型光纖傳感器基本原理

27、及類型 光纖傳感器的類型 按照光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可以分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器（Non Functional Fiber），簡(jiǎn)稱NFF型傳感器；另一類是傳感型，或稱功能型光纖傳感器（Functional Fiber），簡(jiǎn)稱FF型傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，后者常使用單模光纖。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型光纖傳感器基本原理及類型 光纖傳感器具有以下主要的特點(diǎn)： 1）光纖傳感器不受電磁場(chǎng)的干擾。當(dāng)光信息在光纖中傳輸時(shí)，不會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生作用，所以信息在傳輸過程中抗電磁干擾能力很強(qiáng)，特別適用于電力系統(tǒng)。 2）光纖傳感器的絕緣性能高

28、。光纖是不導(dǎo)電的非金屬材料，其外層的涂敷材料硅膠也不導(dǎo)電，因而光纖絕緣性能高，很方便測(cè)量帶高壓設(shè)備的各種參量。 3）光纖傳感器放爆性能好，體積很小、重量輕、耐高壓、耐腐蝕。在光纖內(nèi)部傳輸?shù)男盘?hào)能量很小，不會(huì)產(chǎn)生火花、高溫、漏電等不安全因素，適用于惡劣條件下的非接觸式、非破壞性、遠(yuǎn)距離測(cè)量。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型光纖傳感器基本原理及類型 4）光纖傳感器信息傳輸量大、導(dǎo)光性能好、靈敏度高，對(duì)傳輸距離較短的光纖傳感器來說，其傳輸損耗可忽略不計(jì)。 5）光纖細(xì)而柔軟，可以制成非常小巧的光纖傳感器，廣泛地應(yīng)用于位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、成分、流量等物理量

29、及其他特殊對(duì)象和場(chǎng)合的參數(shù)測(cè)量中。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 光纖對(duì)許多外界參數(shù)又一定的效應(yīng)，光纖傳感器原理的核心是如何利用光纖的各種效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)參數(shù)的“傳”和“感”的功能。從前面光纖傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，可知光纖傳感器的核心就是光被外界參數(shù)的調(diào)制原理，而調(diào)制的原理就能代表光纖傳感器的機(jī)理。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 入射光纖 調(diào)制器 出射光纖 可動(dòng)透射調(diào)制器 可動(dòng)反射調(diào)制器 微彎調(diào)制器 光源 圖 3.103 強(qiáng)度調(diào)制型傳感器原理圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳

30、感器的調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器工作原理是：光源發(fā)射的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)絺鞲蓄^，經(jīng)傳感頭把光反射到出射光纖，通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌?。傳感頭又稱調(diào)制器，通過調(diào)制器把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾膹?qiáng)度變化，即對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，光電接收器接收到強(qiáng)度變化的光信號(hào)，最后解調(diào)出被測(cè)量的變化。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 圖3.104所示為微彎傳感頭工作原理圖。 圖 3.104 微彎傳感頭工作原理圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 由入射光纖射出的光，經(jīng)反射屏反射到出射光纖被接收。相當(dāng)于入射光纖在反射屏另一側(cè)的虛像(源光纖像)

31、發(fā)出的光被出射光纖接收。 a 覆蓋部分 R a 出射 入射 源光纖像 可動(dòng)反射屏 d R=r2dT r光纖半徑 T=tan(arcsinNA) 圖 3.105 可動(dòng)反射式傳感頭原理圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 實(shí)用中的光強(qiáng)調(diào)制型傳感器多采用多模階躍型光纖，光纖纖芯直徑為0.2mm，數(shù)值孔徑為0.5，光源一般采用發(fā)光二極管。 遮光板 出射光纖 入射光纖 L2 L1 圖 3.106 可動(dòng)透射式傳感頭原理圖 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 相位調(diào)制 采用相位調(diào)制方法的光纖傳感器，是利用光的相位變化、使兩束單色光所產(chǎn)

32、生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量的原理。根據(jù)調(diào)制機(jī)理不同，可分為兩類:一類是將機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄辔徽{(diào)制；另一類是純光學(xué)效應(yīng)相位調(diào)制。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 機(jī)械效應(yīng)相位調(diào)制 機(jī)械效應(yīng)相位調(diào)制是將由應(yīng)變、位移及水聲壓等被測(cè)量引起敏感器件變化，轉(zhuǎn)換為光纖的光學(xué)量的變化，例如折射率變化，從而使光波的相位變化，并利用參考光纖和可變光纖中兩束光進(jìn)行疊加干涉。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 機(jī)械效應(yīng)的全光纖傳感器由信號(hào)光纖(信號(hào)臂)和參考光纖(參考臂)組成，也稱全光纖馬赫澤德爾（Mach

33、 Zehnder）干涉儀式傳感器。參考臂放在不受外界干擾的保護(hù)器內(nèi)，信號(hào)臂繞在敏感器件上。在不受外界因素干擾下，兩臂光學(xué)參量一致。由同一單色激光分成二束等強(qiáng)度光分別通過信號(hào)光纖和參考光纖到達(dá)探測(cè)器。無機(jī)械變化時(shí)，能得到分辨率(對(duì)比度)最高的干涉條紋。當(dāng)信號(hào)光纖的敏感部分的參數(shù)變化時(shí)，如繞在其上的光纖受縱向拉伸，使其徑向尺寸發(fā)生變化，則信號(hào)光纖的折射率變化，光信號(hào)在光纖中傳播的光程也會(huì)發(fā)生改變，從而改變了參考光纖和信號(hào)光纖中兩束光的光程差，其結(jié)果是干涉條紋的對(duì)比度將改變。這種方式，沒有或很少有造成激光器不穩(wěn)定噪聲的返回光，避免對(duì)干涉測(cè)量的不利影響。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器

34、的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 純光學(xué)效應(yīng)相位調(diào)制可將轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力等被測(cè)量直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w的光學(xué)量變化，使光波相位變化，從而獲得干涉條紋的變化。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 頻率調(diào)制 頻率調(diào)制并不以改變光纖的特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)制，光纖往往只是作為傳輸光信號(hào)的介質(zhì)而非敏感元件。目前，頻率調(diào)制的機(jī)理主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)，即單色光射到被測(cè)物體上反射回來的光頻率發(fā)生變化。例如，當(dāng)頻率為的單色光照射到相對(duì)速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，則反射光的頻率表示為：)1 (100cvfcvff下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.1

35、1.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制 實(shí)際系統(tǒng)中參考光是在光纖端面A處反射回來的光，這束光與被粒子散射回的光在返回途中混頻。同時(shí)，為了消除從發(fā)射透鏡L1和光纖前端面B處反射回來的光，在光電探測(cè)器前加裝一塊偏振片R，使光電探測(cè)器只能檢測(cè)出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制光纖傳感器的調(diào)制下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 作為20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)的一種新型傳感器，光纖傳感器是對(duì)以電信號(hào)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器的變革。通過前面對(duì)光纖傳感器工作原理及特點(diǎn)的介紹，可知光纖可以被應(yīng)用到種類繁多的應(yīng)用場(chǎng)合，目前的工

36、程應(yīng)用中，光纖可以構(gòu)成位移、應(yīng)變、壓力、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩、角速度、角加速度、溫度、電流、電壓、濃度、流量、流速，以及磁、光、聲、射線等近百種物理量檢測(cè)的傳感器，所以光纖傳感器可被稱為萬能傳感器。當(dāng)然，光纖傳感器在開發(fā)過程中還有不少實(shí)際困難，如噪聲源、檢測(cè)方法、封裝、光纖的被覆等問題。因此，光纖傳感器的實(shí)用化仍在進(jìn)行中。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 圖3.110所示為光纖位移測(cè)量的原理圖。 x 0 U U 光纖 2 光纖 1 被測(cè)物體 x 光源 圖 3.110 光纖位移測(cè)量傳感器 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用

37、光纖電流傳感器 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 光纖液位傳感器 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12 超聲波傳感器超聲波傳感器 3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu) 3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 波是振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播。通常把振動(dòng)頻率在16Hz以下機(jī)械波稱為次聲波，振動(dòng)頻率在1620kHz之間機(jī)械波稱為聲波，振動(dòng)頻率20kHz以上的機(jī)械波稱為超聲波。 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到

38、另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介紹中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上將會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，下面分別給予介紹。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 波的反射和折射下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換 當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時(shí)，聲波的波形也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面進(jìn)行傳播的波型稱為表面波；根據(jù)介質(zhì)厚度與波長(zhǎng)之比與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方式和傳播速度的不同，表面波又分為瑞利波和拉甫波。其

39、中，縱波能夠在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播，而橫波、表面波只能在固體介質(zhì)中傳播。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 當(dāng)聲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，將會(huì)產(chǎn)生橫波的反射和折射，如圖3.114所示。在一定條件下，還會(huì)產(chǎn)生表面波，各種波形均符合幾何光學(xué)中的反射定理，即sinsin2sin1sinsin2211SLSLLCCCCC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 聲波在多層平面中的穿透 用聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常

40、遇到聲波通過多層平行界面的情況（如復(fù)合板的探傷、耦合層的問題等）。當(dāng)聲波由一種介質(zhì)內(nèi)傳來、通過第二種介質(zhì)傳到第三種介質(zhì)中去的時(shí)候，就要通過二個(gè)界面。在本小節(jié)中僅考慮第二種介質(zhì)是一平行板狀介質(zhì)且聲波是垂直入射情況。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu) 超聲波穿透性較強(qiáng)，具有一定的方向性，傳輸過程中衰減較小，反射能力較強(qiáng)，在實(shí)際上得到廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能夠發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu) 按作

41、用原理不同，超聲傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實(shí)際使用中以壓電式最為常見。下面主要介紹壓電式探頭，其主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜等組成。（1）工作原理 由本章壓電式傳感器節(jié)可知，對(duì)面積為A的壓電片加上應(yīng)力 后，則在兩電極表面產(chǎn)生正比于的電荷 和 ，則有dAqqq下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu) 縱波探頭 縱波探頭是用于發(fā)射和接收縱波，其結(jié)構(gòu)如圖3.116所示。他主要是由保護(hù)膜、壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、外殼、電器接插件等組成。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu) 橫波探頭

42、 橫波探頭是用于發(fā)射和接收橫波，主要利用波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)而制作的 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路 檢測(cè)電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和檢測(cè)報(bào)警電路組成。 超聲波傳感器發(fā)射電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路 555振蕩器 時(shí)基電路555組成40kHz振蕩器受復(fù)位端電平的控制，當(dāng)時(shí)，振蕩器停振，當(dāng)時(shí)振蕩器振蕩。而的電平由SR雙穩(wěn)態(tài)電路的控制。555的振蕩頻率為CRRRfRP1212443.1下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路2）SR雙穩(wěn)

43、電路 SR雙穩(wěn)電路由四或非門4001組成。其R端接6分頻電路4017的輸出端“5”（1腳），S端則由低頻脈沖發(fā)生器的輸出控制。 3）低頻脈沖發(fā)生器 低頻脈沖發(fā)生器由或非門4001組成，這個(gè)電路是在典型的振蕩器基礎(chǔ)上加了和，他使電路處于高電平時(shí)間縮短，所以其輸出波形上一系列短促的窄正脈沖，這點(diǎn)是很重要的，因?yàn)殡p穩(wěn)態(tài)電路比較簡(jiǎn)單，只有對(duì)不重疊的“置位”和“復(fù)位”脈沖才能正常工作。其振蕩頻率約為 HZ92 . 2133CRf下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路 4）6分頻器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本

44、應(yīng)用電路 超聲波傳感器接收電路 超聲波傳感器一般用于檢測(cè)反射波，超聲波從產(chǎn)生發(fā)射到接收要經(jīng)過一段距離，能量衰減較大，超聲傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，轉(zhuǎn)換成電壓后一般最大約1V，最小約1mV。為此，其電路通常是由交流放大器、觸發(fā)器、6分頻電路和SR雙穩(wěn)電路組成 。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路 超聲波收發(fā)信號(hào)兩用電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路超聲波傳感器基本應(yīng)用電路 報(bào)警電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13 微波傳感器微波傳感器 3.13.1 微波的基本知識(shí)微波的基本知識(shí) 3.13.2 微波傳感器及其分類

45、微波傳感器及其分類 3.13.3 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題 3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.1 微波的基本知識(shí)微波的基本知識(shí) 微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 微波是指波長(zhǎng)為1m1mm的電磁波，它既具有電磁波的性質(zhì)，但卻又不同于普通無線電波和光波。相對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，微波具有下列特點(diǎn)： 1）定向輻射的裝置容易制造； 2）遇到各種障礙物易于反射； 3）繞射能力差； 4）傳輸特性好，在傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很小； 5）介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.1

46、微波的基本知識(shí)微波的基本知識(shí) 微波振蕩器與微波天線 微波振蕩器是用來產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，而頻率又很高（300MHz300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)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。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.2 微波傳感器及其分類微波傳感器及其分類 微波傳感器就是指利用微波特性來檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)

47、，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，即可顯示出被測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)微波檢測(cè)過程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。下頁(yè)下頁(yè)上上頁(yè)頁(yè)返回返回3.13.2 微波傳感器及其分類微波傳感器及其分類 （1）反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)物的位置、位移、厚度等參數(shù)。 （2）遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)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(cè)物或被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.3 微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題（1）微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)由于微波本身的特點(diǎn)

48、，決定了微波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。因此可進(jìn)行活體檢測(cè)，大部分測(cè)量不需要取樣；2）檢測(cè)速度快、靈敏度高、可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；3）可以在惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行檢測(cè)，如在高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件下工作；4）輸出信號(hào)可以方便地調(diào)制在載波信號(hào)上進(jìn)行發(fā)射與接收，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控。（2）微波傳感器存在的問題微波傳感器的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定問題，這尚未得到很好的解決。其次，使用的時(shí)候外界因素影響比較多，如溫度、氣壓，取樣位置等。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波濕度（水分）傳感器圖3.124 酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖

49、MSA1A2T1T2PTATDD下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波液位計(jì)圖3.125 微波液位計(jì)微波發(fā)射天線微波接收天線ld下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波物位計(jì) 微波發(fā)射天線微波接收天線振蕩器電源被測(cè)對(duì)象前置放大器放大器電壓比較器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波測(cè)厚儀圖3.127 微波測(cè)厚儀原理圖振動(dòng)短路器可逆電機(jī)光電轉(zhuǎn)換器顯示器放大器補(bǔ)償短路器微波信號(hào)源上終端器被測(cè)物下終端器環(huán)行器B環(huán)行器AC下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用

50、 微波溫度傳感器 圖3.128 微波溫度傳感器原理框圖TiCTcBPFLNAMLOIFA下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波定位傳感器C圖3.129 微波定位傳感器物 料TDMS下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微波多普勒傳感器微波多普勒傳感器 利用多普勒效應(yīng)可以探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度、利用多普勒效應(yīng)可以探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度、方向與方位。多普勒頻移為方向與方位。多普勒頻移為 微波多普勒傳感器的應(yīng)用非常廣泛，例如可微波多普勒傳感器的應(yīng)用非常廣泛，例如可將多普勒測(cè)速儀用于交通管制的車輛測(cè)速雷將多普勒測(cè)速儀用于交通管制的車輛測(cè)速

51、雷達(dá)；水文站用的流速測(cè)定儀；海洋氣象站用達(dá)；水文站用的流速測(cè)定儀；海洋氣象站用以測(cè)定海浪與熱帶風(fēng)暴；火車進(jìn)站速度監(jiān)控以測(cè)定海浪與熱帶風(fēng)暴；火車進(jìn)站速度監(jiān)控等。等。cos2df下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.14 智能式傳感器智能式傳感器 3.14.1 概述概述 3.14.2 壓阻式壓力傳感器智能化壓阻式壓力傳感器智能化 3.14.3 智能傳感器智能傳感器 3.14.4 智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu) 3.14.5 智能傳感器的發(fā)展方向和途徑智能傳感器的發(fā)展方向和途徑下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.14.1 概述概述 （1）智能式傳感器的概念與形式 近年來微處理器技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，它在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用，促

52、使傳感器技術(shù)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。由微處理器和傳感器相結(jié)合構(gòu)成的新穎傳感器，即為智能式傳感器（Smart Sensor）。所謂智能式傳感器就是一種以微處理器為核心單元，具有檢測(cè)、判斷和信息處理等功能的傳感器。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.14.1 概述概述 傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件，檢測(cè)物理量的變傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件，檢測(cè)物理量的變化，而智能式傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路（如化，而智能式傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路（如濾波、放大、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及自校自檢自補(bǔ)償?shù)裙δ?。從結(jié)構(gòu)上看，以及自校自檢自補(bǔ)償?shù)裙δ?。從結(jié)構(gòu)上看， 框圖?？驁D。 智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器為核心的計(jì)智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，圖算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，圖3.130為智能式傳感器的原理為智能式傳感器的原理下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.14.1 概述概述 智能式傳感器具有以下顯著