幾種新型傳感器簡(jiǎn)介

1、幾種新型傳感器簡(jiǎn)介9.1.1 光纖結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光原理結(jié)構(gòu): 圖9-1 光纖的結(jié)構(gòu)原理:全反射 圖9-2 光在光纖中反射過程示意圖9.1.2光纖的主要特性參數(shù)1數(shù)值孔徑NA 光線在光纖中全反射的入射角的大小稱為光導(dǎo)纖維的孔徑角，孔徑角的正弦與入射光線所在媒質(zhì)的折射率的乘積稱為數(shù)值孔徑NA。 數(shù)值孔徑是表示光導(dǎo)纖維集光能力的一個(gè)參數(shù)，數(shù)值孔徑越大表示光導(dǎo)纖維接收的光通量越多，這有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑越大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重，所以要適當(dāng)選擇。2光纖模式 光纖模式簡(jiǎn)單地說就是光波沿著光纖傳播的途徑和方式。不同入射角度的光線，在界面上反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布叫模

2、式。光纖傳播中的很多模式，對(duì)信息的傳播是不利的，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播就會(huì)使這一光信號(hào)分為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此，希望光纖模式數(shù)量越少越好。 3傳輸損耗 由于光纖纖芯材料的吸收、散射、光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光信號(hào)在光纖中的傳播不可避免地要有損耗，光纖的傳輸損耗A可用下式表示 A=l=10 式中 I 光纖的長(zhǎng)度 光纖單位長(zhǎng)度上的損耗 I0光纖入射端的光強(qiáng) I光纖輸出端的光強(qiáng)IILg09.1.3 光纖傳感器的類型 光纖傳感器按其作用方式一般分為兩種類型：一類是物性型（或稱為功能型）光纖傳感器，另一類是結(jié)構(gòu)型（或稱為非功能型）光纖傳感器。 在物

3、性型光纖傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時(shí)又是敏感元件，即是利用被測(cè)物理量直接或間接對(duì)光纖傳送光的光強(qiáng)（振幅）、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等進(jìn)行調(diào)制而構(gòu)成的一類傳感器。物性型光纖傳感器的光纖本身就是敏感元件，因此，加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度可以得到很高的靈敏度，尤其是利用干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。但制造這類傳感器的技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是作為傳光元件。一般是在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料及敏感元件來(lái)感受被測(cè)物理量的變化，從而使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。這里光纖只作為光的傳輸回路，所以要使這種光纖得

4、到足夠大的受光量和傳輸?shù)墓夤β剩瑒t必須采用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖。結(jié)構(gòu)型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，但靈敏度、測(cè)量精度低于物性型光纖傳感器。 9.1.4光纖傳感器及其應(yīng)用 光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據(jù)光纖傳感器的用途和光纖的類型，對(duì)光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。常用的光源有激光二極管和發(fā)光二極管等。激光二極管具有亮度高，易調(diào)制，尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。而發(fā)光二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和溫度對(duì)發(fā)射功率影響小等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，還有采用白熾燈等作為光源的。 1光纖光電式傳感器測(cè)量位移圖9-3光纖傳感器測(cè)位移原理圖 圖9-4光纖位移傳感器的位移輸出特性2光纖傳感器測(cè)量溫度圖 9-6

5、半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測(cè)溫原理圖9.2.1光柵測(cè)量的基本原理 9-7 光柵放大示意圖 圖9-8 莫爾條紋的形成莫爾條紋具有下列重要特點(diǎn)：（1）莫爾條紋的移動(dòng)與光柵的移動(dòng)成對(duì)應(yīng)關(guān)系。 在兩光柵夾角一定的情況下，當(dāng)一塊光柵不動(dòng)，另一塊光柵沿x軸方向移動(dòng)時(shí)莫爾條紋沿著近似垂直于光柵運(yùn)動(dòng)方向（近似沿y軸方向）運(yùn)動(dòng)。如果光柵移動(dòng)一個(gè)柵距d，莫爾條紋對(duì)應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋間距w。并且，當(dāng)主光柵沿x軸正方向（向右）移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將向上（y軸正方向）移動(dòng)，當(dāng)主光柵沿x軸負(fù)方向（向左）移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將向下（y軸負(fù)方向）移動(dòng)。這種嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不僅可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量來(lái)判斷光柵尺的位移量，同時(shí)還可以根據(jù)

6、莫爾條紋的移動(dòng)方向來(lái)判斷光柵尺的位移方向。（2）莫爾條紋具有位移的放大作用 K= （3）莫爾條紋具有平均誤差的效應(yīng)。 莫爾條紋是由大量的柵線構(gòu)成的，這對(duì)柵線寬度和柵距的刻線誤差、柵線的斷裂及其他疵病有平均作用，從而起到了減小光柵柵距局部誤差的作用。9.2.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器有透射式和反射式兩種，他們由光源、主光柵、指示光柵和光電元件等幾部分構(gòu)成。透射式光柵傳感器結(jié)構(gòu)如圖9-9所示，反射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9-10所示。圖9-9 透射式光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖9-10 反射式傳感器結(jié)構(gòu)圖9.2.3光柵傳感器的辨向原理與細(xì)分技術(shù)1辨向原理 如果將兩個(gè)光電接收元件在莫爾條紋上按相隔1/4

7、條紋間距放置，如圖9-12所示。那么兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電元件1和2輸出信號(hào) u1和u2的波形如圖9-13（a）所示。u1和u2可以看成一個(gè)直流分量上疊加一個(gè)交流分量，消除直流分量后，兩個(gè)信號(hào)的相位差為90的交流分量即可作為兩個(gè)辨向信號(hào)，如圖9-13（b）、（c）中的u1和u2所示。由圖9-12看出，當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)，則兩個(gè)光電元件輸出的辨向信號(hào)u1超前u2的相位90，如圖9-13（b）所示。當(dāng)主光柵向右移動(dòng)時(shí)，辨向信號(hào)u2超前u1相位90，如圖9-13（c）所示。將上述兩個(gè)辨向信號(hào)送入辨向電路，即可辨別哪個(gè)信號(hào)超前，哪個(gè)信號(hào)滯后，這樣，即可區(qū)分主光柵（標(biāo)尺光柵）的運(yùn)動(dòng)方向

8、。圖9-11 光柵位移與光強(qiáng)關(guān)系 圖9-12光電接收元件位置 圖9-13 辨向信號(hào)波形圖 2細(xì)分技術(shù) 常采用的倍頻細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分（也稱直接細(xì)分或位置細(xì)分）、電阻鏈細(xì)分、鑒相法細(xì)分、鎖相法細(xì)分等幾種。 四倍頻細(xì)分就是用四個(gè)光電元件依次相距1/4莫爾條紋間距放置，獲得依次相位差為90的四個(gè)正弦波信號(hào)。用電子線路中的鑒零器，分別鑒取四個(gè)信號(hào)的零電平，即每個(gè)信號(hào)由負(fù)到過零時(shí)發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，使得在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生四個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四倍頻細(xì)分。四倍頻細(xì)分也可以用兩個(gè)相距1/4莫爾條紋間距的光電元件獲得相位差依次為90的四個(gè)正弦信號(hào)。實(shí)際上用辨向原理中的兩個(gè)相位差為90的辨別信號(hào)，

9、加上將它們倒相后的兩個(gè)信號(hào)就可獲得這四個(gè)信號(hào)。9.2.4 光柵傳感器的應(yīng)用 光柵傳感器具有測(cè)量精度高（可達(dá)1m）、測(cè)量范圍大（不接長(zhǎng)可達(dá)1m）、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了快速發(fā)展和推廣應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)設(shè)計(jì)和制造了很多新型光柵傳感器。光柵傳感器已在精密數(shù)控機(jī)床和儀器中作為定位、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)轉(zhuǎn)角、測(cè)速、測(cè)振幅的檢測(cè)元件，而且應(yīng)用日趨廣泛。 （a）JI型 光柵傳感器 (b) SX041型數(shù)顯表外形 圖9-14 JI型光柵傳感器及SX041型數(shù)字顯示表圖9-15 光柵檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖1生物傳感器的定義 用生物功能物質(zhì)（固定化的生物體成分：如酶、抗原、抗體、激素等，或生物體本身：細(xì)胞、細(xì)胞體、動(dòng)植

10、物組織）作為敏感元件的傳感器，稱為分子生物傳感器，簡(jiǎn)稱生物傳感器（Biosensor）。2生物傳感器的基本結(jié)構(gòu) 圖9-16 生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)3生物傳感器的分類大致分為以下幾種：（1）基于構(gòu)成傳感器的生物活性材料的分類方法，如酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細(xì)胞傳感器。（2）著眼于測(cè)量對(duì)象物質(zhì)的分類方法，如葡萄糖傳感器、膽甾醇傳感器。（3）基于信號(hào)變換原理的分類方法，如光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器等。9.3.2 生物傳感器的工作原理 生物傳感器的原理圖如圖9-17所示。它主要由兩大部分構(gòu)成，一是生物功能物質(zhì)的分子識(shí)別部分；二是變換部分。圖9-17 生物傳感器

11、原理圖9.3.3 生物傳感器的應(yīng)用 目前已經(jīng)問世或正在研究的生物傳感器大致有這樣幾類：酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、免疫傳感器、有機(jī)物傳感器、生物電子學(xué)傳感器等。下面主要介紹酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用。1酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu) 圖9-19 酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)2酶?jìng)鞲衅鞯姆诸惷競(jìng)鞲衅靼凑账鶞y(cè)電極參數(shù)的不同，一般可分為電位型和電流型兩大類。3酶?jìng)鞲衅鞯膽?yīng)用（1）葡萄糖傳感器 在葡萄糖氧化酶（GOD）膜的作用下，葡萄糖發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗氧而生成葡萄糖酸內(nèi)脂和過氧化氫。被消耗的氧或生成的過氧化氫可以用上述的電極檢測(cè)到。 （2）尿素傳感器 尿素傳感器是酶?jìng)鞲衅髦斜容^成熟的一種。 在醫(yī)學(xué)臨床檢查中，定量分析患者的血清和體液中的尿

12、素對(duì)于腎功能的診斷是很重要的。對(duì)慢性腎衰竭的患者進(jìn)行人工透析，在確定人工透析次數(shù)和透析時(shí)間時(shí)，尿素的定量分析也是比不可少的。 （3）酶熱敏電阻傳感器 酶熱敏電阻傳感器是由固定化生物體物質(zhì)和熱敏電阻構(gòu)成的。由于它們的幾何配置不同，分為密接型和反應(yīng)器型兩大類。密接型是把生物體物質(zhì)直接固定化在熱敏電阻上，或?qū)⒐潭ɑ镔|(zhì)膜裝在熱敏電阻上；反應(yīng)器型可分為柱式型和管式型兩種，而柱式型又可分為熱敏電阻埋入型和熱敏電阻與柱分開的分離型；管式型是在毛細(xì)管內(nèi)壁上固定化生物體物質(zhì)，但能在毛細(xì)管內(nèi)壁固定化的生物體物質(zhì)比較少，管式型酶熱敏電阻傳感器具有壓耗小，不易受非特異性吸附物影響的特點(diǎn)，但易受液體速度的影響。因此，

13、管式型酶熱敏電阻傳感器適合作含有大量懸浮粒子的培養(yǎng)液的分析。這類生物傳感器的測(cè)量原理是：由于大多數(shù)酶反應(yīng)是放熱性的，采用識(shí)別元件的催化作用或因構(gòu)造和物性的變化，將引起熱焓變化（通常熱焓的變化范圍在5100kJ/mol），因此反應(yīng)中產(chǎn)生的總熱量與克分子的熱焓成正比。借助于熱敏電阻可將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這樣熱敏電阻檢測(cè)出的溫度變化與反應(yīng)混合物中熱焓的總變化是有關(guān)系的。（4）生物組織電極傳感器 這類傳感器主要利用生物組織中的酶與被分析物產(chǎn)生復(fù)雜的系列反應(yīng)，使氨基酸和其他重要的生物分子產(chǎn)生響應(yīng)。如用得蕉漿測(cè)多巴胺，用玉米測(cè)丙酮酸，用黃瓜葉測(cè)半光氨酸，用甜菜測(cè)酷氨酸，用兔肝測(cè)鳥嘌呤，用兔肌肉粉測(cè)一磷酸

14、腺苷等。這類傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是原料易取得，靈敏度也很高，但生物組織的成分很復(fù)雜，可能有負(fù)反應(yīng)干擾以及反應(yīng)慢、不易保存和使用壽命短等缺點(diǎn)。 超聲波傳感器是利用超聲波的一些物理性質(zhì)，把非電量（如位移、速度的等）轉(zhuǎn)換成聲學(xué)參數(shù)（如聲速、聲阻抗、聲衰減等），而這些聲學(xué)參數(shù)又利用某些傳感元件（如壓電元件）轉(zhuǎn)換成為電參數(shù)，因此超聲波傳感器檢測(cè)技術(shù)也是一種非電量檢測(cè)技術(shù)。 9.5.1 CCD的工作原理 電荷耦合器件CCD是一種MOS晶體管的器件，它是利用內(nèi)光電效應(yīng)原理由單個(gè)光敏元構(gòu)成的光傳感器的集成化器件。它集電荷存儲(chǔ)、移位和輸出為一體，應(yīng)用于成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)處理等電路中。其中，作為固體成像器件最有意義，由于其像素的大小及排列固定，很少出現(xiàn)圖像失真，使人們長(zhǎng)期以來(lái)追求的固體自掃描攝像成為現(xiàn)實(shí)。它比傳統(tǒng)的攝像儀體積小，重量輕、工作電壓低（小于20V）、可靠性高、動(dòng)態(tài)范圍大且不需強(qiáng)光照射等。其光波范圍從紫外光區(qū)、可見光區(qū)發(fā)展到紅外光區(qū)。從用于一維（線性）和二維（平面）圖像信息處理發(fā)展到三維（立體）圖像信息處理。1工作原理（a）MOS光敏元結(jié)構(gòu) (b)光生電子 圖9-26 CCD單元結(jié)構(gòu) 2CCD的電荷轉(zhuǎn)移圖9-27 CCD原理示意圖圖9-28 電荷轉(zhuǎn)移過程3CCD的輸入輸出結(jié)構(gòu)4CCD的特性參數(shù)（2）工作頻率 由于CCD