第4章 信號檢測

1、物理量物理量傳感器傳感器 直接作用于被測量、并按一定規(guī)律將所獲取的信息直接作用于被測量、并按一定規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置 GB7665-2005定義：定義： 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置換成可用輸出信號的器件或裝置 電量電量第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸傳感器包含內(nèi)容：傳感器包含內(nèi)容： 1.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； 2.輸入量是某一被測量，可能是物理量、化學(xué)量、輸入量是某一被測量，可能是物理量、化學(xué)量、生物量生物量； 3.輸出

2、量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理，主要是電量；主要是電量； 4.輸入與輸出有對應(yīng)關(guān)系，且有一定精確度。輸入與輸出有對應(yīng)關(guān)系，且有一定精確度。第四章第四章 信息檢測信息檢測1. 傳感器構(gòu)成傳感器構(gòu)成 傳感器組成：傳感器組成：敏感器件與轉(zhuǎn)換元件敏感器件與轉(zhuǎn)換元件 敏感器件直接感受被測物理量；轉(zhuǎn)換元件對信號進(jìn)行敏感器件直接感受被測物理量；轉(zhuǎn)換元件對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。轉(zhuǎn)換輸出。dV第四章第四章 信息檢測信息檢測2. 傳感器分類傳感器分類(1)按被測物理量分類按被測物理量分類 位移位移,力力,溫度溫度(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)分類 機(jī)械式機(jī)械式

3、,電氣式電氣式,光學(xué)式光學(xué)式,流體式流體式(3)按信號變換特征按信號變換特征 物性型物性型,結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型(4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型(發(fā)電型發(fā)電型)和能量控制型和能量控制型(參量型參量型)第四章第四章 信息檢測信息檢測3. 常見被測物理量常見被測物理量機(jī)械量：機(jī)械量：長度長度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), 質(zhì)量質(zhì)量,重量重量,力力,壓力壓力,真空度真空度,力矩力矩,風(fēng)速風(fēng)速,流速流速, 流量流量聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場溫度溫度: : 溫度溫度,

4、 ,熱量熱量, ,比熱比熱光：光：亮度亮度, ,色彩色彩第四章第四章 信息檢測信息檢測4. 選擇使用傳感器選擇使用傳感器注意問題注意問題1.1.靈敏度靈敏度2. 線性線性3. 動態(tài)響應(yīng)特性動態(tài)響應(yīng)特性4. 精度精度5. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性6. 測量方式測量方式7. 其他其他第四章第四章 信息檢測信息檢測橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量原原 理理 橋中設(shè)置一障礙物，利用汽車過橋中設(shè)置一障礙物，利用汽車過礙礙時的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，通礙礙時的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。橋梁固有頻率。一、電阻式傳感器一、電阻式傳感器第四章第四章 信息檢測

5、信息檢測電子稱電子稱原原 理理 重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化構(gòu)變形，通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。為電量輸出。第四章第四章 信息檢測信息檢測點點 名名 系系 統(tǒng)統(tǒng) 1.檢測示意圖檢測示意圖 2.工作原理工作原理 在每張椅子坐墊下面放一個應(yīng)變片，當(dāng)坐下時達(dá)到一定在每張椅子坐墊下面放一個應(yīng)變片，當(dāng)坐下時達(dá)到一定的壓力的壓力(25kg以上以上)應(yīng)變片就能感到應(yīng)變的變化，給顯示儀應(yīng)變片就能感到應(yīng)變的變化，給顯示儀發(fā)信號，做計錄。每張椅子都一樣，只要椅子受到一定的發(fā)信號，做計錄。每張椅子都一樣，只要椅子受到一定的壓力應(yīng)變片就會有信號。經(jīng)過處理把信號累加，用數(shù)字顯壓力應(yīng)變片就

6、會有信號。經(jīng)過處理把信號累加，用數(shù)字顯示出來，即可知道現(xiàn)場的人數(shù)。示出來，即可知道現(xiàn)場的人數(shù)。 第四章第四章 信息檢測信息檢測二、電容式傳感器二、電容式傳感器工作原理工作原理 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化。將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化。d極板距離極板距離,m。r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，空氣極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，空氣 =1；0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù), 8.8510-12F/m；A極板相互遮蓋的面積極板相互遮蓋的面積,m2；dArC0兩平行極板組成電容器兩平行極板組成電容器+dAdA 邊緣電場邊緣電場第四章第四章 信息檢測信息檢測 分類分類 1.變極距型變極距型+3.介質(zhì)變化型介質(zhì)

7、變化型+2.面積變化型：面積變化型：角位移型角位移型,平面線位移型平面線位移型,柱面線位移型柱面線位移型+dArC0第四章第四章 信息檢測信息檢測電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用電容傳聲器電容傳聲器 第四章第四章 信息檢測信息檢測應(yīng)用四：應(yīng)用四：液位傳感器液位傳感器RwR3R4xC0Cx Rw為調(diào)整電橋平衡的電位器，其電刷為調(diào)整電橋平衡的電位器，其電刷與指針同軸連接。與指針同軸連接。1)油箱無油，電容傳感器初始電容油箱無油，電容傳感器初始電容Cx=C0，Rw=0，指針，指針指零；指零；2)液位至液位至x，Cx=C0+C， C與與x成正比，設(shè)成正比，設(shè)C=k1x,電電橋輸出經(jīng)放大驅(qū)動伺服電動機(jī)、

8、減速帶動指針偏轉(zhuǎn)橋輸出經(jīng)放大驅(qū)動伺服電動機(jī)、減速帶動指針偏轉(zhuǎn),指指示油量；示油量；第四章第四章 信息檢測信息檢測RwR3R4xC0Cx 3)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Rw，使電橋恢復(fù)平衡。在新平衡位置上有，使電橋恢復(fù)平衡。在新平衡位置上有3400RRRCCCw 整理得整理得xkCRCCRRw10303因指針與因指針與Rw電刷同軸連接，設(shè)電刷同軸連接，設(shè) =k2 Rw，則，則xCRkkRkw03212第四章第四章 信息檢測信息檢測電容式位移傳感器電容式位移傳感器差動式電容壓力傳感器差動式電容壓力傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測 基于電磁感應(yīng)原理基于電磁感應(yīng)原理 把被測非電量轉(zhuǎn)化為電感量變化的結(jié)構(gòu)型傳感器。把被

9、測非電量轉(zhuǎn)化為電感量變化的結(jié)構(gòu)型傳感器。分類分類電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型三、電感式傳感器三、電感式傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測1.自感型自感型可變磁阻式可變磁阻式 變氣隙型、變面積型、可動鐵心型變氣隙型、變面積型、可動鐵心型(螺管型螺管型) 1)變氣隙型變氣隙型 鐵心、銜鐵材料和結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)一定，保持鐵心、銜鐵材料和結(jié)構(gòu)、線圈匝數(shù)一定，保持A不不變，變，L為為 的單值函數(shù)的單值函數(shù)變氣隙型傳感器工作原理。變氣隙型傳感器工作原理。第四章第四章 信息檢測信息檢測變面積型傳感器變面積型傳感器 差動式與單線圈電感式傳感器相比，差動式與單

10、線圈電感式傳感器相比，優(yōu)點：優(yōu)點：線性好；靈敏度提高線性好；靈敏度提高1倍；溫度變化、電源波動、外倍；溫度變化、電源波動、外界干擾對傳感器精度的影響能互相抵消而減小。界干擾對傳感器精度的影響能互相抵消而減小。 第四章第四章 信息檢測信息檢測2. 渦流式傳感器渦流式傳感器 通過金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生通過金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化時，就會在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感變化時，就會在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)是閉合的屬導(dǎo)體內(nèi)是閉合的渦流。渦流。 渦流的產(chǎn)生要消耗一部分磁渦流的產(chǎn)生要消耗一部分磁場能，從而使產(chǎn)生磁場的線圈場能，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，渦流傳感器的阻抗

11、發(fā)生變化，渦流傳感器的變換原理就是基于渦流效應(yīng)。變換原理就是基于渦流效應(yīng)。1) 工作原理工作原理第四章第四章 信息檢測信息檢測t渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、導(dǎo)磁率、厚度、厚度以及線圈與金屬的距離以及線圈與金屬的距離電流角頻率電流角頻率固定其中若干參數(shù)，按渦流大小測量出另外某參數(shù)固定其中若干參數(shù)，按渦流大小測量出另外某參數(shù)渦流式傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生的渦流是由于存在趨渦流式傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生的渦流是由于存在趨膚效應(yīng)膚效應(yīng)渦流滲透的深度與傳感器線圈激磁電流的渦流滲透的深度與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)。頻率有關(guān)。渦流式傳感器主要分渦流式傳感器主要分高頻反射式高

12、頻反射式渦流傳感器和渦流傳感器和低頻低頻透射式透射式渦流傳感器。渦流傳感器。高頻反射式渦流傳感器應(yīng)用較為廣泛。高頻反射式渦流傳感器應(yīng)用較為廣泛。、線圈的激磁、線圈的激磁等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。第四章第四章 信息檢測信息檢測高頻反射式渦流傳感器工作原理高頻反射式渦流傳感器工作原理 121.2I.1I線圈靠近金屬導(dǎo)體，線圈中通以高頻交變電流線圈靠近金屬導(dǎo)體，線圈中通以高頻交變電流上產(chǎn)生渦電流上產(chǎn)生渦電流交變電流交變電流的交變磁通的交變磁通時，金屬導(dǎo)體時，金屬導(dǎo)體.1I穿過金屬導(dǎo)體時，穿過金屬導(dǎo)體時，在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流212根據(jù)楞次定律，渦電流產(chǎn)生的磁通根據(jù)楞次定律，渦

13、電流產(chǎn)生的磁通與線圈磁通與線圈磁通方向相反，方向相反，總是抵抗總是抵抗的變化。由于的變化。由于發(fā)生變化，改變了電感大小發(fā)生變化，改變了電感大小的作用結(jié)果，使得線圈阻抗的作用結(jié)果，使得線圈阻抗212根據(jù)楞次定律，渦電流產(chǎn)生的磁通根據(jù)楞次定律，渦電流產(chǎn)生的磁通與線圈磁通與線圈磁通方向相反，方向相反，總是抵抗總是抵抗的變化。由于的變化。由于發(fā)生變化，改變了電感大小。發(fā)生變化，改變了電感大小。的作用結(jié)果，使得線圈阻抗的作用結(jié)果，使得線圈阻抗 12.1I.2I第四章第四章 信息檢測信息檢測2)線圈等效電路線圈等效電路 看作一個變壓器，線圈為原邊，渦流回路為副邊?？醋饕粋€變壓器，線圈為原邊，渦流回路為副邊

14、。R1,L1為為線圈的電阻與電感，線圈的電阻與電感， R2,L2為導(dǎo)體內(nèi)部渦流的電阻與電感，為導(dǎo)體內(nèi)部渦流的電阻與電感，各自的電流為各自的電流為I1和和I2 ，相互間的互感為，相互間的互感為M線圈的阻抗變化與渦流效應(yīng)有關(guān)，也與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)線圈的阻抗變化與渦流效應(yīng)有關(guān)，也與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、幾何形狀、表面狀況、線圈的與金屬導(dǎo)體的電阻率、導(dǎo)磁率、幾何形狀、表面狀況、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流的頻率、線圈到金屬導(dǎo)體的間隙等有關(guān)。幾何參數(shù)、激勵電流的頻率、線圈到金屬導(dǎo)體的間隙等有關(guān)。根據(jù)等效電路列出回路方程根據(jù)等效電路列出回路方程 02222121111ILjIRMIjEMIj

15、ILjIRMR1L1I1I2R2L2第四章第四章 信息檢測信息檢測)()(22222221222222211LLRMLjRLRMREI線圈等效阻抗線圈等效阻抗阻抗的實部加大，虛部減小，品質(zhì)因數(shù)相應(yīng)減小阻抗的實部加大，虛部減小，品質(zhì)因數(shù)相應(yīng)減小實部中第二項是渦流對線圈電阻的影響項實部中第二項是渦流對線圈電阻的影響項渦流反渦流反射電阻射電阻虛部括號中第二項是渦流對線圈電感的影響項虛部括號中第二項是渦流對線圈電感的影響項渦渦流反射電感流反射電感渦流反射電阻和反射電感的作用渦流反射電阻和反射電感的作用線圈等效電感、等效線圈等效電感、等效阻抗、等效品質(zhì)因數(shù)改變阻抗、等效品質(zhì)因數(shù)改變第四章第四章 信息檢測

16、信息檢測2) 測量電路測量電路調(diào)幅電路、調(diào)頻電路調(diào)幅電路、調(diào)頻電路4)應(yīng)用應(yīng)用：位移、力、振動測量，測厚，材質(zhì)判別位移、力、振動測量，測厚，材質(zhì)判別3)優(yōu)點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油污、介質(zhì)影響111222主軸軸向位移測量；閥芯位移測量；熱膨脹系數(shù)測量主軸軸向位移測量；閥芯位移測量；熱膨脹系數(shù)測量應(yīng)用一：位移測量應(yīng)用一：位移測量 第四章第四章 信息檢測信息檢測應(yīng)用二：應(yīng)用二： 測厚測厚12xxd2d11.傳感器與基準(zhǔn)面距離傳感器與基準(zhǔn)面距離固定，測出距離固定，測出距離d，求出，求出 h = x - d 2.差動測量差動測量 兩傳感器距離固定，分別檢測

17、出距離兩傳感器距離固定，分別檢測出距離d1和和d2，求出，求出 h = x (d1 + d2)第四章第四章 信息檢測信息檢測應(yīng)用三：應(yīng)用三： 零件計數(shù)零件計數(shù)應(yīng)用四：轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用四：轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 = 頻率頻率 / 槽數(shù)或齒數(shù)槽數(shù)或齒數(shù)應(yīng)用五：表面粗糙度測量應(yīng)用五：表面粗糙度測量第四章第四章 信息檢測信息檢測四、壓電式傳感器四、壓電式傳感器 變換原理變換原理: 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)+F+ 壓電材料受到外力作用時，幾何尺寸發(fā)生壓電材料受到外力作用時，幾何尺寸發(fā)生變化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又變化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)重新回到原來的狀態(tài)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)第四章

18、第四章 信息檢測信息檢測 如果施加于壓電晶片的外力不變，如果施加于壓電晶片的外力不變，積聚在極板上的電荷又無泄漏積聚在極板上的電荷又無泄漏在外力繼續(xù)作用時，電荷量保持在外力繼續(xù)作用時，電荷量保持不變。不變。 極板上積聚的電荷與力關(guān)系極板上積聚的電荷與力關(guān)系 q=dF 式中，式中，q為電荷量，為電荷量，C；F為作用力，為作用力，N；d為壓電常數(shù)，為壓電常數(shù)，C/N，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。與材質(zhì)及切片方向有關(guān)。 要測得力值要測得力值F，主要是如何測得電荷值。，主要是如何測得電荷值。 利用壓電式傳感器測量利用壓電式傳感器測量(準(zhǔn)準(zhǔn))靜態(tài)量值時，必須采取措施靜態(tài)量值時，必須采取措施使電荷從壓電晶片上經(jīng)

19、測量電路的漏失減小到足夠小程使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，壓電度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，壓電傳感器傳感器適宜動態(tài)測量。適宜動態(tài)測量。 第四章第四章 信息檢測信息檢測U=q/C 電荷電荷 q=q1=q2 q=q1+q2 電壓電壓 U=U1+U2 U=U1=U2 電容電容 C=C1/2=C2/2 C=C1+C2 第四章第四章 信息檢測信息檢測 壓電傳感器可以看作電荷發(fā)生器壓電傳感器可以看作電荷發(fā)生器或電容器?；螂娙萜鳌?. 等效電路等效電路 壓電晶體等效為壓電晶體等效為與電容并聯(lián)的電荷源與電容并聯(lián)的電荷源或或與電容串聯(lián)

20、與電容串聯(lián)的電壓源的電壓源 傳感器輸出電信號微弱，通常把傳感器信號先輸入到傳感器輸出電信號微弱，通常把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換后，用一般高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換后，用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 前置放大器前置放大器作用：作用：將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；放大傳感器輸出的微弱信號。輸出；放大傳感器輸出的微弱信號。 前置放大器前置放大器電路形式：電路形式： 電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓電壓放大器，其輸出

21、電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出即傳感器的輸出)成正比；成正比； 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 (1)電壓放大器電壓放大器第四章第四章 信息檢測信息檢測tdFtQimcosd/dRCjRjFdUi1 寫成復(fù)數(shù)寫成復(fù)數(shù)FdjI 輸入電壓幅值輸入電壓幅值2)(1RCRdFUmi 測量靜態(tài)力測量靜態(tài)力(=0)，輸入電壓，輸入電壓=0不能測量靜態(tài)量不能測量靜態(tài)量第四章第四章 信息檢測信息檢測 傳感器的傳感器的電壓靈敏度電壓靈敏度CdCRdFUSmiV22)/1 ( 電纜長度對傳感器測量精度影響較大。電纜長度對傳感器測量精度影響較大。 解決辦法：解決辦法

22、： 將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。第四章第四章 信息檢測信息檢測(2)電荷放大器電荷放大器 反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為(1+K)Cf。當(dāng)當(dāng)Ri相當(dāng)大時，放大器輸出電壓正比于輸入電荷相當(dāng)大時，放大器輸出電壓正比于輸入電荷)1 (/0ficaCKCCCKQU第四章第四章 信息檢測信息檢測 K1 (1+K)CfCa + Cc + Ci，放大器輸出電壓放大器輸出電壓fCQU/0 當(dāng)當(dāng)(1+K)Cf10(Ca + Cc + Ci)時時，認(rèn)為放大器靈敏度與認(rèn)為放大器靈敏度與電纜電容無關(guān)。電纜電容無關(guān)。 實際

23、電路中，實際電路中，K為為104106數(shù)量級，反饋電容一般不數(shù)量級，反饋電容一般不小于小于100pF。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一大電阻般在反饋電容兩端并聯(lián)一大電阻Rf( 10101014)來提供來提供直流反饋。直流反饋。)1 (/0ficaCKCCCKQU第四章第四章 信息檢測信息檢測3. 應(yīng)用應(yīng)用2) 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 1) 壓力傳感器壓力傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測五、磁電式傳感器五、磁電式傳感器變換原理變換原理 基于電磁感應(yīng)原理，把被測物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢?；陔姶鸥袘?yīng)原理，把被測物理量轉(zhuǎn)換

24、為感應(yīng)電勢。 當(dāng)匝數(shù)為當(dāng)匝數(shù)為W的線圈切割磁力線運動或穿過線圈的的線圈切割磁力線運動或穿過線圈的磁通發(fā)生變化時，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢磁通發(fā)生變化時，感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e),(ddddvRBWemtt 磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān)，改變其中一個參數(shù)，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。其中一個參數(shù)，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 將半導(dǎo)體薄片放入垂直于半導(dǎo)體表面的磁場中，在將半導(dǎo)體薄片放入垂直于半導(dǎo)體表面的磁場中，在半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的(a,b)兩端通以電流，則在半導(dǎo)體兩側(cè)面兩端通以電流，則在半導(dǎo)

25、體兩側(cè)面(c,d)產(chǎn)產(chǎn)生與控制電流和磁場強度乘積呈正比的電勢。生與控制電流和磁場強度乘積呈正比的電勢。 半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象霍爾霍爾效應(yīng)。效應(yīng)。 產(chǎn)生的電動勢產(chǎn)生的電動勢霍爾電勢；霍爾電勢； 半導(dǎo)體薄片半導(dǎo)體薄片霍爾元件。霍爾元件。六、霍爾傳感器六、霍爾傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測七、熱電偶溫度計七、熱電偶溫度計 熱電偶測溫原理熱電偶測溫原理 基于兩種不同材料的基于兩種不同材料的熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)：由兩種不同的導(dǎo)體由兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體或半

26、導(dǎo)體)組成的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體組成的閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體A和和B的兩個結(jié)的兩個結(jié)點處溫度不同時，回路中產(chǎn)生熱電勢。點處溫度不同時，回路中產(chǎn)生熱電勢。 簡單熱電測溫系統(tǒng)簡單熱電測溫系統(tǒng) 第四章第四章 信息檢測信息檢測熱電勢組成熱電勢組成1. 接觸電勢接觸電勢)( teAB)(0teAB2. 溫差電勢溫差電勢),(0tteA),(0tteB3. 總熱電勢總熱電勢),(0tteAB)(teAB)(0teAB),(0tteA),(0tteB第四章第四章 信息檢測信息檢測 溫差電勢與接觸電勢相比小得多，熱電偶測溫中，溫差電勢與接觸電勢相比小得多，熱電偶測溫中，主要是接觸電勢起作用。主要是接觸電勢起作用。

27、),(0tteAB)(teAB)(0teAB(三三)熱電偶基本定律熱電偶基本定律1.均勻回路定律均勻回路定律 問：由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎問：由同一種導(dǎo)體組成的閉合回路能產(chǎn)生熱電勢嗎?),(0tteAB)(teAB)(0teAB),(0tteA),(0tteB第四章第四章 信息檢測信息檢測2. 中間溫度定律中間溫度定律熱電偶熱電偶A、B在接點溫度在接點溫度t，t0時的熱電勢時的熱電勢等于該熱電偶在接點溫度等于該熱電偶在接點溫度t，tn與與tn ，t0時時的熱電勢之和。的熱電勢之和。 如如tn為變值，而測得為變值，而測得eAB(t，tn)后，將后，將eAB(tn，t0)作作修正值

28、，用上式求得修正值，用上式求得eAB(t，t0)值值將熱電偶分度將熱電偶分度表的表的t0取作定值，即取作定值，即t0=0 eAB(t，t0)稱為非標(biāo)準(zhǔn)冷端的補償值。稱為非標(biāo)準(zhǔn)冷端的補償值。),(),(),(00ttettettenABnABAB第四章第四章 信息檢測信息檢測3. 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 回路中加入第三種導(dǎo)體，只要加入的導(dǎo)體兩端溫度回路中加入第三種導(dǎo)體，只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相同，則對回路的熱電勢沒有影響相同，則對回路的熱電勢沒有影響 根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以用開路熱電偶對液態(tài)金屬或金屬開路熱電偶對液態(tài)金屬或金屬壁面測溫。壁面測溫。0)()()(000te

29、teteCACBAB第四章第四章 信息檢測信息檢測4. 參考電極定律參考電極定律(標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律) 熱電偶結(jié)點溫度為熱電偶結(jié)點溫度為t，t0時所產(chǎn)生的熱電勢，等于該時所產(chǎn)生的熱電勢，等于該熱電偶的兩個電極熱電偶的兩個電極A、B分別與參考電極分別與參考電極C(標(biāo)準(zhǔn)電極標(biāo)準(zhǔn)電極)組組成的兩個熱電偶的熱電勢之差。成的兩個熱電偶的熱電勢之差。000( ,)( ,)( ,)ABACCBet tet tet tABCt0tCABttt0t0000( ,)( ,)( ,)ABACBCet tet tet t第四章第四章 信息檢測信息檢測一、光電效應(yīng)及分類一、光電效應(yīng)及分類 光電傳感器通常是指能敏感

30、到由紫外線到紅外線光的光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。 工作原理：工作原理：基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)?；谝恍┪镔|(zhì)的光電效應(yīng)。 由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分：不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。 八、光電式傳感器八、光電式傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線作用下在光線作用下,物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射物質(zhì)

31、內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，一個光子的能量只給一個電根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，一個光子的能量只給一個電子，如果要使一個電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的子，如果要使一個電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，這時逸出表面，這時逸出表面的電子就具有動能的電子就具有動能Ek m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量； v0電子逸出時的初速度；電子逸出時的初速度；h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，h=0.62610-34(Js)； 光的頻率。光的頻率。20012kEmvhA第四章第四章 信息檢測信息檢測 光電子逸出時所具有的初始動能光電子逸出

32、時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。頻率高則動能大。 不同材料具有不同的逸出功，對某種材料而言有一個不同材料具有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為個頻率限稱為“紅限頻率紅限頻率”，波長為，波長為: c為光在空氣中的速度，為光在空氣中的速度， k為波長，為波長， k

33、=c/ 。該波長稱。該波長稱為臨界波長?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射為臨界波長?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。型器件，有光電管、光電倍增管等。 20012kEmvhA0/khc A第四章第四章 信息檢測信息檢測光電倍增管光電倍增管工作原理圖工作原理圖 K為光電陰極為光電陰極，A為光電陽極，在二者之間加入為光電陽極，在二者之間加入D1、D2、D3等若干個光電倍增極等若干個光電倍增極(又稱二次發(fā)射極又稱二次發(fā)射極)。 工作時，倍增極的電位逐級增高。當(dāng)光線照射到光電陰工作時，倍增極的電位逐級增高。當(dāng)光線照射到光電陰極后，產(chǎn)生的光電子受第一級倍增極極后，產(chǎn)

34、生的光電子受第一級倍增極D1正電位作用，加速正電位作用，加速并打在該倍增極上并打在該倍增極上,產(chǎn)生二次發(fā)射；由第一倍增極產(chǎn)生二次發(fā)射；由第一倍增極D1產(chǎn)生產(chǎn)生的二次發(fā)射電子的二次發(fā)射電子,在更高電位的在更高電位的D2極作用下，又加速入射極作用下，又加速入射到電極到電極D2上，在上，在D2極上又產(chǎn)生二次發(fā)射極上又產(chǎn)生二次發(fā)射。逐級前進(jìn)，。逐級前進(jìn)，一直到達(dá)陽極一直到達(dá)陽極A為止。為止。 光電流逐級遞增光電流逐級遞增光電倍增管靈敏度很高。光電倍增管靈敏度很高。 第四章第四章 信息檢測信息檢測2. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 受光照物體受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)電導(dǎo)率

35、發(fā)生變化或產(chǎn)生光電勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。生光電勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)按工作原理分：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效內(nèi)光電效應(yīng)按工作原理分：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)應(yīng) 1)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對空穴對,使其導(dǎo)電使其導(dǎo)電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。生變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型)和和反向工作的光敏二極管、光敏三極管反向工作的光敏二極管、光敏三

36、極管(光電導(dǎo)結(jié)型光電導(dǎo)結(jié)型)。 第四章第四章 信息檢測信息檢測光敏電阻光敏電阻(光導(dǎo)管光導(dǎo)管)：屬電阻元件屬電阻元件優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬,機(jī)械強度高，耐沖擊和振動，壽命長等。機(jī)械強度高，耐沖擊和振動，壽命長等。 光敏電阻工作原理：光敏電阻工作原理： 在黑暗環(huán)境下，阻值很高，當(dāng)受到光照并且光輻射在黑暗環(huán)境下，阻值很高，當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時能量足夠大時,光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度的光子激發(fā)，由價帶越過禁帶而躍遷到導(dǎo)帶禁帶寬度的光子激發(fā)，由價帶越過禁帶而躍遷到導(dǎo)帶,使

37、其導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，電阻率變小。使其導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，電阻率變小。 光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘和硒化鎘。光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘和硒化鎘。 第四章第四章 信息檢測信息檢測光敏二極管和光敏三極管：光敏二極管和光敏三極管：光敏管的工作原理與光光敏管的工作原理與光敏電阻相似，差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上。敏電阻相似，差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上。 2)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電勢的結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電勢的效應(yīng)。效應(yīng)。 光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見光

38、作光源的以可見光作光源的光電池光電池是常用的光生伏特型器件，是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光電池常用的材料硒和硅是光電池常用的材料,也可以使用鍺。也可以使用鍺。 二、光電傳感器應(yīng)用二、光電傳感器應(yīng)用 應(yīng)用歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種應(yīng)用歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式?；拘问健?第四章第四章 信息檢測信息檢測直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器 組成：組成：開孔圓盤、光源、開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等光敏元件及縫隙板等 開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件

39、通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出。所接收，將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出。 開孔圓盤有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元開孔圓盤有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)件輸出的電脈沖數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)通過測量光敏通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，被測轉(zhuǎn)速元件輸出的脈沖頻率，被測轉(zhuǎn)速n = f / N 。第四章第四章 信息檢測信息檢測 九、聲發(fā)射檢測傳感器九、聲發(fā)射檢測傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射

40、(應(yīng)力波發(fā)應(yīng)力波發(fā)射射)。 各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金屬到超聲頻，但多數(shù)金屬(如鋼、鐵如鋼、鐵)的聲發(fā)射頻帶，均的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。在超聲范圍內(nèi)。 聲發(fā)射源分組：聲發(fā)射源分組： 1)位錯運動；位錯運動；2)相變；相變；3)摩擦過程；摩擦過程；4)裂紋形成和擴(kuò)裂紋形成和擴(kuò)展。展。 發(fā)射出來的發(fā)射出來的信號分類：信號分類： 1)連續(xù)發(fā)射連續(xù)發(fā)射(類似白噪聲類似白噪聲)；2)突發(fā)發(fā)射。突發(fā)發(fā)射。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 由于結(jié)構(gòu)和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信號像衰由于結(jié)構(gòu)和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信號

41、像衰減的正弦波。減的正弦波。 常用的聲發(fā)射儀器常用的聲發(fā)射儀器分類：分類： 單通道檢測儀、多通道聲發(fā)射源定位和分析儀。單通道檢測儀、多通道聲發(fā)射源定位和分析儀。 第四章第四章 信息檢測信息檢測單通道聲發(fā)射檢測儀基本構(gòu)成單通道聲發(fā)射檢測儀基本構(gòu)成 探頭接收聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為電信號。探頭接收聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為電信號。為提高信噪比，前置放大器輸入端噪為提高信噪比，前置放大器輸入端噪聲電平應(yīng)不超過聲電平應(yīng)不超過5V，增益，增益4060dB。濾波器頻帶寬度視要求而定。主放大濾波器頻帶寬度視要求而定。主放大器的增益一般應(yīng)為器的增益一般應(yīng)為60dB左右，并有足左右，并有足夠的動態(tài)范圍和頻帶寬度。鑒幅整形夠的動態(tài)

42、范圍和頻帶寬度。鑒幅整形可設(shè)置固定或可變的閾值電平門限，可設(shè)置固定或可變的閾值電平門限，超過此值的信號形成振鈴脈沖或事件超過此值的信號形成振鈴脈沖或事件脈沖。聲發(fā)射計和總計數(shù)電路對振鈴脈沖。聲發(fā)射計和總計數(shù)電路對振鈴脈沖或事件脈沖進(jìn)行計數(shù)。脈沖或事件脈沖進(jìn)行計數(shù)。 除數(shù)字顯示外，還可模擬量輸出供除數(shù)字顯示外，還可模擬量輸出供X-Y函數(shù)記錄儀記錄，還可采用通用函數(shù)記錄儀記錄，還可采用通用設(shè)備組成聲發(fā)射測量與分析系統(tǒng)。設(shè)備組成聲發(fā)射測量與分析系統(tǒng)。 第四章第四章 信息檢測信息檢測第四章第四章 信息檢測信息檢測 多通道聲發(fā)射檢測儀最少通道數(shù)不少于多通道聲發(fā)射檢測儀最少通道數(shù)不少于2，目前有雙，目前有

43、雙通道、通道、3通道通道乃至乃至72通道聲發(fā)射檢測儀器或系統(tǒng)，均通道聲發(fā)射檢測儀器或系統(tǒng)，均采用功能組件組合方式，根據(jù)不同的需要組成不同功采用功能組件組合方式，根據(jù)不同的需要組成不同功能的系統(tǒng)。能的系統(tǒng)。 例如：美國例如：美國Dunegan/Endevco公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的3000，6000，8000及及1032系統(tǒng)；系統(tǒng)； 美國聲發(fā)射技術(shù)公司生產(chǎn)的美國聲發(fā)射技術(shù)公司生產(chǎn)的AET5000組件系統(tǒng)；組件系統(tǒng)； 日本日本NF回路株式會社生產(chǎn)的回路株式會社生產(chǎn)的NFAE9000組件系統(tǒng)；組件系統(tǒng)； 日本新日鐵公司生產(chǎn)的日本新日鐵公司生產(chǎn)的NAIS、M和和A三種組件系統(tǒng)三種組件系統(tǒng)等。等。 第四章第

44、四章 信息檢測信息檢測十、光纖傳感器十、光纖傳感器 光纖自光纖自20世紀(jì)世紀(jì)60年代問世以來，在傳遞圖像和檢測技術(shù)年代問世以來，在傳遞圖像和檢測技術(shù)等方面得到應(yīng)用。等方面得到應(yīng)用。 利用光導(dǎo)纖維作為傳感器的研究始于利用光導(dǎo)纖維作為傳感器的研究始于20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期。年代中期。由于光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可由于光纖傳感器具有不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可實現(xiàn)非接觸測，具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、實現(xiàn)非接觸測，具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等優(yōu)點。適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡便等優(yōu)點。在電量在電

45、量(電流、電壓、磁場電流、電壓、磁場)測量、非電量測量、非電量(位移、溫度、壓位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等力、速度、加速度、液位、流量等)測量方面，取得驚人測量方面，取得驚人進(jìn)展。進(jìn)展。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 光纖傳感器光纖傳感器組成：組成： 信號轉(zhuǎn)換、信號傳輸、信號接收與處理。信號轉(zhuǎn)換、信號傳輸、信號接收與處理。 信號轉(zhuǎn)換：將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?。信號轉(zhuǎn)換：將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘枴?信號傳輸：利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號進(jìn)信號傳輸：利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號進(jìn)行傳輸。行傳輸。 信號接收與處理：將來自光導(dǎo)纖維的信號送入測量信號接收與處

46、理：將來自光導(dǎo)纖維的信號送入測量電路，由測量電路進(jìn)行處理并輸出。電路，由測量電路進(jìn)行處理并輸出。 光纖傳感器光纖傳感器分類：分類： 物性型物性型(功能型功能型)與結(jié)構(gòu)型與結(jié)構(gòu)型 (非功能型非功能型) 。第四章第四章 信息檢測信息檢測1. 物性型光纖傳感器物性型光纖傳感器 利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。為調(diào)制的光信號。 工作原理：工作原理：基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素環(huán)境因素(如溫度、壓力、電場、磁場等如溫度、壓力、電場、磁場等)改變時，其傳改變時，其傳光特性光特性 (如相位

47、與光強如相位與光強)會發(fā)生變化的現(xiàn)象。會發(fā)生變化的現(xiàn)象。 如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化知道被測物理量的變化敏感元件型或功能型光纖敏感元件型或功能型光纖傳感器傳感器 第四章第四章 信息檢測信息檢測施加均衡壓力和點壓力的光纖壓力傳感器形式施加均衡壓力和點壓力的光纖壓力傳感器形式 圖圖a為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起為光纖在均衡壓力作用下，由于光彈性效應(yīng)而引起光纖折射率、形狀和尺寸變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的光纖折射率、形狀和尺寸變化，從而導(dǎo)致光纖傳播光的相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn)；相位變化和偏振面旋轉(zhuǎn)； 圖圖b為

48、光纖在點壓力作用下，引起光纖局部變形，使光為光纖在點壓力作用下，引起光纖局部變形，使光纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，纖由于折射率不連續(xù)變化導(dǎo)致傳播光散亂而增加損耗，從而引起光振幅變化。從而引起光振幅變化。 第四章第四章 信息檢測信息檢測光纖流速傳感器光纖流速傳感器 組成：組成：多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路 工作原理：工作原理：多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體多模光纖插入順流而置的銅管中，由于流體流動而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式流動而使光纖發(fā)生機(jī)械變形，從而使光纖中傳播的各模式光的相位發(fā)生變化，光纖

49、的發(fā)射光強出現(xiàn)強弱變化，其振光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強出現(xiàn)強弱變化，其振幅的變化與流速成正比。幅的變化與流速成正比。 第四章第四章 信息檢測信息檢測2. 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器結(jié)構(gòu)型光纖傳感器 由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)。 光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)傳光型或非功能型光傳光型或非功能型光纖傳感器。纖傳感器。 激光多普勒效應(yīng)速度傳感器測試系統(tǒng)激光多普勒效應(yīng)速度傳感器測試系統(tǒng) 第四章第四章 信息檢測信息檢測 多普勒效應(yīng)：多普勒效應(yīng)： 當(dāng)波源相對于介質(zhì)運動時，波源的頻率與介質(zhì)中的波當(dāng)波源相對于介質(zhì)運動時，

50、波源的頻率與介質(zhì)中的波動頻率不相同。同樣，介質(zhì)中的頻率與一個相對于介質(zhì)動頻率不相同。同樣，介質(zhì)中的頻率與一個相對于介質(zhì)運動的接收器所記錄的頻率也不相同，這兩種情況都稱運動的接收器所記錄的頻率也不相同，這兩種情況都稱為多普勒效應(yīng)，所產(chǎn)生的頻率差稱為多普勒頻率。為多普勒效應(yīng)，所產(chǎn)生的頻率差稱為多普勒頻率。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 工作原理：工作原理： 激光光源激光光源(氫氫-氦激光氦激光)發(fā)出的光發(fā)出的光(頻率為頻率為fi)導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，導(dǎo)入光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向振動物體，由于振動物體 (被測體被測體)振動，產(chǎn)生散射振動

51、，產(chǎn)生散射(頻率為頻率為fs)，被測物體的運動速度與，被測物體的運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為多普勒頻率之間的關(guān)系為 n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率；為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率； 為入射光在空氣中的波長；為入射光在空氣中的波長；v為被為被測物體的運動速度。多普勒頻率測物體的運動速度。多普勒頻率f與被測物體運動速度與被測物體運動速度v成比例，成比例，從頻率分檢器中測得從頻率分檢器中測得f 后，即可得到物體的運動速度。后，即可得到物體的運動速度。 第四章第四章 信息檢測信息檢測1)光纖流速傳感器光纖流速傳感器3.光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感器應(yīng)用 7)棱鏡式全內(nèi)反射型傳感器棱鏡式全內(nèi)反射型傳感器2)記數(shù)裝置記數(shù)

52、裝置3)液位控制裝置液位控制裝置4)光纖位移傳感器光纖位移傳感器5)反射型光纖傳感器反射型光纖傳感器6)受抑全內(nèi)反射型傳感器受抑全內(nèi)反射型傳感器第四章第四章 信息檢測信息檢測十一、十一、CCD圖像傳感器圖像傳感器 1. 工作原理工作原理 電荷耦合器件電荷耦合器件(CCD)分線陣器件和面陣器件兩種，分線陣器件和面陣器件兩種，基本組成是基本組成是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。光敏元列陣和讀出移位寄存器。 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元結(jié)構(gòu)，是在光敏元結(jié)構(gòu)，是在半導(dǎo)體半導(dǎo)體(P型硅型硅)基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物(如二氧化硅如二氧化硅)，在，在氧

53、化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化氧化物物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS）。）。 第四章第四章 信息檢測信息檢測 半導(dǎo)體原理半導(dǎo)體原理知，在金屬電極上施加正電壓時，電極下面知，在金屬電極上施加正電壓時，電極下面的的P型硅區(qū)域里的空穴將被趕盡，從而形成耗盡區(qū)型硅區(qū)域里的空穴將被趕盡，從而形成耗盡區(qū)(對帶負(fù)對帶負(fù)電的電子而言，這個耗盡區(qū)是一個勢能很低的區(qū)域，稱為電的電子而言，這個耗盡區(qū)是一個勢能很低的區(qū)域，稱為“勢阱勢阱”)。如果此時有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，則在。如果此時有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，則在光子作用下，半導(dǎo)體硅片上形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光子作用下，半導(dǎo)體硅片上形成電子和空穴，由此產(chǎn)生的光生電子被附近的勢阱所吸收光生電子被附近的勢阱所吸收(或稱俘獲），而同時產(chǎn)生或稱俘獲），而同時產(chǎn)生的空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。的空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。 勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射