光電耦合器件.ppt

1、3.9.3 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。,下頁,上頁,返回,3.9.3 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相匹配，保證器件具備較高的靈敏度。,下頁,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,光電隔離器主要應(yīng)用與以下幾個方面： 1）將輸入與輸出端兩部分電路的地線分隔

2、開，并各自使用一套電源供電,下頁,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,2）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。,下頁,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,3）提高驅(qū)動能力。采用如達(dá)林頓電路和可控硅 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)輸出信號可以直接驅(qū)動負(fù)載。,下頁,上頁,返回,3.9.3 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)殡娦盘栕兓⒁源藖韺?shí)現(xiàn)控制的一種電子開關(guān)。對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、長壽命、無觸點(diǎn)的開關(guān)。在一些簡單的自動控制場合，因輸入信號往往是開關(guān)信號（高電平或低

3、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)檢測物體的有無。,下頁,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,下頁3.9.3 光電耦合器件,上頁,返回,3.9.3 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,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,下頁,上頁,返回,3.9.3 光電耦合器件,下頁,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,電荷耦合器件(ChargeCoupled Devices，簡稱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

4、CCD傳感器，或稱CCD圖像傳感器。,下頁,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,CCD器件有兩個特點(diǎn)：一是它在半導(dǎo)體硅片上制有成百上千個(甚至數(shù)百萬個)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。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，輸出的幅值與對應(yīng)的光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,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,MOS光敏元結(jié)構(gòu)及其勢阱,下頁,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件

5、（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)是一系列彼此非常靠近的相互獨(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,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,2）讀出移位寄存器,a) 勢阱耦合與電荷轉(zhuǎn)移,b) 控制時鐘波形圖,下頁,上頁,返回,3.9.4 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

6、光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號“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“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,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,在非電量的測量中，CCD傳感器的主要用途大致可歸納為以下三個方面： 1）組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點(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)文字識別技術(shù)(OCR)與圖像識別技術(shù)、光譜測量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等方面。 3）作為自動化流水線裝置中的敏感器件，例

7、如可用于機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動搬運(yùn)車以及自動監(jiān)視裝置等方面。,下頁,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,當(dāng)所用光源含紅外光時，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，可再加一濾光片。 利用幾何光學(xué)知識，可以很容易地推導(dǎo)出被測對象長度L與系統(tǒng)諸參數(shù)之間的關(guān)系：,下頁,上頁,返回,3.9.4 電荷耦合器件（CCD）,下頁,上頁,返回,3.9.5 光電式傳感器,光電式傳感器的工作原理如圖3.84所示。首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電傳感元件變換成電信號。 這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、價廉、靈敏度高和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。在自動化、檢

8、測技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。,下頁,上頁,返回,3.9.5 光電式傳感器,下頁,上頁,返回,3.9.5 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,上頁,返回,3.9.5 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對應(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。這類傳感器要求光電元件靈敏度高，而對元件的光照特性的線性要求不高。在自動計數(shù)、光控開關(guān)、光電編碼器、光電報警裝置及其它光電輸入設(shè)備等應(yīng)用場合有廣泛的使用。,下頁,上頁,返回,3.9.5 光電式傳感器,光電轉(zhuǎn)速測量裝置工作原理示意圖,下頁,上

9、頁,返回,3.10 霍爾式傳感器,3.10.1 霍爾效應(yīng) 3.10.2 霍爾元件 3.10.3 霍爾式傳感器的組成 3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,下頁,上頁,返回,3.10.1 霍爾效應(yīng),把一塊載流子導(dǎo)體置于靜止的磁場中，當(dāng)載流子導(dǎo)體中有電流通過時，在垂直于電流方向和磁場的方向上就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢，此載流子導(dǎo)體稱為霍爾元件或霍爾片。,下頁,上頁,返回,3.10.1 霍爾效應(yīng),一塊長為 ，寬為 ，厚度為h的N型半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體長度方向通以電流I，將其置于的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中（磁場強(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受到洛侖茲力的作

10、用，根據(jù)物理學(xué)知識 （3.80） 式中 電子的電荷量，； 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動速度； 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。,下頁,上頁,返回,3.10.1 霍爾效應(yīng),方向如圖中所示。在力 的作用下，按長度方向運(yùn)動的電子將會向半導(dǎo)體的一側(cè)偏移，形成電子累積，而在另一側(cè)將會累積正電荷，從而又在兩側(cè)之間形成一附加內(nèi)場 ，即霍爾電場。此時霍爾電場 兩端之間的電位差 （霍爾電勢）為,下頁,上頁,返回,3.10.1 霍爾效應(yīng),霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和激勵電流I成正比，與霍爾片厚度長反比，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。,下頁,上頁,返回,3.10.2 霍爾元件

11、,（1）霍爾元件的結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它由霍爾片、引線和殼體三部分構(gòu)成（如圖3.89所示）?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體薄片，在它的四個端面引出四根引線，其中引線1和3為激勵電壓或電流引線，稱為激勵電極。引線2和4為霍爾電勢輸出引線，稱為霍爾電極。,下頁,上頁,返回,3.10.2 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。,下頁,上頁,返回,3.10.2 霍爾元件,下頁,上頁,返回,3.10.2 霍爾元件,1）測量電流I 在一定溫度下，對于一確定的霍爾元件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持恒定時，電流I的變化可引起霍爾電勢

12、相應(yīng)的線性變化。則可通過測量霍爾電勢來測得電流I或者跟電流I有關(guān)的其他物理量。,下頁,上頁,返回,3.10.2 霍爾元件,2）測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B 當(dāng)激勵電流I一定時，霍爾電勢 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量交、支流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度或者跟磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度有關(guān)的其他物理量（如非接觸式測電流）等。,下頁,上頁,返回,3.10.2 霍爾元件,3）功率測量 如果激勵電流為I1，磁感應(yīng)強(qiáng)度B由激勵電流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，故可用來測量功率。,

13、下頁,上頁,返回,3.10.3 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、加在元件上的激勵電源、產(chǎn)生磁場的裝置和輸出測量電路等基本構(gòu)成。,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(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量精度，造成測量誤差。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。測量誤差一般表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差。,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,1）不等位電勢 如圖3.94所示，由制造工藝缺陷造成不等位電勢出現(xiàn)的主要原因有：,下頁,上頁,返回

14、,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,2）寄生直流電勢 當(dāng)霍爾元件通以交流激勵電流而不加外磁場時，霍爾電勢除了交流不等位電壓外，還有直流電勢分量，此直流電勢分量稱為寄生直流電勢。其產(chǎn)生的主要原因有： 激勵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。,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(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，這些參數(shù)值都會發(fā)生變化，根據(jù)式（3.85）、式（3.88）和式（3.89）

15、可知，溫度的變化會引起霍爾電勢的改變，稱為溫度誤差。為了減小溫度誤差，除了采用溫度系數(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,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,1）恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化會引起霍爾元件的輸出電阻發(fā)生變化，在恒壓源供電時，引起激勵電流發(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,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,對于一確定的霍爾元件，可根據(jù) 、 、 來確定補(bǔ)償電阻 的大小。,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,2）恒壓源供電和輸入回路串聯(lián)電

16、阻 當(dāng)霍爾元件采用恒壓源供電時，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。,下頁,上頁,返回,3.10.4 測量誤差補(bǔ)償,下頁,上頁,返回,3.11 光纖傳感器,3.11.1 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 3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制 3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.11.1 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。,下頁,上頁,返回,3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和

17、傳光原理,2）光纖的傳光原理 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，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：,下頁,上頁,返回,3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理,下頁,上頁,返回,3.11.1 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)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：,下頁,上頁,返回,3.11

18、.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理,（3）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。,下頁,上頁,返回,3.11.1 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。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,上頁,返回,3.11.1 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理,按材料

19、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，最低損耗為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，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)光的場合還是適用的,下頁,上頁,返回,3.11.1 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。

20、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,上頁,返回,3.11.1 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,上頁,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 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、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后

21、，獲得被測參數(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,上頁,返回,3.11.2 光纖傳感器基本原理及類型,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,上頁,返回,3.11.2 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

22、）光纖傳感器不受電磁場的干擾。當(dāng)光信息在光纖中傳輸時，不會與電磁場產(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。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)男盘柲芰亢苄?，不會產(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)距離測量。,下頁,上頁,返回,3.11.2 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，對傳輸距離較短的光纖傳感器來說，其傳

23、輸損耗可忽略不計。 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、流量等物理量及其他特殊對象和場合的參數(shù)測量中。,下頁,上頁,返回,3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制,光纖對許多外界參數(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)對外界被測參數(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,上頁,返回,3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制,下頁,上頁,返回,3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制,強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器工作原理是：光

24、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)制器把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾膹?qiáng)度變化，即對光強(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，最后解調(diào)出被測量的變化。,下頁,上頁,返回,3.11.3 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。,下頁,上頁,返回,3.11.3 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)發(fā)出的光被出射光纖接收。,下頁,上頁,返回,3.11.3 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

25、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。,下頁,上頁,返回,3.11.3 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)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測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,上頁,返回,3.11.3 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。

26、,下頁,上頁,返回,3.11.3 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光纖(信號臂)和參考光纖(參考臂)組成，也稱全光纖馬赫澤德爾（Mach 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)度光分別通過信號光纖和參考光纖到達(dá)探測器。無機(jī)械變化時，能得到分辨率(對比度)最高的干涉條紋。當(dāng)信號光纖的敏感部分的參數(shù)變化時，如繞在其上的光纖受縱向拉伸，使其徑向尺寸發(fā)生變化，則信號光纖的折射率變化，光信號在光纖中傳播的光程也會發(fā)生改變，從而改變了參考光纖和信號光纖中兩束光的光程差，其結(jié)果是

27、干涉條紋的對比度將改變。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，避免對干涉測量的不利影響。,下頁,上頁,返回,3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制,下頁,上頁,返回,3.11.3 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、壓力等被測量直接轉(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,上頁,返回,3.11.3 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速度為v的運(yùn)動

28、物體上，則反射光的頻率表示為：,下頁,上頁,返回,3.11.3 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，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，在光電探測器前加裝一塊偏振片R，使光電探測器只能檢測出與原光束偏振方向相垂直的偏振光。,下頁,上頁,返回,3.11.3 光纖傳感器的調(diào)制,下頁,上頁,返回,3.11.4 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，光纖傳感器是對以電信號為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器的變革。通過前面對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)用場合，目前的工程

29、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,上頁,返回,3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用,圖3.110所示為光纖位移測量的原理圖。,下頁,上頁,返回,3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用,光纖電流傳感器,下頁,上頁,返回,3.11.4 光纖傳感器的應(yīng)用,光纖液位傳感器,下頁,上頁,返回,3.12 超聲波傳感器,3.12.1

30、 超聲檢測的物理基礎(chǔ) 3.12.2 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,下頁,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ),波是振動在彈性介質(zhì)中的傳播。通常把振動頻率在16Hz以下機(jī)械波稱為次聲波，振動頻率在1620kHz之間機(jī)械波稱為聲波，振動頻率20kHz以上的機(jī)械波稱為超聲波。 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介紹中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上將會產(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,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ),波的反射和折射,下頁,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ),超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換 當(dāng)聲源

31、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，聲波的波形也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波；質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向垂直的波稱為橫波；質(zhì)點(diǎn)振動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)厚度與波長之比與質(zhì)點(diǎn)振動方式和傳播速度的不同，表面波又分為瑞利波和拉甫波。其中，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,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ),下頁,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(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，除有縱波的反射、折射外，將會產(chǎn)生橫波的反射和折射，如圖3.114所示。在

32、一定條件下，還會產(chǎn)生表面波，各種波形均符合幾何光學(xué)中的反射定理，即,下頁,上頁,返回,3.12.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ),聲波在多層平面中的穿透 用聲波進(jìn)行檢測時，經(jīng)常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)中去的時候，就要通過二個界面。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,上頁,返回,3.12.2 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

33、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。,下頁,上頁,返回,3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu),按作用原理不同，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,下頁,上頁,返回,3.12.2 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,上頁,

34、返回,3.12.2 超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu),橫波探頭 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,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,檢測電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和檢測報警電路組成。 超聲波傳感器發(fā)射電路,下頁,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,555振蕩器 時基電路555組成40kHz振蕩器受復(fù)位端電平的控制，當(dāng)時，振蕩器停振，當(dāng)時振蕩器振蕩。而的電平由SR雙穩(wěn)態(tài)電路的控制。555的振蕩頻率為,下頁,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,2）SR雙穩(wěn)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40

35、17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)電路比較簡單，只有對不重疊的“置位”和“復(fù)位”脈沖才能正常工作。其振蕩頻率約為 HZ,下頁,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,4）6分頻器,下頁,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(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極其微

36、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,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,超聲波收發(fā)信號兩用電路,下頁,上頁,返回,3.12.3 超聲波傳感器基本應(yīng)用電路,報警電路,下頁,上頁,返回,3.13 微波傳感器,3.13.1 微波的基本知識 3.13.2 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 3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,下頁,上頁,返回,3.13.1 微波的基本知識,微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 微波是指波長為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

37、。相對于波長較長的電磁波，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??； 5）介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，水對微波的吸收作用最強(qiáng)。,下頁,上頁,返回,3.13.1 微波的基本知識,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,

38、上頁,返回,3.13.2 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，遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路后，即可顯示出被測量，從而實(shí)現(xiàn)微波檢測過程。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,上頁,返回,3.13.2 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被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測物的位置、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

39、測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物或被測物的位置與含水量等參數(shù)。,下頁,上頁,返回,3.13.3 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)，決定了微波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量。因此可進(jìn)行活體檢測，大部分測量不需要取樣； 2）檢測速度快、靈敏度高、可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實(shí)時處理，便于自動控制； 3）可以在惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行檢測，如在高溫、高壓、有毒、有放射線環(huán)境條件下工作； 4）輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進(jìn)行發(fā)射與接收，便于實(shí)現(xiàn)遙測與遙控。 （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

40、題，這尚未得到很好的解決。其次，使用的時候外界因素影響比較多，如溫度、氣壓，取樣位置等。,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波濕度（水分）傳感器,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波液位計,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波物位計,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波測厚儀,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波溫度傳感器,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波定位傳感器,下頁,上頁,返回,3.13.4 微波傳感器的應(yīng)用,微波多普勒傳感器 利用多普勒效應(yīng)可以探測運(yùn)動物體的速度、方向與方位。

41、多普勒頻移為 微波多普勒傳感器的應(yīng)用非常廣泛，例如可將多普勒測速儀用于交通管制的車輛測速雷達(dá)；水文站用的流速測定儀；海洋氣象站用以測定海浪與熱帶風(fēng)暴；火車進(jìn)站速度監(jiān)控等。,下頁,上頁,返回,3.14 智能式傳感器,3.14.1 概述 3.14.2 壓阻式壓力傳感器智能化 3.14.3 智能傳感器 3.14.4 智能結(jié)構(gòu) 3.14.5 智能傳感器的發(fā)展方向和途徑,下頁,上頁,返回,3.14.1 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，促使傳感器技術(shù)產(chǎn)生了一個飛躍。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

42、 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、判斷和信息處理等功能的傳感器。,下頁,上頁,返回,3.14.1 概述,傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件，檢測物理量的變化，而智能式傳感器則包括測量信號調(diào)理電路（如濾波、放大、A/D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， 框圖。 智能式傳感器是一個典型的以微處理器為核心的計算機(jī)檢測系統(tǒng)，圖3.130為智能式傳感器的原理,下頁,上頁,返回,3.14.1 概述,智能式傳感器具有以下顯著特點(diǎn)： 1）精度高 2）高可靠性與高穩(wěn)定性 3）高信噪音比與高分辨率 4）雙向通信功能 5）檢測與處理方便 7）性能價格比高 6）功能廣,下頁,上頁,返回,3.14.2 壓阻式壓力傳感器智能化,智能式壓阻壓力傳感器硬件結(jié)構(gòu),下頁,上頁,返回,3.14.3 智能傳感器,智能傳感器的英文名稱為Intelligent Sensor 或S