FORTRAN 77教程 1算法

1、第第3 3章章 測控系統(tǒng)的感知技術(shù)測控系統(tǒng)的感知技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容p 傳感器概述p 熱敏傳感器p 光敏傳感器p 聲敏傳感器p 氣敏傳感器 p 生物敏傳感器 p 智能傳感器 傳感器技術(shù)所涉及的知識領(lǐng)域非常廣泛，它們的共性是利用物理定律和物質(zhì)的物理、化學(xué)或生物特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量。3.1 3.1 傳感器概述傳感器概述p傳感器的定義3.1.1 3.1.1 傳感器的定義與分類傳感器的定義與分類 傳感器位于測控系統(tǒng)的輸入端，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理電路等部分組成敏感元件信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換元件被測量輸出量分類方法傳感器種類說明按輸入量分類位移、壓力、溫度、流量、濕度、速度、氣體等傳感器以被測

2、物理量命名，包括機械量、熱工量、光學(xué)量、化學(xué)量、物理參量等按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電式等以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理命名按結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)型傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)在被測量作用下發(fā)生形變物性型傳感器敏感元件的固有性質(zhì)在被測量作用下發(fā)生變化，包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物效應(yīng)等按輸出信號分類模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器輸出分別為模擬量和數(shù)字量電參數(shù)型和電量型傳感器電參數(shù)型指中間參量為電阻、電容、電感、頻率等；電量型指中間參量為電勢或電荷按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器（自源型）傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量能量控制型傳感器（外源型）傳感器輸出能量由外源供給，但受被測

3、量的控制3.1.1 3.1.1 傳感器的定義與分類傳感器的定義與分類p傳感器的基本特性 傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出特性，一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類。靜態(tài)特性是當(dāng)被測對象處于靜態(tài)，即輸入為不隨時間變化的恒定信號時，傳感器輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。動態(tài)特性是指當(dāng)輸入量隨時間變化時的輸入輸出關(guān)系。3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性2012nnyaa xa xa x式中：y輸出量； x輸入量； a0零點輸出； a1理論靈敏度； a2、a3，an非線性項系數(shù)3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性量程 分辨力閾值 靈敏度重復(fù)性 遲滯線性

4、度 精度穩(wěn)定性 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)量程 量程又稱滿度值，是指系統(tǒng)能夠承受的最大輸出值與最小輸出值之差。3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性分辨力與閾值 分辨力是指傳感器能夠檢測到的最小輸入增 量。使傳感器產(chǎn)生輸出變化的最小輸入值稱為傳 感器的閾值。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性UiDa0 1 2 3 4 5 6 7111110101100011010001000UiDa0 1 2 3 4 5 6 7111110101100011010001000靈敏度 傳感器輸出變化量與輸入變化量

5、之比為靜態(tài)靈敏度，其表達式為：3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性ySx重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在同一工作條件下，被測輸入量按同一方向作全程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得特性曲線的不一致程度。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性maxFS|100%RRy0 xyxFSRmax1Rmax2遲滯 遲滯指傳感器輸入沿正向行程和反向行程變化時輸入輸出特性曲線的不一致性。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性maxFS|100%HHy0 xyxFSHmax線性度 為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理方便，通常希望傳感器的輸入輸出呈線性關(guān)系。 3.1.2 3.1.2

6、傳感器的基本特性傳感器的基本特性maxFS|100%LLy 常用的直線擬合方法有：理論擬合、端點連線擬合、最小二乘擬合等。相應(yīng)的有理論線性度、端點連線線性度、最小二乘線性度等。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性0 xyxFSLmax0 xyxFSLmax0 xyxFSLmax（a）理論擬合 （b）端點連線擬合 （c）最小二乘擬合精度 精度是反映傳感器系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合誤差指標(biāo)。經(jīng)常用重復(fù)性、遲滯和線性度三項的和或者方和根來表示：3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性RHL222RHL穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指在規(guī)定工作條件下和規(guī)定時間內(nèi)，傳感器性能保持不

7、變的能力。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性2. 動態(tài)特性 動態(tài)特性反映傳感器感知動態(tài)信號的能力。一般來說，傳感器輸出隨時間變化的規(guī)律應(yīng)與輸入隨時間變化的規(guī)律相近，否則輸出量就不能反映輸入量。3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述 1110111101nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd x tdx tdx tbbbb x tdtdtdt 11101110mmmmnnnnY sb sbsb sbH sX sa sasa sa11101110mmmmnnnnYjbjbjbjbHjXjajaja

8、ja3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性典型環(huán)節(jié)的頻率特性零階傳感器系統(tǒng) 00a yb x00byxKxaK靜態(tài)靈敏度。 一階傳感器系統(tǒng) 0100ba dyyxa dtadyyKxdt3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性bky(t)x(t)ui uoRC（a）力學(xué)系統(tǒng)3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性（b）電學(xué)系統(tǒng)二階傳感器系統(tǒng) 20212000( )( )( )baad y tdy ty tx tadtadta2220012d ydyyKxdtdt3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性bky(t)Fmui uoR

9、CSL典型的二階系統(tǒng) 22d ydymbkyFdtdt220,0,0ooossitd uduLCRCuuuutdtdt3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性p時域性能指標(biāo) 通常在階躍信號作用下測定傳感器動態(tài)特性的時域指標(biāo)。 0Ay(t)小大ty(t)A0t（a）一階系統(tǒng)（b）二階系統(tǒng)3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 傳感器的時域性能指標(biāo)主要有時間常數(shù)：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間；上升時間： 輸出值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間；響應(yīng)時間： 輸出值達到穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時間。最大超調(diào)量：在二階系統(tǒng)中，如果輸出量大于穩(wěn)態(tài)值， 則

10、 有超調(diào)，最大超調(diào)量定義為： 100ppy tyty%3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性p頻域性能指標(biāo) 通常利用傳感器系統(tǒng)對單位幅度正弦信號的響應(yīng)曲線測定動態(tài)性能的頻域指標(biāo)。 傳感器的頻域性能指標(biāo)包括通頻帶： 對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應(yīng) 的頻率范圍；工作頻帶：幅值誤差為5%或10%時所對應(yīng)的頻率范 圍；相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)相角應(yīng)小于5或10。 3.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性0-3-10-200.1 1.0 10 20lg/AdB-20-80-40-6000.1 1.0 10（a）一階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性3.1.2 3.1.2

11、 傳感器的基本特性傳感器的基本特性010-10-200.11100/ 20lg/AdB大?。╞）二階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性-90-1800.11100/ 小大03.1.2 3.1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性熱敏傳感器 熱敏傳感器是科學(xué)實驗和生產(chǎn)活動中非常重要的一類傳感器，它是將熱量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量。 3.2 3.2 熱敏傳感器熱敏傳感器1. 熱電阻 大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，其特性方程如下： 001tRRa TTRt 被測溫度T時熱電阻的電阻值；R0 基準(zhǔn)溫度T0時的電阻值；a 熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1/）；T、T0絕對溫度，單位K。3.2

12、.1 3.2.1 熱電阻熱電阻材料鉑銅鎳適用溫度范圍/-200600-50150-1003000100之間電阻溫度系數(shù)平均值/（10-3/）3.923.984.254.286.216.34化學(xué)穩(wěn)定性在氧化性介質(zhì)中性能穩(wěn)定，不宜在還原性介質(zhì)中使用，尤其是高溫下超過100易氧化超過180易氧化溫度特性近于線性，性能穩(wěn)定，精度高近于線性近于線性，性能一致性差，靈敏度高應(yīng)用高精度測量，可作標(biāo)準(zhǔn)適于低溫，無水分，無浸蝕性介質(zhì)一般測量主要金屬熱電阻傳感器的性能 3.2.1 3.2.1 熱電阻熱電阻 在熱電阻選型方面，應(yīng)該主要考慮以下參數(shù)1 1）熱電阻的類別、測溫范圍及允許誤差；2 2）常溫絕緣電阻常溫絕緣

13、電阻：熱電阻常溫絕緣電阻的試驗電壓為直流10100V，環(huán)境溫度1535，相對濕度不大于80%，大氣 壓力為86106kPa；鉑熱電阻的常溫絕緣電阻值應(yīng)不小于100M；銅熱電阻的常溫絕緣電阻值應(yīng)不小于50M；3 3）公稱壓力公稱壓力：指在室溫情況下保護管不破裂所能承受的靜態(tài)外壓。允許工作壓力不僅與保護管材質(zhì)、直徑、壁厚有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形式、安裝方法、置入深度以及被測介質(zhì)的種類、濃度、流速有關(guān)；3.2.1 3.2.1 熱電阻熱電阻4 4）熱響應(yīng)時間：）熱響應(yīng)時間：指在溫度出現(xiàn)階躍變化時，傳感器的輸出 變化相當(dāng)于該階躍變化的50%，所需要的時間稱為熱響應(yīng) 時間。5 5）最小置入深度：）最小置入深度：

14、感溫元件長度應(yīng)不小于其保護管外徑的810倍。部分產(chǎn)品為適應(yīng)安裝條件的限制，長度不符合本 項要求，測量精度相應(yīng)受到影響；6 6）尺寸規(guī)格：）尺寸規(guī)格：包括保護管外徑、總長等；7 7）接線盒形式：）接線盒形式：分為防水式和防爆式等；8 8）保護管材料、電氣接口、防護等級、安裝固定形式等；3.2.1 3.2.1 熱電阻熱電阻 熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器，按溫度特性分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。0011exptRRBTTRt 被測溫度T時熱敏電阻值；R0 基準(zhǔn)溫度T0時的熱敏電阻值；B 熱敏電阻的特征常數(shù)

15、；T、T0絕對溫度，單位K。3.2.2 3.2.2 熱敏電阻熱敏電阻其電阻-溫度特性曲線如圖0 80 160 240 320溫度/1050403020R/kOIUabc NTC型熱敏電阻溫度特性 NTC型熱敏電阻伏安特性3.2.2 3.2.2 熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其非線性是十分嚴(yán)重的，為使測量系統(tǒng)的輸入輸出呈線性關(guān)系，可以采用: （1）串、并聯(lián)補償電阻， （2）利用電路中其他部件的非線性修正 （3）計算機修正等方法。3.2.2 3.2.2 熱敏電阻熱敏電阻 熱電偶是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測溫范圍寬的熱敏傳感器，在冶金、熱工儀表鄰域得到廣泛應(yīng)用，是目前檢測溫度的主

16、要傳感器之一，尤其是在檢測1000左右的高溫時更有優(yōu)勢。3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶1.熱電偶工作原理ABT0TT0 將兩種不同的導(dǎo)體兩端相接，組成一個閉合回路，當(dāng)兩個接觸點具有不同溫度時，回路中便產(chǎn)生電流，這種物理現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。 3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶 當(dāng)溫度TT0時，由導(dǎo)體、B組成的熱電偶回路總熱電勢為： 00,ABABABET TETET只有當(dāng)A、B材料不同并且熱電偶兩端溫度不同時，總熱電勢才不為零。3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶 熱電偶的溫度熱電勢關(guān)系圖 106050403020-273-10500100015002000熱電動勢/mV鉑銠-鉑鎳鉻-鎳

17、硅鎳鉻-鎳銅3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶2.熱電偶基本定律 A A 均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 B B 標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律 C C 中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 D D 中間溫度定律中間溫度定律3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶均質(zhì)導(dǎo)體定律 兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電勢大小與電極的直徑、長度及沿長度方向上的溫度分布無關(guān)，只與熱電極材料和溫差有關(guān)。如果材質(zhì)不均勻，當(dāng)熱電極上各處溫度不同時，將產(chǎn)生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，因此熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶標(biāo)準(zhǔn)電極定律 若導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶，那么由導(dǎo)

18、體A、B組成的熱電偶的熱電勢可以由標(biāo)準(zhǔn)電極定律來確定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律指：如果將導(dǎo)體C（熱電極，一般為純鉑絲）作為標(biāo)準(zhǔn)電極（也稱參考電極），并且已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對時的熱電勢，那么在相同結(jié)點溫度（T，T0）下，任意兩導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢為：000,ABACBCET TET TET T3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶中間導(dǎo)體定律 在用熱電偶測量溫度時，必須在熱電偶回路中接入導(dǎo)線和儀表。中間導(dǎo)體定律表明：在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。因此可以用導(dǎo)線將電壓表接入熱電偶回路。 如下圖所示。 3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶TxT0測量導(dǎo)線

19、電壓表T0 熱電偶測溫電路 3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶中間溫度定律 在熱電偶回路中，當(dāng)結(jié)點溫度為T，T0時，總熱電勢等于該熱電偶在結(jié)點溫度為T，Tn和Tn，T0時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即： 00,ABABnABnET TET TET T3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶3.3.熱電偶冷端溫度補償 通常熱電偶測量的是一個熱源的溫度或兩個熱源的溫度差，因此需要將冷端的溫度保持恒定或采取一定的方法進行處理。 3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶0恒溫法 將熱電偶的冷端保持在0器皿中（如冰水混合物中），如圖3-16所示。這種方法適用于實驗室，它能夠完全克服冷端溫度誤差。Tx冰水混合物熱電偶

20、冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償冷端恒溫法 將熱電偶的冷端置于一恒溫器中，若恒定溫度為T0，則冷端誤差為：冷端誤差是一個定值，只要在回路中加上相應(yīng)的補償電壓，或調(diào)整指示器的起始位置，就可以達到完全補償?shù)哪康摹?0,0,0E T TE TE T 熱電偶冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償冷端補償器法 工業(yè)上常采用冷端補償器法，也稱電橋補償法。 R1R2RCuR3baEVABTTu,20ABuuET ,20ABuABET TuET 熱電偶冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償補償導(dǎo)線法 當(dāng)熱電偶冷端由于受熱端溫度影響，在較大范 圍內(nèi)變化時，應(yīng)先用補差導(dǎo)線將冷端延長到溫度比 較穩(wěn)定的環(huán)境中，再用其他方法進行補償。補

21、償導(dǎo) 線的熱電特性與熱電偶近似，但用相對廉價的材料 制成。 熱電偶冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償計算機智能補償法 利用單片機或微型計算機，可以實現(xiàn)溫度監(jiān)測、控制、誤差修正與冷端溫度補償?shù)囊惑w化、智能化。對于冷端溫度恒定的情況，只要在熱電勢采樣值上加上一個常數(shù)即可；對于冷端溫度變化的情況，可以利用其他傳感器實時測量冷端溫度并送入微機系統(tǒng)，對熱電勢采樣值進行實時修正。 熱電偶冷端溫度補償熱電偶冷端溫度補償4.熱電偶的主要參數(shù) 在選擇熱電偶產(chǎn)品時，應(yīng)考慮的主要參數(shù)有：1） 熱電偶的類型、測溫范圍及允許誤差；2） 時間常數(shù)；3） 最小置入深度；4） 常溫絕緣電阻及高溫下的絕緣電阻；5） 偶絲直徑、材料

22、，安裝固定形式、尺寸，測量端結(jié)構(gòu)形 式等。3.2.3 3.2.3 熱電偶熱電偶 光敏傳感器是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，按照工作原理可以分為光電效應(yīng)傳感器、紅外熱釋電探測器、固態(tài)圖像傳感器、光纖傳感器、色敏傳感器、光柵傳感器等。 3.3 3.3 光敏傳感器光敏傳感器 光電效應(yīng)傳感器是利用光敏材料在光照射下，會產(chǎn)生光電子逸出、電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢等現(xiàn)象制成的光敏器件。 3.3.1 3.3.1 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器1.外光電效應(yīng) 在光照作用下，物體內(nèi)部的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。212EhmvAh普朗克常數(shù)，6.62610-34Js； m電子質(zhì)

23、量；v電子逸出速度；A物體的逸出功。3.3.1 3.3.1 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 由上式可知：光電子逸出物體表面的必要條件是EA，如果入射光子的能量小于陰極材料的表面逸出功，無論光強多大，都沒有光電子產(chǎn)生。在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。因為光越強，光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。對于外光電效應(yīng)器件，只要光照射在器件陰極上，即使陽極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流，因為光電子逸出時具有初始動能。為使光電流為零，必須在陽極上加上反向截止電壓，使外加電場對光電子所做的功等于光電子逸出時的動能。外光電效應(yīng)器件有光電管和光電倍增管。外光電效應(yīng)外光電

24、效應(yīng)光電管光電管主要有兩種結(jié)構(gòu)形式。它是在真空玻璃管內(nèi)裝入兩個電極光電陰極與光電陽極。光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)墓饩€照射后發(fā)射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。除真空光電管外，還有充氣光電管，它是在玻璃管內(nèi)充入氬、氖等惰性氣體。當(dāng)光電子被陽極吸引時會對惰性氣體進行轟擊，從而產(chǎn)生更多的自由電子，提高了光電轉(zhuǎn)換靈敏度。 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電倍增管光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖，在一個玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若干個光電倍增極。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速電壓。光電倍增管的靈敏度高，適合在微弱

25、光下使用，但不能接受強光刺激，否則容易損壞。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)AKAKAK（a）光電管結(jié)構(gòu)圖（b）光電倍增管結(jié)構(gòu)圖A陽極，K陰極 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)2.光電導(dǎo)效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改光電導(dǎo)效應(yīng)是指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。變的現(xiàn)象。 1 12 23 34 4光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)：1電極，2半導(dǎo)體薄膜，3絕緣底座，4光敏電阻符號 3.3.1 3.3.1 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器光敏電阻符號及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)在兩極間加上電壓時，就會有電流流過。沒有光照時測得的電流為暗電流，有光照時電流增大，增大的電流稱為光電流，光電流隨光強增大而增大

26、。 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻的主要應(yīng)用有：照相機自動測光、室內(nèi)光線控制、工業(yè)光控制、光控小夜燈、報警器、光控開關(guān)、光控電子 玩具以及光電開關(guān)等。制作光敏電阻的半導(dǎo)體材料有硫化鎘、硫化鉛、銻化銦等，不同材料做成的光敏電阻適用于光的不同波長范圍（可見光、X射線、紅外線等）。 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是指當(dāng)一定波長的光照射非均質(zhì)半導(dǎo)體（如PN結(jié)）時，由于自建場的作用，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動勢，如果將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)光生電流。 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光照射下，PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，在自建場作用下，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，從而產(chǎn)生光生電動勢。

27、利用光生伏特效應(yīng)工作的光敏器件主要包括光敏二極管、光敏三極管和光電池。- - + - -+ + - + +PN光-光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏二極管 光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)光照射時，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴，形成光電流，光敏二極管導(dǎo)通。 RE光+光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏三極管 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖所示。當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，這些載流子在內(nèi)電場作用下定向運動形成光電流。由于光照射發(fā)射極所產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，因此集電極電流為光電流的倍，光敏三

28、極管比光敏二極管具有更高的靈敏度 cceebb光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電池 光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的自發(fā)電式器件，它有較大的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 硼擴散層P型電極N型硅片P-N結(jié)電極光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 外界的許多信息是通過人的視覺神經(jīng)獲得的，由于每個人的感覺不同，很難對色彩作出一致的判斷，利用半導(dǎo)體色敏傳感器，可以實現(xiàn)對顏色的測定。P層N層P層I1I4I3I2光半導(dǎo)體色敏傳感器一維模型 3.3.2 3.3.2 色敏傳感器色敏傳感器輸入光短波長波電極1電極2保護膜SiO2NP2P1電極3Isc1Isc2PD1PD2123半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)及等效電路 3.

29、3.2 3.3.2 色敏傳感器色敏傳感器光電二極管PD1和PD2的短路電流Isc1和Isc2分別為： 為了測定入射光波長，需要預(yù)先計算出入射光波長與兩個PN結(jié)短路電流之比（Isc2 /Isc1）之間的關(guān)系。這樣，當(dāng)測得Isc2 /Isc1后，通過查找波長與Isc2 /Isc1的關(guān)系曲線，就得到了入射光的波長（或顏色）。Isc1 = I1 + I2 ，Isc2 = I3+ I4 3.3.2 3.3.2 色敏傳感器色敏傳感器另外還有非晶硅（Amorphous Silicon，簡寫為a-Si）色敏傳感器，它是一種PIN型光敏器件，工作原理是光生伏特效應(yīng)。 引線架保護樹脂背面電極a-Si透明導(dǎo)電膜玻璃

30、基板引線架保護樹脂背面電極a-Si透明導(dǎo)電膜玻璃基板濾色片RGB（a）可見光傳感器 （b）集成型全色敏傳感器3.3.2 3.3.2 色敏傳感器色敏傳感器 纖傳感器是一類較新的光敏器件，由于具有極高的靈敏度和精度，以及抗電磁干擾和原子輻射、高絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕和質(zhì)輕、柔韌、頻帶寬等優(yōu)點，在機械、電子、航空航天、化工、生物醫(yī)學(xué)、電力、交通、食品等領(lǐng)域的自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警以及軍事等方面都有廣泛應(yīng)用。 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器1. 光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 n1n2n3護套包層纖芯irc2rn1n2n33.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器入射光線在光

31、纖入口處發(fā)生折射，如果入射角為i，折射角為r，空氣的折射率為n01.0，根據(jù)折射定律：當(dāng)光線到達纖芯-包層界面時，發(fā)生第二次折射，一部分光以折射角r2進入包層，另一部分以反射角c（c = 90-r）反射回纖芯，則有：如果r2 = 90，即發(fā)生全反射，則有sinc = n2 /n1，式（3-3-2）改寫為：01sinsinirnn122sinsincrnn2222011121sinsin 901icnnnnnnn3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器2. 光纖按照折射變化情況階躍型：纖芯與包層之間的折射率是突變的；漸變型：纖芯在橫截面中心處折射率最大，并由中心向 外逐漸變小，到纖芯邊界時減

32、小為包層折射率。這類光 纖有自聚焦作用，也稱自聚焦光纖。 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器單模光纖：纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式很少。 這類光纖傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏 度，但制造困難。多模光纖：纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但 性能較差，帶寬較窄。3.光纖按照傳輸模式3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器4. 光纖傳感器的工作原理 按照光纖在傳感器中的作用，通常將光纖傳感器分為兩種類型： 功能型（或稱傳感型、探測型） 非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器p功能型光纖傳感器測量對象光纖光源光電元件光纖傳感器的基本

33、結(jié)構(gòu)原理 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器光強調(diào)制型光纖傳感器 光強調(diào)制型光纖傳感器是基于光纖彎曲時會產(chǎn)生光能損耗原理在制成的，主要用于微彎曲位移檢測和壓力檢測。當(dāng)光線在光纖的直線段傳播時，一般以全反射方式傳播；當(dāng)光線到達微彎曲段界面時，入射角將小于臨界角，有一部分光透射進入包層，導(dǎo)致光能的損耗。光纖輸出光的強度反映了光纖的彎曲程度，對輸出光強進行檢測可以得到導(dǎo)致光纖形變的位移或壓力信號大小。 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 當(dāng)一束波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相位角與光纖的長度L、纖芯折射率n1及纖芯直徑d有關(guān)。光纖受到物理量的作用時，這三

34、個參數(shù)會發(fā)生不同程度的變化，從而引起光相移。由于光纖直徑引起的變化相對與另外兩個參數(shù)要小的多，一般可以忽略。在一段長度為L的單模光纖（光纖折射率n1）中，波長為的輸出光相對于輸入端來說，相角為： 12 n L3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器 當(dāng)光纖受到物理量作用時，相位角變化量為：111122LLnLL nnn 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器是利用法拉第旋光效應(yīng)工作的。根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)，是磁場引起相位改變的結(jié)果。通過檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可以得到相應(yīng)的電流值。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳

35、感器常用于輸電線電流的測量。3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器p非功能型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它是在光纖的端面或在光纖中放置光學(xué)材料、機械式或光學(xué)式的敏感元件來感受被測量的變化，從而使投射光或反射光強度隨之發(fā)生變化，光纖只是作為傳輸光信息的通道，對被測對象的“感覺”功能由其他敏感元件來完成。 測量對象光纖敏感元件光源光電元件測量對象光纖敏感元件光源光電元件3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器 非功能型光纖傳感器又分為傳輸光強調(diào)制型和反射光強調(diào)制型。傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器 傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器的輸入光纖與輸出光纖之間設(shè)置有機械式或光學(xué)式敏感元件

36、。敏感元件在物理量作用下，對傳輸光的光強進行調(diào)制，如吸收光能、遮斷光路或改變光纖之間的相對位置等。3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器反射光強調(diào)制型光纖傳感器 反射光強調(diào)制型與傳輸光強調(diào)制型的原理類似，只是在結(jié)構(gòu)上有稍許差別。光線是經(jīng)過物體或光敏元件反射后進入接收光纖的。頻率調(diào)制型光纖傳感器 在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的相對運動，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用光學(xué)多普勒測量系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)在非接觸條件下對液體流速流量的測量，如血液流量測量。3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器5. 光纖傳感器的應(yīng)

37、用 利用光纖傳感器的各種調(diào)制機理，可以制作出各種光纖傳感器，如位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、磁傳感器、聲壓傳感器、流速傳感器、液位傳感器等。3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器光纖溫度傳感器溫度變化光纖長度變化折射率變化芯徑變化相位常數(shù)變化相位變化與參考光干涉諧振器強度變化利用光相位變化的光纖溫度傳感器原理框圖 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器光纖微彎曲位移（壓力）傳感器位移（壓力）活動板固定板輸出光輸入光光纖光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器光纖線性位移傳感器 光源光電元件反射光纖束接收光纖束被測目標(biāo)投射距離

38、d0.51.0III位移d相對光強（a）工作原理圖 （b）位移與接收光強關(guān)系3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器6. 光纖傳感器的主要參數(shù) 3.3.3 3.3.3 光纖傳感器光纖傳感器測量范圍、測量精度、反應(yīng)時間、分辨率、探頭尺寸、探頭材料、光纖電纜的長度和材料以及工作溫度等。 早期人們利用光柵的衍射效應(yīng)進行光譜分析和光波波長的測量，到20世紀(jì)50年代開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行精密測量，從而出現(xiàn)了光柵式傳感器。由于它原理簡單、測量精度高、具有較強的抗干擾能力，被廣泛應(yīng)用于長度和角度的精密測量。 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器1.光柵的結(jié)構(gòu)和分類 abWabW 光柵上的

39、刻線稱為柵線，柵線寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a = b，W（W = a + b）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。 在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一般為1012mm）的密集刻劃，如圖（a）或（b）所示，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是光柵。 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器光柵的分類計量光柵圓光柵長光柵黑白光柵切向光柵玻璃體金屬體金屬膜玻璃體玻璃體透射光柵反射光柵透射光柵徑向光柵閃耀光柵光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵和計量光柵兩種 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器長光柵主要用于測量長度，條紋密度有每毫米25、50、100、250條等。 圓

40、光柵也稱光柵盤，其刻線刻制在玻璃盤上，用來測量角度或角位移。 （a）徑向光柵 （b）切向光柵3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器2.光柵傳感器的工作原理 光柵傳感器由光柵、光路、光電元件及轉(zhuǎn)換電路等組成，利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行測量，下面以黑白透射 光柵說明它的工作原理。3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器光柵傳感器的組成光源光電元件透鏡主光柵指示光柵3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 莫爾條紋 所謂莫爾條紋是指當(dāng)指示光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角時，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距W大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩條明條紋之間的距離（或相鄰兩條暗條紋之間的

41、距離）B稱為莫爾條紋間距 W12aab3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 當(dāng)光柵之間的夾角很小，且兩光柵的柵距都為W時，莫爾條紋間距B為：2sin2WWBB相鄰兩條莫爾條紋之間的間距；W光柵柵距；兩光柵柵線夾角。由于值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為橫向莫爾條紋。3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 橫向莫爾條紋有以下幾個重要特征：運動對應(yīng)關(guān)系 位移放大 放大系數(shù)為： 減小誤差 1BkW3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 光柵的信號輸出（辨向原理和細(xì)分電路） 通過前面的分析知道，主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋就變化一個周期2，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的

42、變化變成電信號，電壓的大小對應(yīng)于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器0sin360mxUUUWW柵距；x主光柵與指示光柵間瞬時位移；U0直流電壓分量；Um交流電壓分量幅值；U輸出電壓。由上式可知，輸出電壓反映了瞬時位移的大小，當(dāng)x從0變化到W時，相當(dāng)于電角度變化了360。如采用50線/mm的光柵時，若主光柵移動了x mm，即50 x條。將此條數(shù)用計數(shù)器記錄，就可以知道移動的相對距離。3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器放大整形微分Y1觸發(fā)器可逆計數(shù)器放大整形反相微分Y21延時u1u2u1u2u1u1Wu1W

43、12Q-+HQ辨向電路原理框圖 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器u1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2Hu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2H 光柵移動時辨向電路各點波形 3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 3.光柵傳感器的性能參數(shù) 光柵傳感器主要用于位移和角度的測量，在選用光柵傳感器時應(yīng)根據(jù)具體的測量任務(wù)要求選擇合適的產(chǎn)品型號，重點考慮傳感器的量程、精度、分辨率、工作溫度、信號 輸出形式、外觀尺寸以及安裝形式等性能參數(shù)。3.3.4 3.3.4 光柵傳感器光柵傳感器 CCD圖像傳感器是一

44、種集成型半導(dǎo)體光敏傳感器，它的核心部分是電荷耦合器件（Charge Coupled Device，簡稱CCD）。CCD是以陣列形式排列在襯底材料上的金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，簡稱MOS）電容器件組成的，具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器1.CCD的工作原理+U金屬二氧化硅P型硅耗盡區(qū)邊界光線 MOS光敏單元結(jié)構(gòu)3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器 MOS是CCD的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。以P型襯底MOS結(jié)構(gòu)為例，如果在柵極上施加一個幅值大于該MOS結(jié)構(gòu)閾值電壓的正脈沖，半導(dǎo)

45、體表面將處于深耗盡狀態(tài)。由于這種深耗盡狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面形成電子勢阱。半導(dǎo)體表面相對于體內(nèi)的電勢差稱為勢阱深度。勢阱可以存儲少數(shù)載流子（在P型襯底情況下少數(shù)載流子是電子），勢阱越深存儲電荷越多。這種電荷會隨著MOS從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡逐漸減少，只要電荷存儲時間在數(shù)秒以上，CCD就可以正常工作。 3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器 每個光敏單元一般包括3個相鄰的電極，電極上的脈沖電壓相位依次相差120，波形都是前緣陡峭后緣傾斜。 132t1t5t4t3t2CCD的轉(zhuǎn)移電壓 3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器132t1t5t4t3t2198765432C

46、CD電荷轉(zhuǎn)移原理 3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器pCCD圖像傳感器及其應(yīng)用線型線型CCDCCD 線型CCD可以直接接收一維光信號，主要用于測試、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。 3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器光敏單元轉(zhuǎn)移柵輸出不透光光敏單元轉(zhuǎn)移柵輸出單通道線型CCD的結(jié)構(gòu) 雙通道線型CCD的結(jié)構(gòu) 3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器雙通道線型雙通道線型CCDCCD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 按一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成二維面型CCD，常見的結(jié)構(gòu)有隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)和幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。 3.3.5 CCD

47、3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器垂直移位寄存器水平移位寄存器輸出光敏單元轉(zhuǎn)移柵水平移位寄存器輸出攝像區(qū)存儲區(qū)（a）隔列轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) （b）幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器2.CCD圖像傳感器的選型照明設(shè)計照明設(shè)計 不同圖像測控系統(tǒng)的照明設(shè)計是不一樣的，影響照明方案的因素非常多，例如光的強度、顏色、均勻性、光源的結(jié)構(gòu)、大小、照射方式以及被測物體的光學(xué)特性、距離、物體大小、背景特性等。照明設(shè)計主要涉及三個方面：光源的種類和特性、物體的光反射和傳輸特性、光源的結(jié)構(gòu)。3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器鏡頭 （1） 攝像物鏡的光學(xué)參數(shù)（2） 鏡頭

48、的選擇（3） 鏡頭的分類3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器攝像機（1） CCD相機的分類 （2） CCD相機的主要功能控制（3） CCD相機的相關(guān)特性參數(shù)3.3.5 CCD3.3.5 CCD圖像傳感器圖像傳感器 能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為紅外傳感器，按其工作原理可以分為光敏型（或稱光子型、量子型）和熱敏型兩類。 12R紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線 3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感器1.熱釋電效應(yīng)及器件 紅外熱釋電式光敏器件是熱敏型紅外傳感器中最常用 的器件。它的工作原理是熱釋電效應(yīng)。 +PPT 0紅外光等熱源黑化膜電極強電介質(zhì)電極RIP自然極化P溫度TTC熱釋

49、電效應(yīng)示意圖 熱釋電系數(shù)的基本變化規(guī)律 3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感器 利用熱釋電效應(yīng)可以制成熱釋電紅外傳感器，如車輛計數(shù)器、人體探測器，以及探測環(huán)境溫度的高溫計（在高爐、熔化玻璃或熱損失評估中使用的非接觸式溫度計）和輻射計（測量輻射源產(chǎn)生的功率）。另外一些應(yīng)用包括紅外分析儀、火災(zāi)檢測、高分辨率測溫術(shù)、醫(yī)用溫度計等。3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感器2.紅外傳感系統(tǒng) 紅外技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防、醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 待測目標(biāo)大氣衰減光學(xué)接收器光學(xué)調(diào)制器紅外探測器信號處理系統(tǒng)探測器制冷器顯示設(shè)備紅外傳感系統(tǒng)組成 3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感

50、器3.紅外圖像傳感器 由于紅外光是人的肉眼看不到的，因此不能采用普通相機攝取紅外圖像。紅外圖像傳感器可以利用紅外熱成像技術(shù)將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進行顯示，還可以利用計算機系統(tǒng)對紅外熱圖像進行分析處理，完成存儲和打印輸出。 3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感器4.紅外測溫儀 紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。近二十年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴大，市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感

51、器5.被動式熱釋電紅外探測器 在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器的應(yīng)用非常廣泛，因其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。3.3.6 3.3.6 紅外傳感器紅外傳感器 聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置。 3.4 3.4 聲敏傳感器聲敏傳感器次聲波聲波超聲波微波音樂語言探測123456710101010101010()f H z聲波頻率界限圖 3.4 3.4 聲敏傳感器聲敏傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于人耳聽覺范圍的機械波，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性

52、好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 3.4.1 3.4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器1.超聲波傳感器的基本原理與結(jié)構(gòu)金屬殼吸收塊保護膜導(dǎo)電螺桿接線片壓電晶片壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 3.4.1 3.4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器2.超聲波傳感器的性能指標(biāo) 工作頻率:工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端 的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出 的能量最大，靈敏度也最高。 工作溫度 :由于壓電材料的居里點（溫度超過居里點，壓電材 料的壓電特性將消失）一般比較高，特別是診斷用 超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低， 可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的 溫度比較高，需要單獨

53、的制冷設(shè)備。 靈敏度: 主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏 度高；反之，靈敏度低。 3.4.1 3.4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器3.超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測厚發(fā)射電路主控制器掃描電路標(biāo)記發(fā)生器示波器接收放大器換能器試件 脈沖回波法測厚工作原理 dvt/23.4.1 3.4.1 超聲波傳感器超聲波傳感器超聲波測物位h超聲波測量液位示意圖 超聲波物位傳感器具有測量精度高、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響、耐高溫、安全防爆等優(yōu)點，在物位儀表中使用廣泛。超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測流量傳感器1傳感器2vD超聲波流量計安裝示意圖 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波無損探

54、傷高頻發(fā)生器放大器顯示發(fā)射探頭接收探頭工件穿透法探傷原理圖 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用高頻發(fā)生器放大器顯示探頭缺陷工件BTFTB1FB4B3B2T無缺陷波形有缺陷波形發(fā)射法探傷原理圖 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器在醫(yī)療上的應(yīng)用 超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 聲表面波簡稱SAW（Surface Acoustic Wave），是英國物理學(xué)家瑞利（Rayleigh）于19世紀(jì)末期在研究地震波的過程

55、中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡ā?3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器1.SAW傳感器的特點3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器 高精度，高靈敏度。 數(shù)字化。 易批量生產(chǎn)。 體積小、質(zhì)量輕、功耗低， 可獲得良好的熱性能和機械性能。 2.SAW傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理反射柵條IDT壓電基片壓電基片兩換能器間距發(fā)射IDT接收IDT SAW諧振器結(jié)構(gòu) SAW延遲線結(jié)構(gòu) 3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器SAW瑞利波 SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。瑞利波質(zhì)點的運動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于與傳播方向的縱振動和垂直于表面及傳播方向的橫振

56、動合成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個波長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器敏感基片 敏感基片通常采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機械量擾動作用時，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器換能器 換能器（IDT）是用蒸發(fā)或濺射等方法在壓電基片 表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。當(dāng)電壓加到叉指電極 上時，在電極之間建立了周

57、期性空間電場，由于壓電效 應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個相應(yīng)的彈性形變。由于電場集中在 自由表面，所以產(chǎn)生的聲表面波很強烈。由IDT激勵的聲 表面波沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或基片上覆蓋的敏感材 料薄膜受到被測量調(diào)制時，聲表面波的頻率將改變，并 由接收叉指電極測得。3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器SAW振蕩器 SAW傳感器的核心是SAW振蕩器，有諧振器型（R型）和延遲線型（DL型）兩種 3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器A輸出輸入T1T2A延遲線型SAW振蕩器 諧振器型SAW振蕩器 3.SAW傳感器舉例SAW壓力傳感器 A膜片輸出壓力SAW壓力傳感器示意圖 SAW壓力傳感器由SA

58、W振蕩器、敏感模片、基底等組成 3.4.2 SAW3.4.2 SAW傳感器傳感器SAW氣體傳感器A輸出選擇性吸附膜延遲線型SAW氣體傳感器 SAWSAW傳感器舉例傳感器舉例SAW溫度傳感器 當(dāng)溫度變化時，SAW振蕩器的振蕩頻率會發(fā)生 變化，從而可以制成SAW溫度傳感器。SAW溫度傳感器具有長期穩(wěn)定性，靈敏度很高，可測量出104106的微小溫度變化。SAW溫度傳感器可以用 于氣象測溫、糧倉測溫、火災(zāi)報警等。 SAWSAW傳感器舉例傳感器舉例p3.5.1 氣敏傳感器的分類與特性 氣敏傳感器的主要參數(shù)與特性有氣敏傳感器的主要參數(shù)與特性有3.5 3.5 氣敏傳感器氣敏傳感器 靈敏度 響應(yīng)時間 選擇性

59、穩(wěn)定性 溫度特性 濕度特性 抗腐蝕性 名稱檢測原理、現(xiàn)象代表性氣敏元件及材料檢測氣體半導(dǎo)體氣敏元件電阻型表面控制型SnO2、ZnO、In2O3、WO3等可燃性氣體、C2H2CO、C-Cl2-F2、NO2等體控制型Fe2O3、TiO2、Nb2O5等 可燃性氣體、O2、CnH2n、CnH2n-2、CnH2n+2等非電阻型二極管整流作用Pd/CdS、Pd/TiO2、Pd/ZnO等H2、CO、SiH4等FET氣敏元件以Pd、Pt、SnO2為柵極的MOSFETH2、CO、H2S、NH3電容型Pd-BaTiO3、CuO-BaSnO3、CuO- BaTiO3、Ag-CuO- BaTiO3等CO2固體電解質(zhì)氣

60、敏元件電池電動勢CaO-ZrO2、Y2O3-ZrO2、Y2O3- TiO2等O2、鹵素、SO2、SO3等混合電位CaO-ZrO2、有機電解質(zhì)等CO、H2電解電流CaO-ZrO2、YF6、LaF3O2電流Sb2O3nH2OH2接觸燃燒式燃燒熱（電阻）Pt絲催化劑可燃性氣體電化學(xué)式恒電位電解電流氣體透過膜貴金屬陰極貴金屬陽極CO、NO、SO2、O2伽伐尼電池式氣體透過膜貴金屬陰極賤金屬陽極O2、NH3其他類型紅外吸收型、石英振蕩型、光導(dǎo)纖維型、熱傳導(dǎo)型、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣體色譜法、聲表面波氣體傳感器無機氣體和有機氣體1.半導(dǎo)體氣敏傳感器 表面電阻控制型氣敏傳感器 R/k100505氧化性氣體吸附還原性氣