【正文】 度、壓力、振動、位移等傳感器。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 二、光纖分類 結(jié)構(gòu)型（非功能型）光纖傳感器 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是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)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 二、光纖分類 結(jié)構(gòu)型（非功能型）光纖傳感器 在非功能型傳感器中， 光纖不是敏感元件，即只 “ 傳 ” 不“ 感 ” 。 它是利用在光纖的端面或在兩根光纖中間，放置光學(xué)材料及機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件，感受被測物理量的變化。 此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度也較低，應(yīng)用于對靈敏度要求不太高的場合。目前，已實(shí)用化或尚在研制中的光纖傳感器，大都是非功能型的。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 三、光纖傳感器應(yīng)用 光纖流速傳感器： 光纖流速傳感器由多模光纖、光源、銅管、光電二極管及測量電路所組成。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光的相位發(fā)生變化，光纖的發(fā)射光強(qiáng)出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。其振幅的變化與流速成正比。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 三、光纖傳感器應(yīng)用 (a)Y型光纖； (b)U型光纖； (c)棱鏡耦合 光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體以及會粘附在測頭表面的粘稠物質(zhì)。 圖所示為基于全內(nèi)反射原理研制的液位傳感器。它由 LED光源，光電二極管，多模光纖等組成。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當(dāng)測頭置于空氣中，沒有接觸液面時，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而返回到光電二極管。當(dāng)測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)酰环祷毓鈴?qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時，表明測頭已接觸到液位。 案例 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 光纖傳感器 第 3章 常用傳感器和敏感元件 三、光纖傳感器應(yīng)用 該系統(tǒng)主要由激光光源、分光器、光接收器、頻率檢測器及振動物體等部分組成。 當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對運(yùn)動時，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現(xiàn)象稱為 光學(xué)多普勒效應(yīng) ，是奧地利學(xué)者多普勒于 1842年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動體上某點(diǎn)時，光波在該點(diǎn)被運(yùn)動體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運(yùn)動速度的頻率偏移，稱為 多普勒頻移 。 案例 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 其工作原理為 :由激光光源 (氫 氦激光 )發(fā)出的光 (頻率為 fi)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 (被測體 )振動，產(chǎn)生散射 (頻率為 fs)，被測物體的運(yùn)動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為 式中， fi為入射光頻率，即激光源頻率； fs為散射光頻率； n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率； λ 為入射光在空氣中的波長； ν 為被測物體的運(yùn)動速度。 上式表明，多普勒頻率△ f與被測物體運(yùn)動速度 ν 成比例變化關(guān)系，從頻率分檢器中測得△ f后，即可得到物體的運(yùn)動速度。 頻率調(diào)制 第 3章 常用傳感器和敏感元件 三、光纖傳感器應(yīng)用 案例 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 第 3章 常用傳感器和敏感元件 光纖傳感器 四、光纖傳感器優(yōu)點(diǎn) 不受電磁干擾，電氣絕緣性好，可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器無法測量的信號； 無電能、無電火花，可在易燃易爆、腐蝕性環(huán)境中工作 ； 某些光纖傳感器性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器； 重量輕、體積小、可纏繞、形狀適應(yīng)性好，可以適于在狹小環(huán)境中使用。 頻帶寬、動態(tài)范圍大，對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，精度高。 適于信號遠(yuǎn)傳。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體對 光、熱、力、磁、濕、氣體 等量敏感，這種敏感特性可以實(shí)現(xiàn)非電量到電信號的轉(zhuǎn)變。 半導(dǎo)體傳感器 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，功耗低、安全可靠、壽命長，敏感響應(yīng)快，易于集成。 缺點(diǎn)： 對溫度變化敏感，且非線性強(qiáng)。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 磁敏傳感器 金屬或半導(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，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 1 霍爾元件 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體傳感器 磁敏元件傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。 半導(dǎo)體傳感器 磁敏元件傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 半導(dǎo)體傳感器 磁敏元件傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 測轉(zhuǎn)角： 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 電流傳感器 當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 鐵磁材料裂紋檢測 N S 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 葉片和齒輪位置傳感器 應(yīng)用 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 案例： 汽車速度測量 : 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 案例：轉(zhuǎn)速測量 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2 磁電阻元件 ?特點(diǎn) ? 電阻的增量與磁場的平方成正比； ? 與磁場的正負(fù)無關(guān)； ? 溫度系數(shù)影響大； ? 磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。 ?應(yīng)用 ? 磁頭；接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)。 磁阻效用：霍爾元件處于磁場中，會產(chǎn)生載流子偏移，引起傳導(dǎo)電流分配不均，表現(xiàn)為電流方向的電阻變化。 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 3 磁感應(yīng)半導(dǎo)體元件分類 霍爾元件 磁電阻元件 磁敏二極管 磁晶體管 磁半導(dǎo)體開關(guān) 磁敏元件傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 熱敏傳感器 熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器 。電阻值隨著溫度的升高而下降。 優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高 體積小 溫度測量范圍大 缺點(diǎn)： 非線性大 對環(huán)境溫度敏感，易受干擾 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 氣敏電阻傳感器 氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。 如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá) ～ ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，中毒死亡。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。 煙霧報(bào)警器 酒精傳感器 二氧化碳傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 氣敏電阻傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 燃?xì)鈭?bào)警器 煙霧報(bào)警器 氣敏電阻傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 濕敏傳感器 濕敏傳感器： 半導(dǎo)體材料隨著 環(huán)境濕度升高而電阻 值下降。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 CCD固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體 (P型硅 )基片上形成一種氧化物 (如二氧化硅 )，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬 氧化物 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列 MOS單元 ，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像 ， 則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像 。 CCD固態(tài)圖象傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 ? 特點(diǎn) : ? (1) 非接觸檢測 。 ? (2) 響應(yīng)快 。 ? (3) 可靠性高 ,為修簡便 。 ? (4) 測量精度高 。 ? (5) 體積小 ,重量輕 。 容易與計(jì)算機(jī)連接 ? (6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射 。 ? (7) 受被測物體以外的光的影響 . ? 應(yīng)用 : ? (1) 寬度測量 。 (2) 外徑測量 。 (3) 主軸徑向跳動測量 . CCD固態(tài)圖象傳感器 條形碼掃描器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) 光電傳感器 一、光電測量原理：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏達(dá)效應(yīng)。 二、光電元件：真空光電管、光電倍增管、光敏電阻和光電池。 三、光電傳感器應(yīng)用：模擬光電傳感器，數(shù)字碼盤。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) 光纖傳感器 一、光纖傳光原理：光的全反射 二、光纖傳感器分類：單模，多模 按照 光的作用分類 可分為物性型（功能型）光纖傳感器和結(jié)構(gòu)型（非功能型）光纖傳感器。 按照 光受被測對象的調(diào)制形式 可分為 強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型。 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 復(fù)習(xí) 半導(dǎo)體傳感器 金屬或半導(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，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 1 霍爾元件 2 熱敏傳感器 3 氣敏傳感器 4 濕敏傳感器 5 CCD視覺傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 GREY = RED* + GREEG* + BLUE* 數(shù)碼相機(jī) CCD固態(tài)圖象傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 智能傳感器 傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、 PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。 智能傳感器是將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 嵌入式計(jì)算機(jī) 智能 傾角 RS232傳感器 IC總線數(shù)字溫度傳感器 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 振動網(wǎng)絡(luò)傳感器 智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 GSM/SMS 智能傳感器 半導(dǎo)體傳感器 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 紅外測試系統(tǒng) 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 紅外測試系統(tǒng) 第 3章 常用傳感器和敏感元件 紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由德國科學(xué)家霍胥爾于 1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射 ,他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計(jì)，試圖測量各種顏色的光的加熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計(jì)很快升溫。 因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。 紅外線可分為三部分： 近紅外線：波長為 ～ ； 中紅外線：波長為 ～ ； 遠(yuǎn)紅外線：波長為 ～ l000μm之間。 一、概述 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 紅外測試系統(tǒng) 第 3章