1、第第5章章 新型傳感器簡介新型傳感器簡介5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器5.2 觸覺傳感器觸覺傳感器5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.4 磁性傳感器磁性傳感器5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器第第5章章 新型傳感器簡介新型傳感器簡介 從第從第2章到第章到第4章我們已經學習了十幾種常用的傳感器。章我們已經學習了十幾種常用的傳感器。隨著科學技術的發展，在不斷發現新現象、采用新原理、開隨著科學技術的發展，在不斷發現新現象、采用新原理、開發新材料和采用新工藝的基礎上，傳感器技術得到了很大的發新材料和采用新工藝的基礎上，傳感器技術得到了很大的進步與提高。同時，與單片機或者微計算機相結合的智能式進步與提

2、高。同時，與單片機或者微計算機相結合的智能式傳感器、生物傳感器也有了很大的發展。傳感器、生物傳感器也有了很大的發展。 新型傳感器技術含量高、功能強，相對傳統傳感器具有新型傳感器技術含量高、功能強，相對傳統傳感器具有很多優點。了解和學習這些新型的傳感器有助于我們打一大很多優點。了解和學習這些新型的傳感器有助于我們打一大視野，及時了解、掌握新型傳感器技術并加以應用。本章將視野，及時了解、掌握新型傳感器技術并加以應用。本章將介紹最近幾年發展起來的新型傳感器，包括介紹最近幾年發展起來的新型傳感器，包括CCD圖像傳感器、圖像傳感器、觸覺傳感器、光纖傳感器、磁性傳感器和集成溫度傳感器。觸覺傳感器、光纖傳感

3、器、磁性傳感器和集成溫度傳感器。返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器 圖像傳感器是采用光電轉換原理，用來攝取平血光學圖圖像傳感器是采用光電轉換原理，用來攝取平血光學圖像并使其轉換為電子圖像信號的器件。圖像傳感器必須具有像并使其轉換為電子圖像信號的器件。圖像傳感器必須具有兩個作用，一是具有把光信號轉換為電信號的作用兩個作用，一是具有把光信號轉換為電信號的作用;二是具有二是具有將平面圖像上的像素進行點陣取樣，并把這些像素按時間取將平面圖像上的像素進行點陣取樣，并把這些像素按時間取出的掃描作用。出的掃描作用。 電荷耦合器件又稱為電荷耦合器件又稱為CCD器件，如其外形如器件，如其外形如圖圖5-1所示

4、，所示，它是近年來新發展起來的一種半導體功能器件，能夠把光學它是近年來新發展起來的一種半導體功能器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。影像轉化為數字信號。下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器5.1.1 CCD圖像傳感器的結構圖像傳感器的結構 CCD更接近于人的視覺的工作方式，只不過人眼的視網更接近于人的視覺的工作方式，只不過人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞分工合膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞分工合作組成視覺感應。作組成視覺感應。CCD經過長達經過長達35年的發展，大致的形狀和年的發展，大致的形狀和運作方式都已經定型，如運作方式都已經定型，如圖圖5-

5、2示為示為CCD的三層結構示意圖，的三層結構示意圖，上層為增光鏡頭，中層為分色濾色片，下層為感光層。上層為增光鏡頭，中層為分色濾色片，下層為感光層。第一層：增光鏡頭第一層：增光鏡頭 CCD 成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD 的采的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。光率，必須擴展單一像素的受光面積。 感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而由微型鏡片感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而由微型鏡片的表面積來決定。的表面積來決定。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器第二層第二層 分色濾色片分色濾色片 CCD 的第二層是的第二層是“分色濾色片

6、分色濾色片”，目前有兩種分色方式：，目前有兩種分色方式：一是一是RGB 原色分色法，另一個則是原色分色法，另一個則是CMYK 補色分色法。補色分色法。 RGB 原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成。都可以通過紅、綠和藍來組成。 CMYK 補色分色法，是由青洋紅、黃、黑四個通道的顏補色分色法，是由青洋紅、黃、黑四個通道的顏色配合而成。色配合而成。 原色原色CCD 的優勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是的優勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。在印刷業中，噪聲問題。在印刷業中，CMYK 更為適用，但其調節出來的

7、更為適用，但其調節出來的顏色不及顏色不及RGB 的多。的多。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器第三層第三層 感光層感光層 CCD 的第三層是的第三層是“感光片感光片”，這層主要是負責將穿過，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到圖像處理芯濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到圖像處理芯片，將影像還原。感光層的基本組成部分是片，將影像還原。感光層的基本組成部分是MOS 型光通量傳型光通量傳感器如感器如圖圖5-3 所示。所示。 一個圖像傳感器是由縱橫方向上數千個光通量傳感器組成一個圖像傳感器是由縱橫方向上數千個光通量傳感器組成的矩陣和控制水平方向與垂直

8、方向掃描的移位寄存器組合而的矩陣和控制水平方向與垂直方向掃描的移位寄存器組合而成的。成的。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器5.1.2 CCD 傳感器的工作過程傳感器的工作過程 如如圖圖5-4 所示為所示為CCD 系統構成，主要由系統構成，主要由CCD 傳感器、放傳感器、放大器、模數轉換器和緩存構成。其中，大器、模數轉換器和緩存構成。其中，CCD 傳感器由成像區、傳感器由成像區、暫存區和水平讀出寄存器三部分構成，每個成像單元稱為一暫存區和水平讀出寄存器三部分構成，每個成像單元稱為一個像索（個像索（Pixel ) ，假定有，假定有M 個轉移溝道，每個溝道有個轉移溝道，每個溝道有

9、N 個成個成像單元，那么整個成像區共有像單元，那么整個成像區共有M *N 個像索。個像索。CCD 傳感器的傳感器的暫存區的結構和單元數與成像區相似，暫存區與水平讀出寄暫存區的結構和單元數與成像區相似，暫存區與水平讀出寄存器均需作遮光處理。存器均需作遮光處理。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器 CCD 傳感器工作時，圖像經物鏡在成像區成像，給成像傳感器工作時，圖像經物鏡在成像區成像，給成像區上面的電極加上適當的偏壓時，光生電荷被收集到電極下區上面的電極加上適當的偏壓時，光生電荷被收集到電極下方的勢阱里，這樣就將光學圖像變成了電荷包圖像。當光積方的勢阱里，這樣就將光學圖像變成了電

10、荷包圖像。當光積分周期結束時，加到成像區和暫存區電極上的時鐘脈沖使所分周期結束時，加到成像區和暫存區電極上的時鐘脈沖使所有收集到的信號電荷迅速轉移到暫存區中，然后經由水平讀有收集到的信號電荷迅速轉移到暫存區中，然后經由水平讀出寄存器，在時鐘脈沖控制下，通過輸出極逐行輸出一幀信出寄存器，在時鐘脈沖控制下，通過輸出極逐行輸出一幀信息，在第一幀讀出的同時，第二幀信息通過光積分又收集到息，在第一幀讀出的同時，第二幀信息通過光積分又收集到勢阱中，這樣，就可以一幀一幀連續地讀出。勢阱中，這樣，就可以一幀一幀連續地讀出。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器5.1.3 CCD 圖像傳感器的種類

11、圖像傳感器的種類 用于圖像傳感器的用于圖像傳感器的CCD 又稱攝像或像敏又稱攝像或像敏CCD 。它的功。它的功能是把二維圖像光學信號轉變成一維視頻信號或數字信號。能是把二維圖像光學信號轉變成一維視頻信號或數字信號。從結構上可分為線陣從結構上可分為線陣CCD 和面陣和面陣CCD 兩大類。兩大類。 線陣線陣CCD 結構簡單，成本較低，可以同時儲存一行電視結構簡單，成本較低，可以同時儲存一行電視信號，能夠實現動態測量，并能在低照度下工作。所以線陣信號，能夠實現動態測量，并能在低照度下工作。所以線陣CCD 廣泛地應用于產品尺寸測量、非接觸尺寸測量、條形碼廣泛地應用于產品尺寸測量、非接觸尺寸測量、條形碼

12、等許多領域。等許多領域。 面陣面陣CCD的優點是結構較簡單、容易增加像素數，缺點的優點是結構較簡單、容易增加像素數，缺點是是CCD 尺寸較大、易產生垂直拖影。尺寸較大、易產生垂直拖影。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器5.1.4 CCD 圖像傳感器的應用圖像傳感器的應用CCD 工件外形檢測工件外形檢測 在機械零部件生產過程中，零件外徑尺寸的測量占有重在機械零部件生產過程中，零件外徑尺寸的測量占有重要地位，快速、準確地測量出零件的主要參數可以縮短整個要地位，快速、準確地測量出零件的主要參數可以縮短整個產時的生產周期，并有利于實現自動化。產時的生產周期，并有利于實現自動化。 圖圖

13、5-6 所示為所示為CCD 工件尺寸檢測系統組成框圖。該檢測工件尺寸檢測系統組成框圖。該檢測系統主要由傳感器系統、測量平臺、運動控制系統及軟件系系統主要由傳感器系統、測量平臺、運動控制系統及軟件系統等幾部分構成。統等幾部分構成。上一頁 下一頁返回5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器火車軸承滾子的表面探傷火車軸承滾子的表面探傷 磁粉探傷的原理是：當將滾子磁化后，磁力線在有表面磁粉探傷的原理是：當將滾子磁化后，磁力線在有表面缺陷的部位會發生變化，部分磁力線逸出，在缺陷處形成磁缺陷的部位會發生變化，部分磁力線逸出，在缺陷處形成磁極，從而產生漏磁場；當在滾子表面噴灑熒光磁粉懸液時，極，從而產生漏磁場；當

14、在滾子表面噴灑熒光磁粉懸液時，磁粉將被吸附在漏磁場處形成磁痕，在紫外光照射的條件下，磁粉將被吸附在漏磁場處形成磁痕，在紫外光照射的條件下，熒光磁粉將受激發射出熒光，由高像素熒光磁粉將受激發射出熒光，由高像素CCD 攝像機對其進行攝像機對其進行攝像，經計算機進行相關圖像處理后，對可疑缺陷進行增強攝像，經計算機進行相關圖像處理后，對可疑缺陷進行增強顯示并發出聲響預警，同時將可疑缺陷圖像輸出打印，從而顯示并發出聲響預警，同時將可疑缺陷圖像輸出打印，從而達到探傷的目的。達到探傷的目的。 該自動檢測系統主要由計算機、磁粉探傷機及控制部分、該自動檢測系統主要由計算機、磁粉探傷機及控制部分、光學部分、圖像處

15、理部分、步進電機及控制等部分組成。其光學部分、圖像處理部分、步進電機及控制等部分組成。其系統組成框圖如系統組成框圖如圖圖5-8 所示。所示。上一頁 返回5.2 觸覺傳感器觸覺傳感器 觸覺傳感器的原型是模仿人的觸覺功能，目的是通過觸觸覺傳感器的原型是模仿人的觸覺功能，目的是通過觸覺傳感器與被識別物體的接觸或相互作用來完成對被識別物覺傳感器與被識別物體的接觸或相互作用來完成對被識別物體表面特征及物理性能的感知。為了實現這一功能，研究者體表面特征及物理性能的感知。為了實現這一功能，研究者們設計了各種形式的觸覺傳感器以滿足多種需要。們設計了各種形式的觸覺傳感器以滿足多種需要。 觸覺傳感器按傳感原理基本

16、上可以分為開關式、壓阻式、觸覺傳感器按傳感原理基本上可以分為開關式、壓阻式、壓電式、光電式、電容式、電磁式等幾類，下面分別介紹有壓電式、光電式、電容式、電磁式等幾類，下面分別介紹有代表性的幾種觸覺傳感器。代表性的幾種觸覺傳感器。下一頁返回5.2 觸覺傳感器觸覺傳感器5.2.1 開關式觸覺傳感器開關式觸覺傳感器 開關式觸覺傳感器是用于檢測物體是否存在的一種最簡開關式觸覺傳感器是用于檢測物體是否存在的一種最簡單的觸覺制動器件。開關內部分隔成兩個電接點。當一個電單的觸覺制動器件。開關內部分隔成兩個電接點。當一個電極上承受大于閥值的力時，該電極與另一個電極接觸，這樣極上承受大于閥值的力時，該電極與另一

17、個電極接觸，這樣可以用一個電路來檢測該開關是否接觸。可以用一個電路來檢測該開關是否接觸。 工業上利用小型開關陣列形成一種價廉觸覺傳感器，但工業上利用小型開關陣列形成一種價廉觸覺傳感器，但是這種陣列的空間分辨率較低。這種跟輸出信號的二進制相是這種陣列的空間分辨率較低。這種跟輸出信號的二進制相對應的二值陣列觸覺傳感器，嚴重地限制、影響了其提供信對應的二值陣列觸覺傳感器，嚴重地限制、影響了其提供信息的質量。息的質量。圖圖5-9 所示即為開關式傳感器的原理圖。所示即為開關式傳感器的原理圖。上一頁 下一頁返回5.2 觸覺傳感器觸覺傳感器5.2.2 光學式觸覺傳感器光學式觸覺傳感器 光照射到界面的角度通過

18、界面法線測量。若光照射到有光照射到界面的角度通過界面法線測量。若光照射到有機玻璃和空氣界面的角度大于機玻璃和空氣界面的角度大于C，則光沿著有機玻璃光波導，則光沿著有機玻璃光波導傳播，光波導表面跟外部物體接觸時，接觸點處全內反射被傳播，光波導表面跟外部物體接觸時，接觸點處全內反射被破壞，光從光波導相反一側出射。破壞，光從光波導相反一側出射。 利用這種原理可以制成高分辨率的觸覺傳感器在實際應利用這種原理可以制成高分辨率的觸覺傳感器在實際應用中，通常用一塊韌性的薄膜層設置在外部物體和光波導之用中，通常用一塊韌性的薄膜層設置在外部物體和光波導之間，以便保護光波導并隔斷外部光源。間，以便保護光波導并隔斷

19、外部光源。圖圖5-10 所示為采用這所示為采用這種效應的觸覺傳感器原理圖。種效應的觸覺傳感器原理圖。上一頁 下一頁返回5.2 觸覺傳感器觸覺傳感器5.2.3 壓阻陣列觸覺傳感器壓阻陣列觸覺傳感器 壓阻式陣列觸覺傳感器的基本結構是由外接引線、上壓阻式陣列觸覺傳感器的基本結構是由外接引線、上（行）下（列）電極及壓阻材料等構成，上（行）電極與下（行）下（列）電極及壓阻材料等構成，上（行）電極與下（列）電極相垂直，上（行）下（列）電極的交叉點定義為（列）電極相垂直，上（行）下（列）電極的交叉點定義為陣列觸覺的一個觸覺單元，外接引線從相互平行的觸覺單元陣列觸覺的一個觸覺單元，外接引線從相互平行的觸覺單元

20、上引出，壓阻材料放在上（行）下（列）電極中間，如圖上引出，壓阻材料放在上（行）下（列）電極中間，如圖5-11 所示。所示。 在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關鍵的構件是敏感材料在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關鍵的構件是敏感材料和電極。和電極。 另外，各向異性壓阻材料的應用也受到廣泛的重視，如敏另外，各向異性壓阻材料的應用也受到廣泛的重視，如敏感材料在感材料在z 方向有壓阻變化特性，在方向有壓阻變化特性，在x , y 方向則無論受壓與否，方向則無論受壓與否，均有較大的阻值。均有較大的阻值。上一頁 返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器相對于常規傳感器具有以下特點：光纖傳感器相對于常規傳感器具有以

21、下特點： 1抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強 2 靈敏度高靈敏度高 3 重量輕、體積小重量輕、體積小 4 適于遙測適于遙測 由于光纖傳感器的這些獨特優點和廣泛的潛在應用，使由于光纖傳感器的這些獨特優點和廣泛的潛在應用，使其得以迅速發展。自其得以迅速發展。自1977 年以來已研制出多種光纖傳感器，年以來已研制出多種光纖傳感器，測量范圍包括位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振測量范圍包括位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電流、電壓、磁場和核輻射等。動、水聲、溫度、電流、電壓、磁場和核輻射等。下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.3.1 光纖的結構光纖的結構 光纖由纖芯

22、、包層及外套組成，如光纖由纖芯、包層及外套組成，如圖圖5-13 所示。所示。 纖芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑纖芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體，一般直徑約為約為5150m。包在纖芯外的一層叫包層，材料也是玻璃或。包在纖芯外的一層叫包層，材料也是玻璃或塑料等。纖芯的折射率大于涂層的折射率，所以光纖具有使塑料等。纖芯的折射率大于涂層的折射率，所以光纖具有使光束封閉在纖芯里面傳輸的功能。外套起保護光纖的作用，光束封閉在纖芯里面傳輸的功能。外套起保護光纖的作用，它的折射率大于涂層的折射率。人們通常把較長的或多股的它的折射率大于涂層的折射率。人們通常把較長的或多股的光纖稱之為光纜。

23、光纖稱之為光纜。上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.3.2 光纖的工作原理光纖的工作原理 下面以階躍型多模光纖為例，來說明光纖的工作原理。下面以階躍型多模光纖為例，來說明光纖的工作原理。 如如圖圖5-14 所示，當光線從空氣（折射率為所示，當光線從空氣（折射率為n0）中射入光纖）中射入光纖的一個端面，并與其軸線的夾角為的一個端面，并與其軸線的夾角為時，在光纖內折射成角時，在光纖內折射成角 ，然后以角然后以角 入射到纖芯與涂層的交界面上。若入射入射到纖芯與涂層的交界面上。若入射角角 大于臨界角大于臨界角 ，則入射的光線就能在交界面上產生全反，則入射的光線就能在交界面上產生全反射，并

24、在光纖內部以同樣的角度反復包層全反射向前傳播，射，并在光纖內部以同樣的角度反復包層全反射向前傳播，直至從光纖的另一端射出。若光纖兩端同處于空氣之中，則直至從光纖的另一端射出。若光纖兩端同處于空氣之中，則出射角也將為出射角也將為。上一頁 下一頁返回 90C 從空氣中射人光纖的光并不一定都能在光纖中產生全反從空氣中射人光纖的光并不一定都能在光纖中產生全反射，當入射的光線就不能在交界面產生全反射時，大部分光射，當入射的光線就不能在交界面產生全反射時，大部分光線將穿透包層而逸出，即漏光。線將穿透包層而逸出，即漏光。 如果引人光纖的數值孔徑如果引人光纖的數值孔徑NA 這個概念，則：這個概念，則： 可以看

25、出，纖芯與包層的折射率差值越大，數值孔徑就可以看出，纖芯與包層的折射率差值越大，數值孔徑就越大，光纖的集光能力就越強。越大，光纖的集光能力就越強。上一頁 下一頁返回222101sinnnnNAc5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.3.3 光纖的種類光纖的種類 從構成光纖的材料來看，光纖可分為玻璃光纖和塑料光從構成光纖的材料來看，光纖可分為玻璃光纖和塑料光纖。從性能和可靠性而言，不論是通信用光纖或傳感用光纖，纖。從性能和可靠性而言，不論是通信用光纖或傳感用光纖，當前大多采用玻璃光纖。當前大多采用玻璃光纖。 光纖按其傳輸的模式，可分為單模光纖和多模光纖兩類。光纖按其傳輸的模式，可分為單模光纖和多模光纖

26、兩類。 根據折射率的變化規律，光纖分為梯度型和階躍型兩種。根據折射率的變化規律，光纖分為梯度型和階躍型兩種。 各種光纖如各種光纖如圖圖5-15所示所示上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.3.4 光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器有功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器光纖傳感器有功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器兩大類。兩大類。功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 功能型光纖傳感器主要有光強調制型光纖傳感器、光功能型光纖傳感器主要有光強調制型光纖傳感器、光相位調制型光纖傳感器、光偏振態調制型光纖傳感器三種。相位調制型光纖傳感器、光偏振態調制型光纖傳感器三種。 1）光強調制型光纖傳感器）

27、光強調制型光纖傳感器 光纖微彎位移（壓力）傳感器是光強調制型光纖傳感器光纖微彎位移（壓力）傳感器是光強調制型光纖傳感器的一個典型例子，它是基于光纖微彎而產生的彎曲損耗原理的一個典型例子，它是基于光纖微彎而產生的彎曲損耗原理制成的。制成的。上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器2）光相位調制型光纖傳感器）光相位調制型光纖傳感器 光相位調制型光纖傳感器是利用被測量引起光纖中光相光相位調制型光纖傳感器是利用被測量引起光纖中光相位變化的原理制成的。這種傳感器具有靈敏度高、靈活性好位變化的原理制成的。這種傳感器具有靈敏度高、靈活性好和多樣的特點。常見的有邁克爾遜、馬赫和多樣的特點。常見的有邁克爾

28、遜、馬赫-琴特、薩占納克和琴特、薩占納克和法勃法勃-帕脫四種相位干涉型。它們的共同點是：光源發出的光帕脫四種相位干涉型。它們的共同點是：光源發出的光都要經棱鏡分成兩束或更多束的光，這些光沿不同的路徑傳都要經棱鏡分成兩束或更多束的光，這些光沿不同的路徑傳播后，分離出的光束又組合在一起去激勵一個光敏元件或顯播后，分離出的光束又組合在一起去激勵一個光敏元件或顯示干涉條紋。示干涉條紋。 如如圖圖5-17 所示為利用馬赫所示為利用馬赫-琴特干涉儀測量壓力或溫度的琴特干涉儀測量壓力或溫度的相位調制型光纖傳感器的組成原理圖。相位調制型光纖傳感器的組成原理圖。上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器3）

29、光偏振態調制型光纖傳感器）光偏振態調制型光纖傳感器 偏振態調制型光纖傳感器能檢測出由于外界因索引起的偏振態調制型光纖傳感器能檢測出由于外界因索引起的光纖內部光的偏振態的變化。最典型的是光纖電流傳感器，光纖內部光的偏振態的變化。最典型的是光纖電流傳感器，其工作原理是根據磁旋效應做成的，主要應用于高壓傳輸線其工作原理是根據磁旋效應做成的，主要應用于高壓傳輸線中。中。 如如圖圖5-18 所示為光纖大電流傳感器原理框圖。所示為光纖大電流傳感器原理框圖。 除利用磁旋效應的光偏振調制外，還可以利用光旋效應、除利用磁旋效應的光偏振調制外，還可以利用光旋效應、光彈效應、電光效應和電旋效應等制成光偏振態調制型光

30、纖光彈效應、電光效應和電旋效應等制成光偏振態調制型光纖傳感器，所以是應用很廣、開發潛力很大的一類光纖傳感器。傳感器，所以是應用很廣、開發潛力很大的一類光纖傳感器。上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器 光纖在這類傳感器中只是作為傳光的媒質，需要和其他光纖在這類傳感器中只是作為傳光的媒質，需要和其他敏感元件一起才能組成傳感器。其結構比較簡單，并能充分敏感元件一起才能組成傳感器。其結構比較簡單，并能充分利用光電元件和光纖本身的特點，因此目前很受重視。常見利用光電元件和光纖本身的特點，因此目前很受重視。常見的有光纖位移傳感器、光纖溫度傳感器等。的有光纖位移

31、傳感器、光纖溫度傳感器等。1）光纖位移傳感器）光纖位移傳感器 光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器，其原理如光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器，其原理如圖圖 5-19 所示。所示。 光纖采用光纖采用Y 型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射體，再被從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收。反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收。上一頁 下一頁返回5.3 光纖傳感器

32、光纖傳感器 轉換器接受到的光與反射體表面性質、反射體到光纖探轉換器接受到的光與反射體表面性質、反射體到光纖探頭距離有關，當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強頭距離有關，當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。點后又隨兩者的距離增加而減小。2）光纖溫度傳感

33、器）光纖溫度傳感器 圖圖5-21 所示所示,把半導體材料用支架夾持在發射光纖和接收把半導體材料用支架夾持在發射光纖和接收光纖之間，當溫度變化時半導體的透光率隨之變化，接收光光纖之間，當溫度變化時半導體的透光率隨之變化，接收光纖接收到的光量也變化。經后續電路處理后送顯示電路顯示。纖接收到的光量也變化。經后續電路處理后送顯示電路顯示。上一頁 返回5.3 光纖傳感器光纖傳感器5.4 磁性傳感器磁性傳感器磁是人們所熟悉的一種物理現象，因此磁傳感器具有占老的磁是人們所熟悉的一種物理現象，因此磁傳感器具有占老的歷史。最簡單的把磁轉換成電的磁傳感器就是線圈，根據電歷史。最簡單的把磁轉換成電的磁傳感器就是線圈

34、，根據電磁感應定律，在切割磁通的電路里，產生的感應電動勢與磁磁感應定律，在切割磁通的電路里，產生的感應電動勢與磁通的變化速率成正比。隨著科學技術的發展，利用磁場作用通的變化速率成正比。隨著科學技術的發展，利用磁場作用使物質的電性能發生變化的各種物理效應，制成了固體化磁使物質的電性能發生變化的各種物理效應，制成了固體化磁傳感器，從而使磁場強度轉換為電信號。磁傳感器的種類較傳感器，從而使磁場強度轉換為電信號。磁傳感器的種類較多，制作磁傳感器的材料有半導體、磁性體、超導體等，不多，制作磁傳感器的材料有半導體、磁性體、超導體等，不同材料制作的傳感器其工作原理和特性也不相同。本節重點同材料制作的傳感器其

35、工作原理和特性也不相同。本節重點介紹一些常用的磁傳感器介紹一些常用的磁傳感器下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器5.4.1 磁敏電阻器磁敏電阻器 將一載流導體置于外磁場中，其電阻隨磁場變化而變化將一載流導體置于外磁場中，其電阻隨磁場變化而變化的現象稱為磁電阻效應，簡稱磁阻效應。磁敏電阻器就是利的現象稱為磁電阻效應，簡稱磁阻效應。磁敏電阻器就是利用磁阻效應制成的一種磁敏元件。當溫度恒定時，在弱磁場用磁阻效應制成的一種磁敏元件。當溫度恒定時，在弱磁場范圍內，磁阻與磁感應強度范圍內，磁阻與磁感應強度B 的平方成正比。用公式表示為：的平方成正比。用公式表示為： 磁場一定時，遷移率高的材料磁阻效應明顯

36、。磁場一定時，遷移率高的材料磁阻效應明顯。圖圖5-22 所所示為利用這種效應制成的磁敏電阻器。示為利用這種效應制成的磁敏電阻器。上一頁 下一頁返回)273. 01 (220BB5.4 磁性傳感器磁性傳感器5.4.2 磁敏二極管的工作原理和主要特性磁敏二極管的工作原理和主要特性 磁敏二極管的結構如磁敏二極管的結構如圖圖5-23 （a）所示，圖）所示，圖5-23 （b）為）為磁敏二極管的電路符號。磁敏二極管的電路符號。 當對磁敏二極管加正向偏壓，即當對磁敏二極管加正向偏壓，即P+接電源正極，接電源正極，N+接負接負極，則極，則P+-I 結向結向I 區注入空穴，區注入空穴，N+-I 結向結向I 區注

37、入電子，因而區注入電子，因而有電流有電流I 流過二極管。電流流過二極管。電流I 的大小將隨外加磁場的變化而變的大小將隨外加磁場的變化而變化，具體情況如下（如化，具體情況如下（如圖圖5-24） ： 1)當外磁場當外磁場B = 0 時，時，磁感應強度的方向磁感應強度的方向如圖如圖5-24 （a） 2)當外磁場當外磁場B = B+ 時，時，磁感應強度的方向磁感應強度的方向如圖如圖5-24 （b） 3)當外磁場當外磁場B = B- 時，時，磁感應強度的方向磁感應強度的方向如圖如圖5-24 （c） 上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器主要特性：主要特性：（1）伏安特性。磁敏二極管所加正向偏壓與

38、二極管流過電流的）伏安特性。磁敏二極管所加正向偏壓與二極管流過電流的關系稱為伏安特性，不同磁場作用下，其伏安特性不同。關系稱為伏安特性，不同磁場作用下，其伏安特性不同。（2）磁電特性。磁敏二極管輸出電壓的變比與外加磁場的關系）磁電特性。磁敏二極管輸出電壓的變比與外加磁場的關系稱為磁電特性。磁敏二極管隨外加磁場方向的變化可以產生稱為磁電特性。磁敏二極管隨外加磁場方向的變化可以產生正負輸出電壓的變化，在正磁場作用下電壓升高，在負磁場正負輸出電壓的變化，在正磁場作用下電壓升高，在負磁場作用下電壓降低。磁電特性與線路的連接形式有關，通常有作用下電壓降低。磁電特性與線路的連接形式有關，通常有單只接法和互

39、補接法兩種電路基本形式。單只接法和互補接法兩種電路基本形式。上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器（3）溫度特性。磁敏二極管的溫度特性是指溫度的變化與輸出）溫度特性。磁敏二極管的溫度特性是指溫度的變化與輸出電壓變化之間的關系。磁敏二極管的溫度特性有正溫度系數電壓變化之間的關系。磁敏二極管的溫度特性有正溫度系數和負溫度系數兩種，如鍺磁敏二極管是負溫度系數，硅磁敏和負溫度系數兩種，如鍺磁敏二極管是負溫度系數，硅磁敏二極管是正溫度系數。二極管是正溫度系數。（4）頻率特性。磁敏二極管的頻率特性取決于注入載流子在本）頻率特性。磁敏二極管的頻率特性取決于注入載流子在本征區域內被復合和保持動態平衡的

40、時間，而與元件的尺寸大征區域內被復合和保持動態平衡的時間，而與元件的尺寸大小無關，載流子復合和保持動態平衡的時間越短，頻率特性小無關，載流子復合和保持動態平衡的時間越短，頻率特性越好越好.上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器5.4 .3 磁敏三極管磁敏三極管1.磁敏三極管的結構磁敏三極管的結構 磁敏三極管的結構如磁敏三極管的結構如圖圖5-28 所示。在弱所示。在弱P 型或弱型或弱N 型本型本征半導體上用合金法或擴散法形成發射極、基極和集電極。征半導體上用合金法或擴散法形成發射極、基極和集電極。其最大的特點是基區較長，基區結構類似磁敏二極管，也有其最大的特點是基區較長，基區結構類似磁敏

41、二極管，也有高復合速率的：高復合速率的：r 區和本征區和本征I 區。長基區分為運輸基區和復合區。長基區分為運輸基區和復合基區，運輸基區主要是將發射極注人的載流子輸運到集電極，基區，運輸基區主要是將發射極注人的載流子輸運到集電極，復合基區的作用是使從發射極和基極注入的載流子復合。復合基區的作用是使從發射極和基極注入的載流子復合。上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器2. 工作原理工作原理 現在以鍺磁敏三極管為例來說明磁敏三極管的工作原理，現在以鍺磁敏三極管為例來說明磁敏三極管的工作原理，如如圖圖5-29 所示。所示。 圖圖a，b，c分別表示外磁場為分別表示外磁場為0，正，負的情況。，正，

42、負的情況。 由圖可知，磁敏三極管在正反向磁場作用下，其集電極由圖可知，磁敏三極管在正反向磁場作用下，其集電極電流出現明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁電流出現明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉速、位移等物理量。場、電流、轉速、位移等物理量。上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器3 磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性（1）磁電特性。磁敏三極管的磁電特性是其應用的基礎，在弱）磁電特性。磁敏三極管的磁電特性是其應用的基礎，在弱磁場作用下接近于一條直線，即集電極電流的變化隨磁感應磁場作用下接近于一條直線，即集電極電流的變化隨磁感應強度近似為線性關系。強度近

43、似為線性關系。（2）伏安特性。磁敏三極管的伏安特性與普通三極管的伏安特）伏安特性。磁敏三極管的伏安特性與普通三極管的伏安特性相似，但電流放大倍數大。性相似，但電流放大倍數大。（3）溫度特性。磁敏三極管受溫度影響較大，使用時必須進行）溫度特性。磁敏三極管受溫度影響較大，使用時必須進行溫度補償。磁敏三極管的溫度系數有正、負之分，硅磁敏三溫度補償。磁敏三極管的溫度系數有正、負之分，硅磁敏三極管的溫度系數為負，鍺磁敏三極管的溫度系數為正，因此極管的溫度系數為負，鍺磁敏三極管的溫度系數為正，因此可采用相反溫度系數的普通三極管或磁敏二極管及電阻進行可采用相反溫度系數的普通三極管或磁敏二極管及電阻進行補償。

44、補償。上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器5.4.4 磁性傳感器的應用磁性傳感器的應用 磁性傳感器除用于磁場的測量外，特別適宜作無觸點開磁性傳感器除用于磁場的測量外，特別適宜作無觸點開關、無接觸電位計。應用范圍很廣，如轉速測量、風速測量、關、無接觸電位計。應用范圍很廣，如轉速測量、風速測量、流量測量等。流量測量等。1）無接觸線位移傳感器）無接觸線位移傳感器 無接觸線位移傳感器主要用于測量位移或與位移量有關無接觸線位移傳感器主要用于測量位移或與位移量有關的機械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距離等。的機械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距離等。 圖圖5-30 所示是一個三端差分型所示是一個

45、三端差分型lnSb磁敏直線位移傳感器。磁敏直線位移傳感器。永久磁鐵處于左右兩磁敏電阻各二分之一的中心位置，將分永久磁鐵處于左右兩磁敏電阻各二分之一的中心位置，將分壓比為壓比為50 的點作為位移原點。的點作為位移原點。上一頁 下一頁返回5.4 磁性傳感器磁性傳感器2）磁敏二極管漏磁探傷儀）磁敏二極管漏磁探傷儀 磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測弱磁磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化的特性而設計的。其原理如場變化的特性而設計的。其原理如圖圖5-31 所示，漏磁探傷儀所示，漏磁探傷儀由激勵線圈、鐵心、放大器、磁敏二極管探頭等部分構成。由激勵線圈、鐵心、放大器、磁敏二極管

46、探頭等部分構成。 3）磁敏三極管電位器）磁敏三極管電位器 利用磁敏三極管制成的無觸點電位器原理圖如利用磁敏三極管制成的無觸點電位器原理圖如圖圖5-32所所示。將磁敏三極管置于磁場中，改變磁敏三極管基極電流，示。將磁敏三極管置于磁場中，改變磁敏三極管基極電流，該電路的輸出電壓在該電路的輸出電壓在0 . 7 15V 內連續變化，這樣就等效于一內連續變化，這樣就等效于一個電位器，且無觸點，因而該電位器可用于變化頻繁、調節個電位器，且無觸點，因而該電位器可用于變化頻繁、調節迅速、噪聲要求低的場合。迅速、噪聲要求低的場合。上一頁 返回5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器 最近幾年出現了深受人們歡迎的集成

47、溫度傳感器，集成最近幾年出現了深受人們歡迎的集成溫度傳感器，集成溫度傳感器是利用晶體管溫度傳感器是利用晶體管PN 結的電流和電壓特性與溫度的關結的電流和電壓特性與溫度的關系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化，并把系，把敏感元件、放大電路和補償電路等部分集成化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它與半它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測元件。它與半導體熱敏電阻一樣，具有體積小、反應快、線性好、性能高、導體熱敏電阻一樣，具有體積小、反應快、線性好、性能高、價格低、抗干擾能力強等特點。但由于價格低、抗干擾能力強等特點。但由于PN 結受耐熱性能和特結受耐熱性能和特性范圍的

48、限制，只能用來測性范圍的限制，只能用來測150 以下的溫度。以下的溫度。 集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓型和電流型兩類。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓型和電流型兩類。集成溫度傳感器除了測量溫度外，還可用于溫度補償元件及集成溫度傳感器除了測量溫度外，還可用于溫度補償元件及家用電器中的溫度控制元件，在工業領域得到了廣泛應用。家用電器中的溫度控制元件，在工業領域得到了廣泛應用。下一頁返回5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器5.5.1 半導體半導體PN 結的伏安特性結的伏安特性 一般情況下，半導體一般情況下，半導體PN 結的伏安特性用公式表示：結的伏安特性用公式表示：求得：求得：正向壓降正向壓降U

49、 與溫度與溫度T 近似成線性關系近似成線性關系 上一頁 下一頁返回) 1-e (kTqUSII SIIqUlnkT常數SIIqdTUlnkd5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器5.5.2 集成溫度傳感器的基本工作原理集成溫度傳感器的基本工作原理 實際使用中，二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但實際使用中，二極管作為溫度傳感器雖然工藝簡單，但線性特性差，因而選擇把線性特性差，因而選擇把NPN 晶體三極管的基極和集電極短晶體三極管的基極和集電極短接，利用基極和發射極作為感溫元件。這樣更接近理想的接，利用基極和發射極作為感溫元件。這樣更接近理想的PN 結特性。目前在集成溫度傳感器中，都采用一對非常匹

50、配的結特性。目前在集成溫度傳感器中，都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元器件差分對管作為溫度敏感元器件 如如圖圖5-33 是集成溫度傳感器基本原理圖。是集成溫度傳感器基本原理圖。 可以看出，如果保證可以看出，如果保證 恒定，恒定， 與溫度與溫度T 成單值線成單值線性函數關系性函數關系.上一頁 下一頁返回)ln()ln(211221beIIqkTAEAEIIqkTU21IIbeU5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器5.5.3 電壓輸出型集成溫度傳感器電壓輸出型集成溫度傳感器 電壓輸出型集成溫度傳感器電路原理如電壓輸出型集成溫度傳感器電路原理如圖圖5 -34 所示。當所示。當電流電流I1恒定

51、時，通過改變恒定時，通過改變R1 的阻值，可實現的阻值，可實現I1=I2，當晶體管，當晶體管的的1時，電路的輸出電壓可表示為：時，電路的輸出電壓可表示為：上一頁 下一頁返回ln1221be22qkTRRRRURIUO5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器5.5.4 電流輸出型集成溫度傳感器電流輸出型集成溫度傳感器 電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路如電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路如圖圖5-35 所示。所示。 流過電路的總電流流過電路的總電流IT為：為： 可以看出，當可以看出，當R 和和一定時，電路的輸出電流與溫度有良一定時，電路的輸出電流與溫度有良好的線性關系。好的線性關系。 上一頁 下一頁返回ln222be1qRkTRUIIT5.5 集成溫度傳感器集成溫度傳感器5.5.5 集成溫度傳感器應用集成溫度傳感器應用LM135 / LM235 / LM335 系列電壓輸出型集成溫度傳感器的系列電壓輸出型集成溫度傳感器的應用應用 LM135/M235 /