第6章 新型传感器,6.1 集成温度传感器 6.2 光纤传感器 6.3 激光式传感器 6.4 图像传感器 本章小结,6.1 集成温度传感器,6.1.1 集成温度传感器的测温原理 1. PN结的温度特性 集成温度传感器的测温基础是PN结的温度特性。 2.集成温度传感器的测温简化电路分析 集成温度传感器内部多将一个晶体管的集电极与基极短路，构成温度特性更好的PN结，如图6-2中的VT1所示。,图6-1 二极管正向电压,6.1 集成温度传感器,图6-2 集成温度传感器,6.1.2 集成温度传感器类型,6.1 集成温度传感器,1. AD590电流输出型集成温度传感器 电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590电流输出型温度传感器的典型产品。 (1) AD590的特性 AD590是二端电流源器件，它的输出电流与器件所处的热力学温度(K)成正比，其温度系数为1A/K，0时该器件的输出电流为273A，AD590的工作温度为-55+150，外接电源电压在430V内任意选定。 (2) AD590的基本转换电路 AD590出厂时已经过校正，但实际上仍有一定的分散性，如图6-4所示，在25(T=298K)时，理想输出电流应为298A，但由于器件的调准电阻阻值不准，实际的比例关系曲线上移。,6.1 集成温度传感器,图6-3 AD590外部输出曲线,6.1 集成温度传感器,图6-4 器件的分散件,(3)摄氏温度测量电路 若要得到与摄氏温度成正比的电压输出，,6.1 集成温度传感器,可以用运算放大器的反向加法电路来实现电流/电压转换，如图6-5c所示。,图6-5 AD590的测量电路 a) AD590封装 b)电流/电压转换电路 c)摄氏温度转换电路,6.1 集成温度传感器,2.LM35/45电压输出型集成温度传感器 LM35/45是电压型集成温度传感器，其输出电压Uout与摄氏温度成正比，无需外部校正，测温范围为-55155，准确度可达0.5。,图6-6 LM35的塑料封装外形及电路符号,6.1 集成温度传感器,图6-7 LM45的贴片封装外形及内部电路框图,3.数字化测温芯片,6.1 集成温度传感器,图6-8 LM35/45构成的摄氏温度计电路 a)测量0.5以上温度的电路 b)测量-55+155温度的电路,6.1 集成温度传感器,图6-9 DS18S20温度巡回检测系统图,6.2 光纤传感器,6.2.1 光纤的结构和传输原理 1.光纤的结构 光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图6-10所示。,图6-10 光纤的结构,2.光纤的传输原理,6.2 光纤传感器,图6-11 光纤的传光原理,3.电光与光电转换器件 光纤两端必须与光发射器和光接收器匹配，如图6-12所示。,6.2 光纤传感器,图6-12 光纤与光发射器及光接收器的配合 1发射光纤 2接收光纤,6.2.2 光纤传感器的分类,6.2 光纤传感器,光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型(传感型)传感器；另一类是非功能型(传光型)传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振方向等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，由光纤将信息传送到二次仪表去。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤结合起来，大大提高了传输过程中的抗电磁干扰能力，可实现遥测和远距离传输。但光纤在传感器测量系统中仅起信号传输作用，本节重点介绍功能型传感器。,6.2 光纤传感器,1.强度调制型光纤传感器 强度调制型光纤传感器是应用较多的光纤传感器，它的结构比较简单，可靠性高，但灵敏度稍低，目前许多已达到商品化的阶段。,图6-13 强度调制型光纤传感器的几种形式 a)反射式 b)遮光式 c)吸收式 d)微弯式 e)接收光辐射式 f)荧光激励式 1传感臂光纤 2参考臂光纤 3半反半透镜(分束镜) 4光电探测器A 5光电探测器B 6透镜 7变形器 8荧光体,6.2 光纤传感器,(1)反射式 反射式的基本结构如图6-13a所示。 (2)遮光式 遮光式的基本结构如图6-13b所示。 (3)吸收式 吸收式的基本结构如图6-13c所示。 (4)微弯式 微弯式的基本结构如图6-13d所示。 (5)接收光辐射式 接收光辐射式的基本结构如图6-13e所示。 (6)荧光激励式 荧光激励式的基本结构如图6-13f所示。 2.相位调制型光纤传感器 某些被测量作用于光纤时，将引起光纤中光的相位发生变化。,图6-14 双路光纤干涉仪 1ILD 2分束镜 3透镜 4参考光纤(参考臂) 5传感光纤(测量臂) 6敏感头 7干涉条纹 8光电读出器,6.2 光纤传感器,6.2.3 光纤传感器的应用 1.光纤液位传感器 光纤液位传感器是利用强度调制型光纤反射式原理制成的，其工作原理如图6-15所示。,图6-15 光纤液位测量 a)不接触液体的工况 b)浸在液体中的工况 1入射光纤 2球形端面 3包层 4出射光纤,6.2 光纤传感器,2.光纤温度传感器 光纤温度传感器是利用强度调制型光纤荧光激励式原理制成的，如图6-16所示。,图6-16 光纤温度传感器 1感温黑色壳体 2液晶 3入射光纤 4出射光纤,3.光纤压力传感器 图6-17所示为一种按发光强度调制原理制成的,6.2 光纤传感器,光纤压力传感器结构。,图6-17 光纤压力传感器结构 1膜片 2光吸收层 3垫圈 4光纤 5桥式光接收线路 6发光二极管 7壳体 8棱镜 9上盖,6.3 激光式传感器,6.3.1 激光式传感器的工作原理,图6-18 激发与受激辐射过程 a)光吸收 b)光放大,1.激光的本质 原子正常分布状态下，多处于稳定的低能级E1状态。,6.3 激光式传感器,处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级，而且E2E1 。当原子处于E2能级上时，在能量为h=E2-E1的入射光子影响下(h为普朗克常量，h=6625610-34Js；为光的频率)，这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去，并发射出一个能量为h=E2-E1的光子。 2.激光的特点 (1)高方向性 高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。 (2)高亮度 激光在单位面积上集中的能量很高。 (3)高单色性 单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。 (4)高相干性 相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。,6.3 激光式传感器,6.3.2 激光器的种类 激光器的种类很多。按其工作物质不同，可以分为气体、液体、固体和半导体激光 1.气体激光器 气体激光器的工作物质是气体，其中有各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子、多原子气体和气体离子等。 气体激光器通常是利用激光器中的气体放电过程来进行激励的。光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成，球面镜的半径要比共振腔长大一些，如图619所示。图中虚线表示球面镜的半径。常用的气体激光器有氦氖激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器的转换效率低，输出功率一般为毫瓦级。二氧化碳(CO2)激光器是典型的气体激光器，它的输出功率大，可达几十瓦甚至上万瓦，可用于打孔、焊接和通信等。,6.3 激光式传感器,图6-19 平凹腔,2.固体激光器 固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)和钇铝石榴石(掺钇)。,6.3 激光式传感器,固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵)，也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状，安装在光学共振腔中，其轴线与两个反光镜相垂直)，使之激发起来，从而发出激光。为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯、氪弧灯、汞弧灯和碘钨灯等作为光泵源的简称)的光能，常采用各种聚光腔。如将工作物质和泵灯一起放在共振腔内，则腔内壁应镀上高光谱反射比的金属薄层，使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。 3.半导体激光器 半导体激光器最明显的特点是体积小、重量轻、结构紧凑。,6.3 激光式传感器,半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料，如砷化镓、砷磷化镓和磷化铟等。其中砷化镓应用最广，将它做成二极管形式，其主要部分是一个PN结，在PN结中存在导带和价带，如果把能量加在“价带”中的电子上，且注入的能量很大(通常以电流激励来获得)，就可以在导带与价带之间形成电子空穴数的反转分布，于是在注入的大电流作用下，电子与空穴重新重合，这时能量就以光子的形式放出，最后通过谐振腔的作用输出一定频率的激光。 6.3.3 激光传感器的应用,6.3 激光式传感器,激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、准确度高、测量范围广、抗光电干扰能力强。目前激光得到了广泛的应用。 1.长度检测 一般应用的干涉测长仪是迈克尔逊干涉仪，其结构如图6-20所示。 s=2(l1l2)=2l(63),图6-20 迈克尔逊干涉仪,6.3 激光式传感器,2.测量车速 车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器，其发散角为1520，发光波长为0.9m。,图6-21 激光测车速的电路框图,6.4 图像传感器,6.4.1 热成像技术 热成像技术是在红外检测的基础上发展起来的图像传感器技术。热电成像传感器主要由热电元件和扫描机构等组成。热电成像传感器可以检测到常规光电传感器无法响应的中、远红外信号，并得到发热物体的图像(热像)。热成像技术广泛应用于军事、医学、输变电、化工等许多领域。 1.红外热像的基本知识 在可见光照射下，通过透镜，物体可以在照相机的底片上留下影像。,6.4 图像传感器,红外线的波长在076100m之间。按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极红外四类，它在电磁波连续光谱中处于无线电波和可见光之间。任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会做无规则的热运动，并以电磁波的形式，不断地辐射出热红外能量，原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，辐射的波长愈短。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，并在计算机成像系统的显示屏上获得与物体表面热分布相对应的热像图。 2.热成像元件 热成像元件有热释电元件探测器及红外光子探测器。 (1)热释电元件探测器 当某些电介质晶体的温度发生变化时，其表面将产生电荷的变化。,6.4 图像传感器,(2)红外光子探测器 红外光子探测器是利用红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理制成的，特定波段的红外光子探测器所使用的材料各不相同。 3.热成像传感器分类 根据图像信号的分解方式，可将热成像传感器分成热释电摄像管及红外焦平面热像仪两大类。 (1)热释电摄像管 热释电摄像管类似于电视摄像管，主要由机械斩光器、物镜、靶面和电子枪四部分组成。 (2)红外焦平面热像仪 红外焦平面热像仪又称凝视型热像仪，在如图邮票大小的芯片上，集成了数十万个乃至数百万个探测器及其信号放大处理电路。 4.热成像传感器的应用 热成像传感器广泛应用于军事领域。,6.4 图像传感器,热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪装来看清目标。目前，最先进的红外热成像仪的温度分辨率可达005，手持式及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看清800m或更远的人体大小的目标。 6.4.2 电荷耦合器件 电荷耦合器件(CCD)是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路器件。它具有光电转换、信息贮存和传输功能，具有集成度高、功耗低、分辨率高、动态范围大等优点，广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信、自动检测和自动控制等。 1. CCD的基本工作原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器，与其他电容器一样，MOS电容器能够贮存电荷。,6.4 图像传感器,图6-22 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系