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第八章 新型传感器 8.1 光纤传感器 8.1.1光导纤维的结构和传光原理 一、光导纤维结构与类型 1、光纤结构 图8-1-1 2、类型 二、光纤传光原理 1．光在纤芯与包层交界面上的传博 ——入射角 ——反射角 ——折射角 所以 临界角 全反射（只有反射没有折射）条件： 2．光在光纤端头的传播 即 所以 光纤数值孔径 全反射要求 3．光在光纤内传播 1°在满足全反射条件下（或），光线就能在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射，呈锯齿形路线在芯内向前传播，从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光原理。 2°弯曲光纤：R—弯曲光纤曲率半径 d—光纤直径 R4d时，仍满足全反射条件，光纤传输损耗很小 R4d时，不满足全反射条件，光纤传输损耗很大 7.1.2光纤传感器的基本原理和类型 一、光纤传感器的基本原理 被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度(振幅)、相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。 二、光纤传感器的分类 功能型——光纤用作敏感元件，常用单模光纤 非功能型——光纤用作传感元件，常用多模光纤 三、传输光的调制方式 1．调制方式种类 光强调制——应用最多 光相位制 无频率制 光波长制 光偏振制 2．光强调制方式 ①辐射式 ②光纤位移式 图8－1-5 入射光纤不动 出射光纤不动 ③插入式 图8－1-6 ④微弯损耗式 图8－1-7 四、光纤传感器的优点缺点 优点 1、灵敏度高 2、电绝缘性能好，抗电磁干扰 3、耐腐蚀，耐高温 4、体积小，重量轻 缺点：断线修复需专用工具 8.2 CCD图象传感器 8.2.1 CCD的工作原理 CCD器件由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。 MOS光敏元阵列――执行光电转换功能，感光形成“电荷”图像 1、MOS光敏元结构 图8－2-1 金属电极上施加正偏压形成“势阱”，光生电子被势阱俘获形成 “电荷包”， 势阱所俘获的电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。 2、光敏元阵列――光敏元有规则的排列 一个光敏元――一个象素 光敏元阵列――一幅光生电荷图像 二、读出移位寄存器――执行电荷转移功能 1、结构原理 图8－2-2 特点：硅底复盖遮光层，只传送电荷包，不产生电荷包 每三个相邻的电极组成一个耦合单元(亦即传输单元)， 三个电极分别由三个相位相差120°的时钟脉冲,,来驱动， 2、电荷传输过程：每经历一个时钟脉冲周期，电荷就向右转移三极即转移一级。 8.2.2 CCD图象传感器的结构 一、线列阵 1、组成 2、结构 图8-2-4 (a)单排结构 (b)双排结构 3、工作过程： ①各光敏元同时曝光，生成“电荷包” ②各光敏元的电荷包同时并行转移到对应移位寄存器电极下 ③移位寄存器串行依次输出各个“电荷包” 二、面列阵 1、组成 图8-2-6 2、工作过程： 面曝光――各光敏元同时曝光，生成一幅“电荷包”图像 场转移――“电荷包”从光敏元面阵并行转移到存储器面阵 行转移――“电荷包”逐行从存储器面阵并行转移到水平读出移位寄存器 位移出――水平读出移位寄存器逐位串行输出，移出一行，再移下一行。 8.3激光与红外传感器 8.3.1激光传感器 一、激光的形成与特性 1、激光的形成 形成条件： (1)具有能形成粒子数反转状态的工作物质——增益介质； (2)具有供给能量的激励源； (3)具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。 2、激光的特性: (1)高方向性 (2)高亮度 (3)高单色性 (4)高相干性 二、激光传感器 激光干涉传感器 激光衍射传感器 激光扫描传感器 8.3.2 红外传感器 一、红外线及其特性 1、红外线在电磁波谱中的位置 图8-3-1 也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线,故称为红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波长范围大致在0.75μm～1000μm。 2、红外线的特性 具有可见光的一切特性， 具有光热效应，能辐射热量。 红外光在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。 二、红外探测器的类型 1、光敏红外探测器 1）电真空器件(光电管、光电倍增管)， 2）半导体器件 2、热敏红外探测器 1）对比 图7-3-2