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第九章 几种新型传感器简介 9.1 光纤传感器 9.2 光栅传感器 9.3 生物传感器 9.4 超声波传感器 9.5 CCD传感器 9.1 光纤传感器 9.1.1 光纤结构及导光原理 结构: 原理:全反射 9.1.2光纤的主要特性参数 1．数值孔径NA 光线在光纤中全反射的入射角的大小称为光导纤维的孔径角，孔径角的正弦与入射光线所在媒质的折射率的乘积称为数值孔径NA。 数值孔径是表示光导纤维集光能力的一个参数，数值孔径越大表示光导纤维接收的光通量越多，这有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。 2．光纤模式 光纤模式简单地说就是光波沿着光纤传播的途径和方式。不同入射角度的光线，在界面上反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。光纤传播中的很多模式，对信息的传播是不利的，因为同一种光信号采取很多模式传播就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号，从而导致合成信号的畸变，因此，希望光纤模式数量越少越好。 3．传输损耗 由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗A可用下式表示 A=αl=10 式中 I ——光纤的长度 α——光纤单位长度上的损耗 I0——光纤入射端的光强 I——光纤输出端的光强 9.1.3 光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型：一类是物性型（或称为功能型）光纤传感器，另一类是结构型（或称为非功能型）光纤传感器。 在物性型光纤传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时又是敏感元件，即是利用被测物理量直接或间接对光纤传送光的光强（振幅）、相位、偏振态、波长等进行调制而构成的一类传感器。物性型光纤传感器的光纤本身就是敏感元件，因此，加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度，尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。但制造这类传感器的技术难度大，结构复杂，调整较困难。 结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路，所以要使这种光纤得到足够大的受光量和传输的光功率，则必须采用数值孔径和芯径较大的光纤。结构型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度低于物性型光纤传感器。 9.1.4光纤传感器及其应用 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管等。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作为光源的。 1．光纤光电式传感器测量位移 2．光纤传感器测量温度 9.2 光栅传感器 9.2.1光栅测量的基本原理 莫尔条纹具有下列重要特点： （1）莫尔条纹的移动与光栅的移动成对应关系。 在两光栅夹角θ一定的情况下，当一块光栅不动，另一块光栅沿x轴方向移动时莫尔条纹沿着近似垂直于光栅运动方向（近似沿y轴方向）运动。如果光栅移动一个栅距d，莫尔条纹对应地移动一个莫尔条纹间距w。并且，当主光栅沿x轴正方向（向右）移动时，莫尔条纹将向上（y轴正方向）移动，当主光栅沿x轴负方向（向左）移动时，莫尔条纹将向下（y轴负方向）移动。这种严格的对应关系，不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判断光栅尺的位移量，同时还可以根据莫尔条纹的移动方向来判断光栅尺的位移方向。 （2）莫尔条纹具有位移的放大作用 K= （3）莫尔条纹具有平均误差的效应。 莫尔条纹是由大量的栅线构成的，这对栅线宽度和栅距的刻线误差、栅线的断裂及其他疵病有平均作用，从而起到了减小光栅栅距局部误差的作用。 9.2.2 光栅传感器的结构 光栅传感器有透射式和反射式两种，他们由光源、主光栅、指示光栅和光电元件等几部分构成。透射式光栅传感器结构如图9-9所示，反射式光栅传感器的结构如图9-10所示。 9.2.3光栅传感器的辨向原理与细分技术 1．辨向原理 如果将两个光电接收元件在莫尔