几种新型传感器

3-2传感器概述传感器是实现自动测试和自动控制的首要环节，对原始信息进行精确可靠的采捕获和转换，相当于人体神经定义：将被测物理量转换为与之对应的有确切对应关系的输出量的器件或装置，或者把从被测对象中感受到的有用信息进行转换、传送的器件测量非电量，转换为电量传感器概述传感器作用：将如温度、压力、流量等被控参数转换为电信号，传感器组成：敏感元件转换元件测量辅助电路电量输出被测非电量第3章新型传感器简介1CCD图像传感器2触觉传感器3光纤传感器4磁性传感器5集成温度传感器新型传感器简介随着科学技术的发展，在不断发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺的基础上，传感器技术得到了很大的进步与提高。同时，与单片机或者微计算机相结合的智能式传感器、生物传感器也有了很大的发展。新型传感器技术含量高、功能强，相对传统传感器具有很多优点。了解和学习这些新型的传感器有助于我们打一大视野，及时了解、掌握新型传感器技术并加以应用。本章将介绍最近几年发展起来的新型传感器，包括CCD图像传感器、触觉传感器、光纤传感器、磁性传感器和集成温度传感器。返回CCD图像传感器图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。图像传感器必须具有两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用;二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用。电荷耦合器件又称为CCD器件，如其外形如图3-1所示，它是近年来新发展起来的一种半导体功能器件，能够把光学影像转化为数字信号。下一页返回图3-1CCD外形图返回CCD图像传感器3.1.1CCD图像传感器的结构CCD更接近于人的视觉的工作方式，只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型，如图3-2示为CCD的三层结构示意图，上层为增光镜头，中层为分色滤色片，下层为感光层。上一页下一页返回图3-2CCD的三层结构示意图返回3.1CCD图像传感器3.1.2CCD系统构成上一页下一页返回CCD图像传感器CCD传感器成像区转移沟道像索（Pixel)(成像单元)暂存区(遮光处理)水平读出寄存器（遮光处理）放大器缓存模数转换器图3-3CCD系统构成返回3.1CCD图像传感器CCD传感器工作时，图像经物镜在成像区成像，给成像区上面的电极加上适当的偏压时，光生电荷被收集到电极下方的势阱里，这样就将光学图像变成了电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲使所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，在时钟脉冲控制下，通过输出极逐行输出一帧信息，在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样，就可以一帧一帧连续地读出。上一页下一页返回3.1CCD图像传感器CCD图像传感器的种类用于图像传感器的CCD又称摄像或像敏CCD。它的功能是把二维图像光学信号转变成一维视频信号或数字信号。从结构上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。上一页下一页返回•成本较低，可以同时储存一行电视信号，能够实现动态测量，并能在低照度下工作•线阵CCD广泛地应用于产品尺寸测量、非接触尺寸测量、条形码等许多领域线阵CCD•结构较简单、容易增加像素数•CCD尺寸较大、易产生垂直拖影面阵CCD3.1CCD图像传感器3.1.4CCD图像传感器的应用CCD工件外形检测在机械零部件生产过程中，零件外径尺寸的测量占有重要地位，快速、准确地测量出零件的主要参数可以缩短整个产时的生产周期，并有利于实现自动化。图3-4所示为CCD工件尺寸检测系统组成框图。该检测系统主要由传感器系统、测量平台、运动控制系统及软件系统等几部分构成。上一页下一页返回图3-4CCD尺寸检测系统组成框图返回3.2触觉传感器触觉传感器的原型是模仿人的触觉功能，目的是通过触觉传感器与被识别物体的接触或相互作用来完成对被识别物体表面特征及物理性能的感知。为了实现这一功能，研究者们设计了各种形式的触觉传感器以满足多种需要。下一页返回触觉传感器开关式压电式光电式电容式电磁式压阻式3.2触觉传感器3.2.1开关式触觉传感器开关式触觉传感器是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉制动器件。开关内部分隔成两个电接点。当一个电极上承受大于阀值的力时，该电极与另一个电极接触，这样可以用一个电路来检测该开关是否接触。工业上利用小型开关阵列形成一种价廉触觉传感器，但是这种阵列的空间分辨率较低。这种跟输出信号的二进制相对应的二值阵列触觉传感器，严重地限制、影响了其提供信息的质量。图3-5所示即为开关式传感器的原理图。上一页下一页返回图3-5遮光板开关式触觉传感器原理图返回3.2触觉传感器3.2.2光学式触觉传感器光照射到界面的角度通过界面法线测量。若光照射到有机玻璃和空气界面的角度大于θC，则光沿着有机玻璃光波导传播，光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被破坏，光从光波导相反一侧出射。利用这种原理可以制成高分辨率的触觉传感器在实际应用中，通常用一块韧性的薄膜层设置在外部物体和光波导之间，以便保护光波导并隔断外部光源。图3-6所示为采用这种效应的触觉传感器原理图。上一页下一页返回图3-6利用破坏全内反射原理的触觉传感器原理图返回3.2触觉传感器3.2.3压阻阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器的基本结构是由外接引线、上（行）下（列）电极及压阻材料等构成，上（行）电极与下（列）电极相垂直，上（行）下（列）电极的交叉点定义为阵列触觉的一个触觉单元，外接引线从相互平行的触觉单元上引出，压阻材料放在上（行）下（列）电极中间。在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料和电极。另外，各向异性压阻材料的应用也受到广泛的重视，如敏感材料在z方向有压阻变化特性，在x,y方向则无论受压与否，均有较大的阻值。上一页返回3.3光纤传感器光纤传感器相对于常规传感器具有以下特点：1抗电磁干扰能力强2灵敏度高3重量轻、体积小4适于遥测由于光纤传感器的这些独特优点和广泛的潜在应用，使其得以迅速发展。自1977年以来已研制出多种光纤传感器，测量范围包括位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。下一页返回3.3光纤传感器3.3.1光纤的结构光纤由纤芯、包层及外套组成，如图3-8所示。纤芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5~150μm。包在纤芯外的一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率大于涂层的折射率，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护光纤的作用，它的折射率大于涂层的折射率。人们通常把较长的或多股的光纤称之为光缆。上一页下一页返回图3-8光导纤维结构返回3.3光纤传感器3.3.2光纤的工作原理下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的工作原理。如图3-9所示，当光线从空气（折射率为n0）中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为θ时，在光纤内折射成角θ’，然后以角入射到纤芯与涂层的交界面上。若入射角大于临界角，则入射的光线就能在交界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复包层全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为θ。上一页下一页返回90C图3-9光纤的传光原理返回3.3.4光纤传感器光纤传感器有功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器两大类。功能型光纤传感器功能型光纤传感器主要有光强调制型光纤传感器、光相位调制型光纤传感器、光偏振态调制型光纤传感器三种。1）光强调制型光纤传感器光纤微弯位移（压力）传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子，它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。上一页下一页返回3.3光纤传感器2）光相位调制型光纤传感器光相位调制型光纤传感器是利用被测量引起光纤中光相位变化的原理制成的。这种传感器具有灵敏度高、灵活性好和多样的特点。常见的有迈克尔逊、马赫-琴特、萨占纳克和法勃-帕脱四种相位干涉型。它们的共同点是：光源发出的光都要经棱镜分成两束或更多束的光，这些光沿不同的路径传播后，分离出的光束又组合在一起去激励一个光敏元件或显示干涉条纹。如图3-10所示为利用马赫-琴特干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器的组成原理图。上一页下一页返回3.3光纤传感器图3-10相位调制型光纤压力(温度)传感器组成原理图返回3）光偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤传感器能检测出由于外界因索引起的光纤内部光的偏振态的变化。最典型的是光纤电流传感器，其工作原理是根据磁旋效应做成的，主要应用于高压传输线中。如图3-11所示为光纤大电流传感器原理框图。除利用磁旋效应的光偏振调制外，还可以利用光旋效应、光弹效应、电光效应和电旋效应等制成光偏振态调制型光纤传感器，所以是应用很广、开发潜力很大的一类光纤传感器。上一页下一页返回3.3光纤传感器图3-11光纤大电流传感器原理框图返回3.4磁性传感器磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有占老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生的感应电动势与磁通的变化速率成正比。随着科学技术的发展，利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应，制成了固体化磁传感器，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作磁传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的传感器其工作原理和特性也不相同。本节重点介绍一些常用的磁传感器下一页返回3.4磁性传感器3.4.1磁敏电阻器将一载流导体置于外磁场中，其电阻随磁场变化而变化的现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。用公式表示为：磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。所示为利用这种效应制成的磁敏电阻器。上一页下一页返回)273.01(220BB3.4磁性传感器主要特性：（1）伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。（2）磁电特性。磁敏二极管输出电压的变比与外加磁场的关系称为磁电特性。磁敏二极管随外加磁场方向的变化可以产生正负输出电压的变化，在正磁场作用下电压升高，在负磁场作用下电压降低。磁电特性与线路的连接形式有关，通常有单只接法和互补接法两种电路基本形式。上一页下一页返回3.4磁性传感器（3）温度特性。磁敏二极管的温度特性是指温度的变化与输出电压变化之间的关系。磁敏二极管的温度特性有正温度系数和负温度系数两种，如锗磁敏二极管是负温度系数，硅磁敏二极管是正温度系数。（4）频率特性。磁敏二极管的频率特性取决于注入载流子在本征区域内被复合和保持动态平衡的时间，而与元件的尺寸大小无关，载流子复合和保持动态平衡的时间越短，频率特性越好.上一页下一页返回3.4磁性传感器3.4.3磁敏三极管1.磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构如图3-11所示。在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大的特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的：r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区，运输基区主要是将发射极注人的载流子输运到集电极，复合基区的作用是使从发射极和基极注入的载流子复合。上一页下一页返回图3-28磁敏三极管的结构与符号返回3.4磁性传感器3．磁敏三极管的主要特性（1）磁电特：磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。（2）伏安特：磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数大。（3）温度特：磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行温度补偿。磁敏三极管的温度系数有正、负之分，硅磁敏三极管的温度系数为负，锗磁敏三极管的温度系数为正，因此可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行补偿。上一页下一页返回3.4磁性传感器3.4.