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1、传感器原理摄像与光纤传感器第1页，共22页，编辑于2022年，星期四 CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，其构造如图所示。在P型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。图图8-21 CCD8-21 CCD芯片的构造芯片的构造第2页，共22页，编辑于2022年，星期四二二 CCD CCD图像传感器的应用图像传感器的应用 在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。CCD的
2、工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，从而产生与光电荷量呈正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。第3页，共22页，编辑于2022年，星期四 CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度较宽的动态范围，所以CCD器件在摄像机、数码相机、扫描仪、图像传感、尺寸测量及定位测控等领域得到非常广泛的应用(如下图)。CCDCCD摄像传感器件摄像传感器件 CCD CCD阵列阵列第4页，共22页，编辑于2022年，星期四CCDCCD摄像头摄像头 CCD CCD扫描仪扫描仪 CCDCCD数码照相机数码照相机 CCD
3、 CCD摄像机摄像机第5页，共22页，编辑于2022年，星期四三三 图像传感器的应用图像传感器的应用1 1 CCD CCD 在汽车前照灯配光测试中的应用在汽车前照灯配光测试中的应用图 8-23 CCD 汽车前照灯配光测试系统结构框图第6页，共22页，编辑于2022年，星期四2 2CCD CCD 传感器在光电精密测径系统中的应用传感器在光电精密测径系统中的应用图 8-24 光电精密测径系统工作原理框图第7页，共22页，编辑于2022年，星期四情境三情境三 光纤传感器及应用光纤传感器及应用 光纤的完整名称叫做“光导纤维”（Optical Fiber），由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。石英
4、玻璃纤维是用纯石英经特别的工艺拉成的细丝，其直径比头发丝还要细（50100m）。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号。在目前来说，已经实现一根光纤的传输速率在100Gb/s以上。而且这个速率还远远不是光纤的传输速率的极限。光纤传感器(简称FOS)是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器。它具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输频带宽、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点，可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水位、电流、磁场、放射性等物理量的测量。第8页，共22页，编辑于2022年，星期
5、四一一 光纤的结构及传光原理光纤的结构及传光原理 一根光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。纤芯和包层一般由某种类型的玻璃或塑料制成，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。纤芯的直径一般约为5100m，光主要在纤芯中传输。包层外面涂有硅铜或丙烯酸盐等涂料，构成涂敷层，其作用是保护光纤不受外来损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层包上一层不同颜色的塑料套管，一方面起保护作用，另一方面以不同颜色区分各根光纤。第9页，共22页，编辑于2022年，星期四图8-25 光纤的基本结构 通常将许多单条光纤组成光缆，光缆中的光纤少则几根，多则几千根。光缆主要用于通信。第10页，共22页，编辑于2022年，星期四
6、光线的传输是基于光的全反射。光纤到光的原理如下图，由于纤芯的折射率n1包层的折射率n2，当光线从空气中以小于一定值的入射角射入纤芯后，光纤将在纤芯和包层的分界面处产生全反射，光线将在光线内曲折的向前传播，而不会从光纤内折射出来。图8-26 光纤导光原理图第11页，共22页，编辑于2022年，星期四 光纤传感器应用光纤传感器应用 简单光纤开关、定位装置简单光纤开关、定位装置简单光纤开关、定位装置简单光纤开关、定位装置，如图所示。，如图所示。，如图所示。，如图所示。图图图图(a)(a)：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。：光纤计数；测位移（工件间隔均
7、匀、已知）。：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。图图图图(b)(b)：测角为移；测转速。：测角为移；测转速。：测角为移；测转速。：测角为移；测转速。图图图图(c)(c)：工件加工定位装置。：工件加工定位装置。：工件加工定位装置。：工件加工定位装置。图图图图(d)(d)：光纤液位检测、控制装置。：光纤液位检测、控制装置。：光纤液位检测、控制装置。：光纤液位检测、控制装置。第12页，共22页，编辑于2022年，星期四1 1 反射式位移传感器的工作原理反射式位移传感器的工作原理 图8-27 反射式位移传感器原理 图8-28 反射式光纤位移传感器的输出特性第13页，共22页，编辑于2022年，星
8、期四 其它光纤位移传感器，如图其它光纤位移传感器，如图其它光纤位移传感器，如图其它光纤位移传感器，如图8-478-47所示。所示。所示。所示。图图图图8-47 8-47 光纤位移传感器光纤位移传感器光纤位移传感器光纤位移传感器（a a）档光型；（）档光型；（）档光型；（）档光型；（b b）楔合型）楔合型）楔合型）楔合型第14页，共22页，编辑于2022年，星期四 2功能型光纤压力传感器功能型光纤压力传感器 图是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。图是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。图是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。图是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。基本原理基本原理基本原理基本原
9、理：利用光纤：利用光纤：利用光纤：利用光纤微弯损耗微弯损耗微弯损耗微弯损耗效应，可测压力或位移。效应，可测压力或位移。效应，可测压力或位移。效应，可测压力或位移。压力（位移）压力（位移）压力（位移）压力（位移）光纤微弯光纤微弯光纤微弯光纤微弯 传输光全反射条件受到一定破传输光全反射条件受到一定破传输光全反射条件受到一定破传输光全反射条件受到一定破坏坏坏坏 光传输损耗。光传输损耗。光传输损耗。光传输损耗。图图 功能型光纤压力传感器原理图功能型光纤压力传感器原理图1-He-Ne激光光源；激光光源；2-固定齿板；固定齿板；3-光电元件；光电元件；4-活动齿板；活动齿板；5-单模光纤单模光纤第15页，
10、共22页，编辑于2022年，星期四2 2光纤压力传感器光纤压力传感器图图8-318-31光纤压力传感器原理图光纤压力传感器原理图第16页，共22页，编辑于2022年，星期四3 光纤振动传感器光纤振动传感器 输出光纤输出光纤输入光输入光支架支架悬臂光纤悬臂光纤质量块质量块阻尼油阻尼油第17页，共22页，编辑于2022年，星期四 全内反射光纤液面探测器全内反射光纤液面探测器全内反射光纤液面探测器全内反射光纤液面探测器，如图所示，空气耦合。，如图所示，空气耦合。，如图所示，空气耦合。，如图所示，空气耦合。图图 光纤液面探测器光纤液面探测器（a）圆锥体测头；（）圆锥体测头；（b）U型测头；（型测头；（
11、c）棱镜测头）棱镜测头第18页，共22页，编辑于2022年，星期四光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器 光型光纤温度传感器光型光纤温度传感器光型光纤温度传感器光型光纤温度传感器 图为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。图为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。图为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。图为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。测温原理：测温原理：测温原理：测温原理：半导体感温元件的吸光性与温度有关，从而达到检测温度半导体感温元件的吸光性与温度有关，从而达到检测温度半导体感温元件的吸光性与温度有关，从而达到检测温度半导体感温元件的吸光性与温度有关，从而达到检测温度的目的。半
12、导体材料的光透过率与温度的特性曲线如下图右所示。的目的。半导体材料的光透过率与温度的特性曲线如下图右所示。的目的。半导体材料的光透过率与温度的特性曲线如下图右所示。的目的。半导体材料的光透过率与温度的特性曲线如下图右所示。半导体吸光型光纤温度传感器半导体吸光型光纤温度传感器 半导体的光透过率特性曲线半导体的光透过率特性曲线（a）装置简图；（）装置简图；（b）感温探头）感温探头 1-光源光谱分布；光源光谱分布；2-透过率曲线透过率曲线第19页，共22页，编辑于2022年，星期四Optic3000Optic3000光纤温度传感器光纤温度传感器图图8-29 Optic30008-29 Optic30
13、00光纤温度光纤温度 图图8-30 8-30 光纤传感器在开关光纤传感器在开关 传感器传感器 柜上的安装柜上的安装第20页，共22页，编辑于2022年，星期四 光纤电流传感器光纤电流传感器 手动可调谐滤波器手动可调谐滤波器 温度光纤传感器敏感头温度光纤传感器敏感头 光纤生物传感器光纤生物传感器 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤光栅应变传感器光纤光栅应变传感器用途不同的光纤传感器用途不同的光纤传感器 第21页，共22页，编辑于2022年，星期四 光纤光栅压力光纤光栅压力/温度双参量渗压计温度双参量渗压计光纤光栅压力传感器光纤光栅压力传感器光纤光栅压力光纤光栅压力/位移一体化传感器位移一体化传感器第22页，共22页，编辑于2022年，星期四