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1、中职 传感器技术及应用第10章电子课件 高教版第10章 几种常用传感器简介10.1光导纤维传感器光导纤维传感器10.2光栅传感器光栅传感器10.3半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器10.4思考题思考题第10章 几种常用传感器简介10.1 10.1 光导纤维传感器光导纤维传感器1970年美国成功研制出传输损耗为20dB/km的石英玻璃光导纤维（又称光学纤维），这是光通信史上一个划时代的贡献。1979年日本研制成功了传输损耗仅为0.2dB/km的光导纤维。由于光导纤维（简称光纤）具有很多优点，因此用它组成的光纤传感器（OFS）解决了许多以前难以解决，甚至是不能解决的技术难题。与常规传感器相比
2、，光纤传感器具有如下特点：（1）抗电磁干扰能力强：由于光纤传感器是利用光传输信息，而光纤是电绝缘、耐腐蚀的，因此不受周围电磁场干扰；再有，电磁干扰噪声的频率比光波频率低，也对光波无干扰；此外，光波易于屏蔽，所以外界光的干扰也很难进入光纤中。（2）灵敏度好：很多光纤传感器的灵敏度都优于同类常规传感器。（3）电绝缘性好：光导纤维一般是用石英玻璃制成的，具有80kV/20cm耐高压特性。（4）重量轻，体积小：光导纤维直径一般仅有几十微米至几百微米，即使加上各种防护材料制成光缆，也比普通电缆小而轻。光纤柔软，可绕性好，可深入机器内部和人体弯曲的内脏进行检测，使光能沿着需要的途径传输。（5）适于遥控：可
3、利用现有的技术组成遥测网。第10章 几种常用传感器简介10.1.1 光导纤维及其分类1光纤的结构所谓光导纤维是一种传输光信息的导光纤维。它是由石英玻璃或塑料制成的，结构很简单。光纤的基本结构示意图如图10-1所示，由导光的芯体玻璃（简称纤芯）和包层组成。纤芯位于光纤的中心部位，其直径约为（5100）m。包层可用玻璃或塑料制成。包层的外面常有塑料或橡胶的外套，保护纤芯和包层并使光纤具有一定的机械强度。光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的性质，即它们的折射率。由于纤芯和包层构成一个同心圆双层结构，所以可保证入射到光导纤维内的光波集中在纤芯内传输。图10-1 光纤的基本结构示意图
4、第10章 几种常用传感器简介2光纤的种类 光纤的分类方法很多，下面介绍常用的几种分类方法。（1）按纤芯和包层材料性质分：有玻璃光纤和塑料光纤两大类。（2）按折射率在纤芯中的分布规律分：有阶跃型多模光纤和梯度型多模光纤两大类。光纤的种类和光传播形式如图10-2所示。图10-2 光纤的种类和光传播形式第10章 几种常用传感器简介阶跃型多模光纤（折射率固定不变）如图10-2（a）所示，纤芯的折射率n1分布均匀，不随半径变化，包层内的折射率n2分布也大体均匀。纤芯与包层之间折射率的变化呈阶梯状。在纤芯内，中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线平面的不同方向入射的光线（子午光线）呈锯齿形轨迹传播。梯度型多模光
5、纤（纤芯折射率近似平方分布）如图10-2（b）所示，纤芯内的折射率不是常数，从中心轴线开始沿径向大致按抛物线规律逐渐减小。因此，采用这种光纤时，当光射入光纤后，光线在传播中连续不断地折射，自动地从折射率小的包层面向轴芯处会聚，使光线能集中在中心轴附近传递，故也称自聚焦光纤。（3）按传输模式分：有单模光纤和多模光纤两类。在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向与沿截面传输的两种平面波成分。沿截面传输的平面波将会在纤芯与包层的界面处产生反射。如果此波每一个往复传输（入射和反射）的相位变化是2的整数倍时，可以在截面内形成驻波，这样的驻波光线组又称为“模”。只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光，才能
6、在光纤内传播。在光纤内只能传输一定数量的模。当纤芯直径很小，一般为（510）m，只能传播一个模，称为单模光纤，如图10-2（c）所示。当光纤直径较大，通常为几十微米以上，能传播几百个以上的模，称为多模光纤。单模光纤和多模光纤都是当前光纤通信技术常用的材料，统称为普通光纤维。此外，用于测试技术的光导纤维，往往有些特殊要求，所以又有所谓特殊光纤，例如保持偏振光面光导纤维。第10章 几种常用传感器简介10.1.2 光在光导纤维中的传输原理光在光导纤维中的传输原理光在光导纤维中的传输主要利用光的折射和反射现象，特别是光的全反射现象。1光的全反射定律光的反射原理如图10-3所示。光的全反射现象是研究光纤
7、传光原理的基础。如图10-3（a）所示，根据光传播的理论，光线以较小的入射角 从光密媒质（折射率为n1）射入光疏媒质（折射率为n2）时，一部分入射光被反射，另一部分光线折射入光疏媒质，折射角为2，入射角与折射角之间满足：sin 1=n2sin 2图10-3 光的反射原理图第10章 几种常用传感器简介根据能量守恒定律，反射光与折射光的能量之和等于入射光的能量。如图10-3（b）所示，当逐步加大入射角1，直至1=c，折射光线会沿着临界面传播。此时2=90，临界角c为如图10-3（c）所示，当继续加大入射角1，使得1 c，光不再产生折射，只有反射，这种现象称为全反射。必须强调，只有当n1n2时，在界
8、面上才能发生全反射。光纤工作的基础是光的全反射。第10章 几种常用传感器简介2光纤的传光原理各种光纤的传光原理基本相同，下面以阶跃型多模光纤为例进行说明。图10-4所示为阶跃型多模光纤的传光原理示意图。图10-4 阶跃型多模光纤传光原理示意图设包层的折射率n2大于纤芯折射率n1，空气折射率为n0。当光线从空气中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为0时，在光纤内折射角为1，然后以1角射至纤芯与包层的界面上。若 1 c（临界角），则入射的光线就能在界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。因为光纤两端都处于同一媒质中，所以射出角也为 0。在实际应用
9、中，光纤即便弯曲，光也能沿着光纤传播，但是若光纤过分弯曲，以致使光射到界面的入射角小于临界角，那么，大部分光将透过包层损失掉，从而不能在纤芯内部传播。需要指出，从空气中射入光纤的光并不一定都在光纤中产生全反射。如光线不能满足临界要求，则这部分光线将穿透包层，称为漏光。第10章 几种常用传感器简介10.1.3 光纤传感器的分类应用光纤传感器的分类应用由于光纤既是一种电光材料又是一种磁光材料，它与电和磁存在着某些相互作用的效应，因此它具有“传”和“感”两种功能。按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为两类：一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能的FF型（Functional Fiber），简称功能
10、型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光波作用，必须在光纤端面加装其他敏感元件才能构成传感器的NFF型（Non Functional Fiber），简称非功能型传感器。1FF型光纤传感器型光纤传感器FF型光纤传感器的原理结构如图10-5所示。图10-5 FF型光纤传感器的原理结构图第10章 几种常用传感器简介FF型光纤传感器主要使用单模光纤，光纤一方面起传输光的作用，另一方面是敏感元件，它是靠被测物理量调制或影响光纤的传输特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等。FF型光纤传感器典型例子有：利用光纤在高电场下的泡克耳效应
11、的光纤电压传感器；利用光纤在法拉第效应下的光纤电流传感器；利用光纤微弯效应的光纤位移（压力）传感器。光纤的输出端采用光敏元件，它所接受的光信号，便是被测量调制后的信号，并使之转变为电信号。由于光纤本身也是敏感元件，因此加长光纤的长度，可以提高灵敏度。这类光纤传感器技术上难度较大，结构比较复杂，调整也较困难。第10章 几种常用传感器简介2NFF型光纤传感器型光纤传感器NFF型光纤传感器的原理结构如图10-6所示。在NFF型传感器中，光纤不是敏感元件，即只“传”不“感”。它是利用在光纤的端面或在两根光纤中间，放置光学材料及机械式或光学式的敏感元件，感受被测物理量的变化。NFF型传感器又可分为两种：
12、一种是把敏感元件置于发送、接收光纤的中间，如图10-6（a）所示；另一种是在光纤终端设置“敏感元件+发光元件”的组合体，如图10-6（b）所示，敏感元件感知被测对象参数的变化，并将其转变为电信号，输出给发光元件（例如LED），最后光敏元件以发光元件（LED）的发光强度作为测量所得信息。图10-6 NFF型光纤传感器原理结构图由于要求NFF型传感器能传输尽量多的光信息，所以应采用多模光导纤维。NFF型传感器结构简单，可靠性高，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度比FF型传感器低，测量精度也较低。第10章 几种常用传感器简介3光纤传感器的应用光纤传感器的应用下面以光强调制型光纤传感器为例，介绍光
13、纤传感器的应用原理。图10-7 光纤微弯曲位移（压力）传感器原理（1）光纤位移和压力传感器：微弯曲损耗的机理是表明光纤微弯对传播光的影响。假如光线在光纤的直线段大于临界角射入界面，即 1 c，则光线在界面上产生全反射；当光线射在微弯曲段的界面上时，1 c，这时，一部分光在纤芯和包层的界面上反射，另一部分光则透射进入包层，从而导致光能损耗。基于这一原理研制成光纤微弯曲位移（压力）传感器，如图10-7所示。图10-7 光纤微弯曲位移（压力）传感器原理第10章 几种常用传感器简介光纤微弯曲位移（压力）传感器由两块波形板（变形器）构成，其中一块是活动板，另一块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非
14、金属材料制成。一根阶跃型多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰时，光纤就会发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中再分配。例如，活动板的位移或所加压力增加时，泄露到包层的散射光随之增加；反之，光纤芯模的输出光强度就减小。光纤芯透射光强度与外力的关系如图10-8所示。光强受到了调制，通过检测光纤透射光强度或泄漏出包层的散射光强度就能测出位移（或压力）。光纤位移或压力传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部，这样可以避免周围环境的影响，因此适宜在恶劣环境中使用。而且这种传感器结构简单，动态范围宽，线性度较好，性能稳定，是一种有发展前途的传感器。图10-8
15、光纤芯透射光强度与外力的关系第10章 几种常用传感器简介（2）临界角光纤压力传感器：临界角光纤压力传感器也是一种光强调制型光纤传感器。如图10-9所示，在一根单模光纤的端部切割（直接抛光出来）一个反射面，切割角略小于临界角 c，c由纤芯折射率n1和光纤端部介质的折射率n3决定，即 c=。若周围介质是气体，则：c45。若入射光线在界面上的入射角是一定的，由于入射角小于临界角，一部分光折射入周围介质，另一部分光则返回光纤，返回的反射光被分束器偏转到光电控测器输出。当被测介质的压力（温度）变化时，将使纤芯的折射率n1和介质的折射率n3发生不同程度的变化，引起临界角发生改变，返回纤芯的反射光强度也就变
16、化。光纤压力传感器的优点是尺寸小，频率响应特性好，缺点为灵敏度较低。图10-9 临界角光强调制型光纤传感器第10章 几种常用传感器简介4光纤传感器应用实例（1）光纤涡轮流量计。原理：在涡轮叶片上，贴一小块具有高反射率的薄片或镀一层膜，探头内的光源通过光纤把光纤照射在叶片上。当反射片通过光纤入射时，出射光被反射回来，通过另一路光纤接收反射光信号，传送到光电元件上被转换成电信号。这一电信号被接收到计数器上，就可以知道叶片的转速并求出其流量，从而可知流体的流速和流量。光纤涡轮流量计的结构如图10-10所示，它采用型多膜光纤。由于光纤长度很短，传输损耗可以忽略，为保证接收的光信号最大，要求光源经透镜后
17、以最大光强给光纤。此外，要求光线入射到光纤的角度和反射光再入射到光纤的入射角度尽量小于12，透镜用双胶合透镜，直径4mm，调整好后接在探头上。采用光电元件将光信号转换成电信号再接到计数器。光纤涡轮流量计测量迅速，不易受电磁和温度干扰，性能稳定，但它只用来测量透明液体或气体。左图10-10 光纤涡轮流量计结构图1外壳；2导流器；3控测头；4涡轮；5轴承第10章 几种常用传感器简介光纤涡轮流量计的测量电路如图10-11所示，它由传感器的光电转换电路、施密特整形电路、比例乘法电路、计数测量电路组成。图10-11 光纤涡轮流量计测量电路图第10章 几种常用传感器简介（2）光纤微位移传感器。光纤的绝缘性
18、好，抗干扰能力强，灵敏度高，可测微小位移，它的灵敏度可达1 m。图10-12为Y型光纤微位移传感器原理示意图，其中一根光纤为入射光线，另一根为反射光线，传感器与被测物的反射面在4.0 mm之间变化。注意，测量时光纤轴线与被测面应该垂直。图10-12 Y型光纤微位移传感器原理示意图第10章 几种常用传感器简介光纤微位移传感器测量电路如图10-13所示。光电二极管将光纤的光强信号转换成电信号，IC1实现I/V变换，将反射光转换成的电流信号，转换成电压输出，由于信号微弱再经IC2的电压放大，结果送入A/D转换器MC14433，并经显示器显示输出。由IC2放大的结果送入IC3和IC4组成的峰值保持器（
19、因为传感器的电流输出不是单值函数，达最大值时应予以报警），当IC2达到最大输出电压时，电容CM被充电，经比较器IC5输出报警信号，发光二极管LED的亮与灭显示测量的近程与远程。图10-13 光纤微位移传感器测量电路第10章 几种常用传感器简介10.1.4 光纤传感器发展动向光电子技术获得了极其广泛的应用，同时也推动着OFS（光纤传感器的英文Optical Fiber for Sensors的缩写）的研究开发。OFS充分利用光纤径细、质轻、抗强电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、集信息传感与传输于一体等特点，可研制成种类繁多的传感器。与其他类型传感器相比，它具有检测灵敏度高、响应速度快、动态范围大、结构紧
20、凑灵巧、耐恶劣环境、阻燃防爆、易与各种电路系统接口匹配等诸多优点。据报道，光纤传感器在国际市场的规模以年均34%的速度增长，目前的总产值约达48.8亿美元。第10章 几种常用传感器简介1特殊处理光纤对光纤外套包层进行特殊处理，使光纤获得传感需求的某种特性而增敏是OFS较为常用的技术方法，可用于声学、磁场、电场、加速场、电流、压力、位移等干涉型OFS系统。一般采用特殊材料的光纤外套或涂覆敏感材料，提高对所测场所的物理量、化学量的敏感性能。例如，用磁致伸缩材料制作磁敏外套或将光纤黏在扁平矩形磁致伸缩材料片上，磁性材料在磁场作用下，对光纤产生轴向应力，实现对磁场的传感。将光纤夹在波浪形受压板之间，压
21、力通过受压板使光纤产生许多细微的弯曲形变，从而改变在光纤中的传输特性。用Fe-C合金取代光纤原有石英包层，形成一种新的FeC合金腐蚀敏感膜，此膜在腐蚀物质作用下会改变光纤的波导条件，探测其变化即可实现对混凝土结构中钢筋腐蚀的监测。在光纤拉制时，采取某些措施可以使光纤成为低双折射的光纤、圆双折射或椭圆双折射光纤，满足OFS在偏振特性上对光纤的要求。光纤拉丝时，边拉丝边同轴旋转光纤的预制棒，可制作出自旋性光纤，这种光纤保持极低的线性双折射水平，在磁场和电流测量中很有应用价值。为提高灵敏度，较好的选择是使用圆双折射或椭圆双折射光纤。在光纤拉制过程中，也可绕制成螺旋型（节距约数毫米）光纤，其圆双折射比
22、将光纤成品进行扭转形成的圆双折射提高一个数量级。第10章 几种常用传感器简介2改变光纤结构通过改变光纤的结构，可制作保偏（偏振保持）和偏振两种工作类型的光纤。采用光纤芯截面为椭圆芯型，在靠近光纤芯处有两个扇形应力区的蝴蝶结型，光纤芯区两边对称位置各有一个圆孔的熊猫型、侧孔型、侧隧型的结构，可制作出保偏光纤。利用保偏光纤研制的各种干涉型OFS日益增多，光纤陀螺仪是用保偏光纤制作传感器的代表性产品。应用研磨去除部分包层的D形截面光纤、中空截面光纤、在中空光纤的空洞中注入低温合金SnIn而成的金属玻璃光纤，可制作具有起偏作用的偏振光纤，这种光纤对外部扰动十分敏感，温度、压力和振动等对其有明显的影响。
23、双芯光纤可制作温度传感器，利用双芯光纤的贴近，不断产生耦合，其输出对弯曲和压力也很敏感。第10章 几种常用传感器简介3稀土掺杂光纤在光纤中掺入少量稀土金属离子，如钕、钬、铒、镨、铽、铈等或完全使用非氧化物玻璃材料制成的特种光纤，具有新的特性。不同的稀土掺杂的光纤具有相异的特性，掺低浓度钕后，其吸收光谱随温度变化更灵敏，且在600nm处损耗与温度在（-196125）C间呈良好的线性关系，可用做分布式温度传感器。掺钬光纤具有非常尖锐的吸收边带，可改进光纤磁量计、电流计等的灵敏度。掺铽或铈离子的光纤具有强旋光特性，掺铒或镨可使光纤具有放大或振荡功能。非氧化玻璃光纤一般采用二次插棒法制备，因玻璃内含成
24、分较多，又称多组分光纤或软玻璃光纤，具有某些特殊的光学特性，如旋光特性，非线性，光损耗大，多用于检测气体或液体浓度的OFS或制造特殊的光纤器件。第10章 几种常用传感器简介4紫外敏感光纤紫外敏感光纤是利用光纤折射率对紫外光照射具有敏感性而发展起来的一种特殊光纤器件，可用于OFS、色散补偿器、波分复用器。已研制成功的紫外写入光纤光栅用来提高紫外照射的灵敏度，并适合批量生产。掺锡光纤可降低温度系数及自身损耗，光敏性能优良，灵敏度高，获得实际应用。掺锗光纤、掺硼光纤也有很好的灵敏度，但性能不如掺锡光纤好，尚未实用化。光纤光栅可以构成智能传感网络，用于对被测体的多个参数（应变、温度、应力、裂变等物理量
25、）进行大面积实时综合监测与诊断。第10章 几种常用传感器简介10.2 光栅传感器光栅传感器 光栅传感器主要用于对长度和角度的精确测量以及数控系统的位置检测等，具有测量精度高、抗干扰能力强、易于实现动态测量和自动测量以及数字显示等特点，在坐标测量仪和数控机床的伺服系统中有着广泛的应用。第10章 几种常用传感器简介10.2.1 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理1计量光栅的理论基础计量光栅的理论基础（1）光栅的结构和类型：光栅是由很多等节距的透光和不透光的刻线相间排列构成的栅形条纹。光栅放大图如图10-14所示。光栅主要特点是：间距小，线条长，大多数情况下线宽等于缝隙宽度。光栅按工作原理可以
26、分为物理光栅和计量光栅。物理光栅：其刻线细密，工作原理是建立在光的衍射现象上，可作散射元件进行光谱分析及光波长的测定等。计量光栅：刻线较物理光栅粗，利用光栅的莫尔条纹现象进行位移精密测量和控制。计量光栅可按图10-15进一步分类。图10-14 光栅放大图图10-15 计量光栅的分类第10章 几种常用传感器简介（2）莫尔条纹原理：形成莫尔条纹必须有两块光栅组成：主光栅作标准器，指示光栅作为取信号用。将两块光栅（主、指）相叠合，并且使两者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，其中透光部分（明部）、遮光部分（暗部）是由一系列棱形图线图案构成的。因此可以
27、这样说，莫尔条纹的成因是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。莫尔条纹原理如图10-16所示。通常 a=b=w/2则 Bw/图10-16 莫尔条纹原理图a栅线宽度；b栅缝宽度；w光栅栅距；B莫尔条纹间距第10章 几种常用传感器简介2光栅传感器的工作原理光栅传感器测量位移是利用光闸莫尔条纹原理（如图10-16）来实现的。光栅传感器主要是由光源1，透镜2，节距相等的光栅副3，4及光电元件5组成，如图10-17所示。其中，光源提供光栅传感器的工作能量（光能）；透镜用来将光源发射的可见光收集起来，并将其转换成平行光束送到光栅副；主光栅类似长刻线标尺，也称为标尺光栅，它可运动（或固定不动）；指示光栅固定不动
28、（或运动），其栅距与主光栅相等。图10-17 光栅传感器的组成原理第10章 几种常用传感器简介传感器工作时，主光栅和指示光栅的刻线面相对放置，两者之间留有很小的间隙，组成了光栅副，并将其置于光源和透镜所形成的平行光束的光路中。当移动主光栅时，透过光栅副的光作明暗相间的变化，这种作用就如闸门一样，形成光闸莫尔条纹，如图10-18所示。若光源的光强为IT，且光栅副间隙t=0。当指示光栅不动，主光栅移动到图示各位置时，其光强分别为：（a）位置透光量为IT；（b）位置透光量为；（c）位置透光量为0；（d）位置透光量为 ；（e）位置透光量为IT。这说明闸光作用与位置成线性关系，亮度变化曲线呈三角形分布，
29、如图10-19（a）所示。图10-18 光栅形成莫尔条纹原理第10章 几种常用传感器简介实际上两个光栅间总是存在一定间隙，即，则必有光的衍射作用。再加上刻线边缘总有一定毛刺和不直等因素存在，造成亮度不均，由于这些原因造成三角形被削顶、削底而形成近似正弦波曲线，如图10-19（b）所示。图10-19 理想光栅亮度变化图第10章 几种常用传感器简介3莫尔条纹测量位移原理当光电元件接收到图10-19（b）所示的明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号（电压或电流），此时仍为正弦波，如图10-20所示。表征正弦波的各参数分别为：平均输出电压UCP（直流分量）；输出电压峰-峰值Up-p
30、；输出电压最大值；输出电压最小值 。图10-20 光栅输出信号波形第10章 几种常用传感器简介由图10-20可知，当主光栅移动一个栅距w时，电信号（光的亮度）正好变化了一个周期。这样光电信号的输出电压Uo就可以用光栅位移（x）的正弦函数来表示式中，x为光栅的相对位置。由图10-19可知，当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距w，所以，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移 因此，只要能记录移动过的莫尔条纹数N，就可以知道光栅的位移量x的值，这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的原理。第10章 几种常用传感器简介所以光电元件输出电压Uo的斜率（灵敏度）为第10章 几种常用传感器简介AB
31、与CD两个狭缝在结构上相差90，所以它们在光电元件上取得的信号必是相位差90，AB为主信号，CD为门控信号。当主光栅作正向运动时，CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过，门电路在可逆计数器中作加法运算；当主光栅作反方向移动时，则CD产生的 图10-21 位置辨向原理图 图10-22 莫尔条纹辨向逻辑电路图第10章 几种常用传感器简介前面介绍光闸莫尔条纹工作原理时，已经得出位移x与扫过的栅距w成正比，即 式中，N为移动过的栅距数，当N=1时，所以测量精度取决于栅距w。为了提高灵敏度，必须使栅距w缩小，这就是细分技术。目前经常使用的细分方法有：（1）增加光栅刻线密度，但受工艺和技术水平的限制；（
32、2）用电信号进行电子插值，也就是把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一个周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等；（3）机械和光学细分。图10-23是四倍频细分电路。图10-23 四倍频细分电路第10章 几种常用传感器简介10.2.2 光栅传感器的应用光栅传感器的应用 光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等数值。计量光栅常用于以下领域中：（1）数字式光学仪器，如数字万能工具显微镜、光学分度头、比长仪等；（2）动态测量，如齿轮单面啮合仪等；（3）标准仪器，如高精度加工机床的长度和角度的
33、标准器具；（4）模-数转换器，如数控机床的模-数转换器。第10章 几种常用传感器简介10.3 半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器在半导体器件中，如二级管、三极管，它们的PN结的正向电压具有负的温度特性，大约为-2mV/。因此，可以使用二极管和三极管作温度敏感元件，如用图10-24的PN结测温放大电路，可以将PN结结电压随被测温度的变化通过电桥输出给放大器，得到输出电压Uo。目前，已有将半导体PN结和相应的匹配电路、放大、输出等电路集成，并用激光作线性修正的半导体集成温度传感器。如AD590，它接受环境温度的变化，转换成电流输出。图10-25是AD590的测温电路，其灵敏度可达0.1V/。
34、图10-24 PN结测温放大电路图10-25 AD590的测温电路第10章 几种常用传感器简介此外，利用两个AD590可以实现温差的测量，测量电路如图10-26所示。图10-27是AD590的简单温度控制电路。加热元件被加热到一定温度，AD590也感受相同的温度变化，利用AD311的电压比较作用控制VT1，VT1的导通。图中RP可用于温度变化的调节。图10-26 AD590的温差测量电路 图10-27 AD590的简单温度控制电路此外，还有其他类型的半导体集成温度传感器，有的还带有与微机联接的串行接口，广泛用于-50+150的温度测量。第10章 几种常用传感器简介 10.4思考思考题题10.1 说明光纤的结构和特点。10.2 以阶跃型多模光纤为例，说明光纤的传光原理。10.3 简要说明光纤传感器发展的新动向。10.4 简要说明光栅的分类。10.5 简要说明光栅传感器的结构。10.6 说明光栅式传感器辨向与细分技术应用的目的。