第四章 信息转换与传输精选文档.ppt

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1、第四章 信息转换与传输本讲稿第一页，共六十九页2 2、人类感官获取信息的局限性、人类感官获取信息的局限性 人人类类通通过过感感觉觉器器官官直直接接获获取取信信息息的的实实验验表表明明,大大脑脑的的吸吸收收率率分分别别为为：视视觉觉83%；听觉；听觉11%；嗅觉；嗅觉3.5%；触觉；触觉1.5%；味觉；味觉1%。人类感官获取信息的人类感官获取信息的局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能。（1 1）感感官官机机能能 视视觉觉器器官官只只接接收收0.380.78m的的光光信信号号，听听觉觉器器官官只只接接收收2020kHz声声信号。信号。（2 2）智智力

2、力（或或知知识识）结结构构 同同一一信信源源发发出出的的信信息息，所所产产生生的的效效果果因因人人而而异异。与与人人的的智智力力、知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。（3 3）理理性性作作用用 人人的的一一生生，每每时时每每刻刻都都在在接接受受信信息息。然然而而，接接受受信信息息的的方方式式因因人人而而异异，一一种种是是非非自自觉觉的的，只只单单凭凭自自身身实实践践；而而另另一一种种则则是是主主动动积积极极地地思思维维。例例如如，一一个个懒懒汉与汉与一个立志成才的人的差异。一个立志成才的人的差异。3 3、传感系统的一般模型、传感系统的一般模型 传传感感技

3、技术术（现现代代被被称称为为信信息息探探测测工工程程学学）是是研研究究物物质质的的物物理理效效应应、化化学学效效应应以以及及生物效应生物效应，作为信息探测的实际应用的一门科学。，作为信息探测的实际应用的一门科学。传感技术的多样性传感技术的多样性 信息的形式丰富多彩，要求有多种多样的感测手段信息的形式丰富多彩，要求有多种多样的感测手段 传传感感器器应应具具有有敏敏感感性性和和选选择择性性 敏敏感感性性是是从从信信息息化化出出发发，探探测测微微弱弱有有用用信信息息的的要要求；求；选择性选择性是是从智能化出发，能从大量的噪声背景中提取有用信息。从智能化出发，能从大量的噪声背景中提取有用信息。本讲稿第

4、二页，共六十九页(a)简单感测系统模型简单感测系统模型(b)复杂传感系统模型复杂传感系统模型 传感系统的一般模型传感系统的一般模型 （1 1）简简单单感感测测系系统统 如如温温度度计计、风向标风向标（2 2）复杂传感系统复杂传感系统 如雷达系统、声纳系统、遥感系统等。如雷达系统、声纳系统、遥感系统等。为了识别信息为了识别信息4 4、传感技术的发展、传感技术的发展 新新型型固固体体功功能能材材料料与与功功能能元元件件的的发发展展是是新新型型传传感感器器研研发发的的物物质质基基础础；微微电电子子技技术术为传感器的智能化提供了为传感器的智能化提供了技术基础技术基础。传感技术发展的两个方向：传感技术发

5、展的两个方向：扩展扩展感测信息的感测信息的谱域谱域和和提高提高识别信息的识别信息的智能智能（1 1）扩展谱域扩展谱域本讲稿第三页，共六十九页（a）视觉与光传感器视觉与光传感器 常常见见的的声声传传感感器器是是鼓鼓膜膜式式微微声声器器，例例如如电电容容式式拾拾音音器器；最最近近代代的的是是光光纤纤声声压压传传感感器器，它利用光纤中传输光的特性（例如位相）变化来获得传感功能。，它利用光纤中传输光的特性（例如位相）变化来获得传感功能。可可测测频频率率范范围围人人耳耳只只能能感感知知2020kHz声声信信号号。现现代代超超声声检检测测远远远远超超过过这这一一范范围围。例例如如，检检测测固固体体材材料料

6、断断裂裂时时发发出出的的声声波波的的声声发发射射检检测测技技术术(AE)及及研研究究生生物物（如如鱼鱼类类、鸟类）语言的声检测装置等，鸟类）语言的声检测装置等，可测频率达数兆赫兹可测频率达数兆赫兹。性性 能能人人 眼眼光光 传传 感感 器器响应谱域响应谱域0.380.78m10-7m0.1m响应速度响应速度0.1s10-9s对物体大小的分辨力对物体大小的分辨力0.1 0.2mm可放大可放大3030万倍，例如激光测长仪的分辨万倍，例如激光测长仪的分辨力可达力可达1010-7-7mmmm远视距离远视距离数千米数千米可探知宇宙空间可探知宇宙空间人眼对颜色的识别能力，对图像的立体感觉能力，还远远超过现

7、有的所有光传感器人眼对颜色的识别能力，对图像的立体感觉能力，还远远超过现有的所有光传感器（b）听觉与声压传感器听觉与声压传感器 听听阈阈压压力力在在1000Hz条条件件下下，人人耳耳的的听听阈阈压压力力为为210-5Pa，而而高高灵灵敏敏微微音音技技术术可可拾拾取取微微弱的声音信息。弱的声音信息。本讲稿第四页，共六十九页（c）触觉与与温度、压力传感器触觉与与温度、压力传感器 测测温温范范围围极极大大现现今今，温温度度传传感感器器的的测测温温范范围围从从接接近近绝绝对对零零度度到到核核融融等等离离子子体体温温度度（约一千万摄氏度约一千万摄氏度）。）。“电电子子鼻鼻”是是利利用用半半导导体体材材料

8、料（SnO，ZnO，Fe2O3等等）的的化化学学效效应应特特性性（当当吸吸收收了了可可燃燃性性气气体体，如如氢氢、烷烷、醚醚、醇醇、苯苯、沼沼气气等等，会会发发生生还还原原反反应应），来来辨辨别别气气体体。此此外外，味觉传感器味觉传感器用于辨别酸、甜、苦、辣，例如，甜度仪。用于辨别酸、甜、苦、辣，例如，甜度仪。（d）嗅觉传感器嗅觉传感器 基基于于微微电电子子技技术术研研发发具具有有校校正正、变变换换、统统计计处处理理、反反馈馈等等多多种种功功能能的的、具具有有思思维维、辨辨别别能力的能力的智能传感器智能传感器。感感温温灵灵敏敏度度极极高高如如测测量量极极低低温温的的约约塞塞夫夫逊逊效效应应型型

9、热热噪噪声声温温度度计计及及核核四四重重共共振振吸收量子效应型温度计，在吸收量子效应型温度计，在-2630C1800C，分辨力可达到，分辨力可达到0.0010C。（2 2）智能化智能化 在在信信息息仿仿生生学学方方面面，传传感感技技术术向向着着信信息息化化、智智能能化化、综综合合化化方方向向发发展展，开开发发人人工工信信息息系系统、仿生系统统、仿生系统 与与微微机机结结合合，开开发发集集信信息息转转换换、运运算算及及记记忆忆和和传传输功能于一块硅片上的输功能于一块硅片上的多功能智能传感器多功能智能传感器。本讲稿第五页，共六十九页此外，从工程应用的角度考察，还应注意传感技术的下列发展动向：此外，

10、从工程应用的角度考察，还应注意传感技术的下列发展动向：（a）动态测量）动态测量 如火箭发射、地质勘探、振动与噪声分析等瞬太变化物理量的测量。如火箭发射、地质勘探、振动与噪声分析等瞬太变化物理量的测量。（c）特特殊殊环环境境下下测测量量 例例如如光光纤纤传传感感器器具具有有不不受受电电磁磁干干扰扰、以以及及绝绝缘缘、耐耐水水性性等等优优良良特特性性；核核辐辐射射传传感感器器不不易易受受到到油油污污、水水汽汽、高高温温等等的的影影响响；激激光光的的高高方方向向性性、单单色色性性测测量量距距离、速度、加速度等不易受到环境噪声的干扰。离、速度、加速度等不易受到环境噪声的干扰。（d）微观分析）微观分析

11、扫描电镜、扫描电镜、X射线衍射仪等打开了人类对微观世界的探测。射线衍射仪等打开了人类对微观世界的探测。（b b）远远距距离离、非非接接触触测测量量 如如自自动动轧轧钢钢过过程程中中检检测测钢钢板板厚厚度度的的非非接接触触式式射射线线测测厚厚仪仪，以及飞机上安装的声发射传感器，在驾驶室内可监视飞机构件的工作状况等。以及飞机上安装的声发射传感器，在驾驶室内可监视飞机构件的工作状况等。二、工程中的新型传感器二、工程中的新型传感器 “新新”体体现现的的是是20世世纪纪70年年代代以以来来，随随电电子子技技术术、新新材材料料的的发发展展，而而发发展展起起来来的的传传感感、检检测测技技术。例如，术。例如，

12、激光激光（60年代）、年代）、声发射声发射（60年代末）年代末）光纤光纤（70年代）等。年代）等。1 1、核辐射检测、核辐射检测、X X射线射线原理：原理：被测物质被测物质 被测物质对射线的吸收、散射被测物质对射线的吸收、散射 射线对被测物质的电离激发、穿射线对被测物质的电离激发、穿透作用透作用本讲稿第六页，共六十九页 射射线线带带2 2个个正正电电荷荷的的高高速速 粒粒子子流流。粒粒子子的的质质量量为为4.002775原原子子质质量量单单位位，从从原原子子核核中中以以2104km/s的的速速度度射射出出，其其初初始始能能量量达达(5(59)9)10106 6eVeV。射射线线主主要要用用于于

13、气气体体分析，测量气体压力、流量等。分析，测量气体压力、流量等。核辐射检测装置核辐射检测装置:射射线放放射射性性物物质质发发生生 衰衰变变（衰衰变变是是原原子子核核中中的的一一个个中中子子转转变变成成一一个个质质子子而而放放出出一一个个电电子子的的结结果果），所所释释放放出出的的高高能能量量电电子子，其其质质量量为为0.000549原原子子质质量量单单位位，速速度度达达2105km/s，能量，能量约(0.13)106eV。粒子用于测量材料厚度、密度等。粒子用于测量材料厚度、密度等。射射线是是一一种种电电磁磁辐辐射射。处处于于受受激激态态的的原原子子核核常常在在极极短短的的时时间间内内(10-1

14、4s)将将自自己己多多余余能能量量以以电电磁磁辐辐射射(光光子子)形形式式放放射射出出来来，而而使使其其回回到到基基态态。射射线线的的波波长长较较短短(约约为为10-8 10-10 cm)，不不带带电电，能能量量约约为为几几十十万万电电子子伏伏特特。射射线线在在物物质质中中的的穿穿透透能能力力很很强强，能能穿穿透透几几十十厘厘米米厚厚的的固固体体物物质质，在在气气体体中中射射程程达达数数百百米米。射射线线广广泛泛应应用用于于金金属属探探伤伤、测大厚度等。测大厚度等。X射线射线从原子核外的内层电子被激发放出的电磁波，波长从原子核外的内层电子被激发放出的电磁波，波长10-210-6m一般由一般由射

15、线源射线源、探测器探测器、电信号转换电路电信号转换电路、显示显示/记录装置记录装置四部分组成。四部分组成。探探测测器器工工作作原原理理基基于于粒粒子子辐辐射射对对物物质质的的电电离离作作用用，或或利利用用射射线线能能使使某某些些物物质质产产生生荧荧光光的的性性质质，再再通通过过光光电电元元件件转转换换为为电电信信号号。一一般般常常用用的的有有：比比例例计计数数管管、盖盖革革计计数管数管、闪烁计数管闪烁计数管、半导体探测器半导体探测器等。等。本讲稿第七页，共六十九页1)1)比例计数器（原理与盖革计数器类似）比例计数器（原理与盖革计数器类似）输出的电压脉冲大小输出的电压脉冲大小 入射射线电离产生的

16、电子数目入射射线电离产生的电子数目 入射射线的能量入射射线的能量2)2)盖革计数器盖革计数器原原理理：根根据据射射线线能能使使气气体体电电离离的的性性能能制制成成。两两端端用用绝绝缘缘物物质质封封闭闭的的金金属属管管内内贮贮有有低低压压气气体体，沿沿管管的的轴轴线线装装了了金金属属丝丝，在在金金属属丝丝和和管管壁壁之之间间用用电电池池组组产产生生一一定定的的电电压压(比比管管内内气气体体的的击击穿穿电电压压稍稍低低)，管管内内没没有有射射线线穿穿过过时时，气气体体不不放放电电。当当某某种种射射线线的的一一个个高高速速粒粒子子进进入入管管内内时时，能能够够使使管管内内气气体体原原子子电电离离，释

17、释放放出出几几个个自自由由电电子子，并并在在电电压压的的作作用用下下飞飞向向金金属属丝丝。这这些些电电子子沿沿途途又又电电离离气气体体的的其其它它原原子子，释释放放出出更更多多的的电电子子。越越来来越越多多的的电电子子再再接接连连电电离离越越来来越越多多的的气气体体原原子子，终终于于使使管管内内气气体体成成为为导导电电体体，在在丝丝极极与与管管壁壁之之间间产产生生迅迅速速的的气气体体放放电电现现象象。从从而而有有一一个个脉脉冲冲电电流流输输入入放放大大器器，并并由由接接于于放放大大器器输输出出端端的的计计数数器器接接收收。计计数数器器自自动动地地记记录录下下每每个个粒粒子子飞飞入入管管内内时时

18、的的放放电，由此电，由此可检测出粒子的数目可检测出粒子的数目。本讲稿第八页，共六十九页3)3)闪烁计数管（由闪烁晶体和光电倍增管组成）闪烁计数管（由闪烁晶体和光电倍增管组成）盖盖革革计计数数管管的的特特性性曲曲线线：图图中中U为为加加在在计计数数管管上上的的电电压压，I为为入入射射的的核核辐辐射射强强度度，N为为计计数数率率(输输出出脉脉冲冲数数)。可可以以看看出出，当当加加在在计计数数管管上上的的电电压压一一定定时时，辐辐射射强强度度越越大大，输输出出脉脉冲冲数数也也愈愈大大；相相应应的的输输出出脉脉冲冲数数N1也也比比N2大大。盖盖革革计数管常用于探测计数管常用于探测粒子和粒子和射线。射线

19、。射线光子射线光子闪烁晶体闪烁晶体可见荧光可见荧光光电倍增管光电倍增管电脉冲电脉冲(大量的电子大量的电子)常常用用加加入入少少许许铊铊(Tl)(Tl)作作为为活活化化剂剂的的碘碘化化钠钠(NaI)(NaI)晶晶体体总总增增益益可可达达1010-7-7,过过程程所所需需时时间间不不到到1s闪烁计数管可以在高达闪烁计数管可以在高达105脉冲数脉冲数/s/s的速的速率工作，而不会有计数损失。率工作，而不会有计数损失。本讲稿第九页，共六十九页【工程实例【工程实例 1】轧钢过程中检测钢板厚度轧钢过程中检测钢板厚度特特点点：非非接接触触测测量量，不不受受温温度度、压压力力等等影响。影响。【工程实例【工程实

20、例 2】X射线检测装置射线检测装置输输出出电电压压与与被被测测厚厚度度成成线性关系线性关系HHF-212热轧机钢板厚度检测仪框图热轧机钢板厚度检测仪框图经经准准直直定定向向的的窄束窄束射线射线X X射线检测装置框图射线检测装置框图 该该装装置置用用于于X X射射线线衍衍射射仪仪（通通过过测测定定X X射射线线在在晶晶体体表表面面上上产产生生衍衍射射光光的的强强度度，确确定定残残余余应应力力大大小小）或或X射射线线显显微微分分析析仪仪（利利用用电电子子束束照照射射在在固固体体表表面面上上，激激发发出出特特征征X射射线线，通通过过测测定定X射射线线的的波波长长及及强强度度，分分析析材材料料的成分）

21、。的成分）。本讲稿第十页，共六十九页2 2、超声波检测、超声波检测（1 1）超声波）超声波(和声波一样，都是弹性介质的机械震动波）和声波一样，都是弹性介质的机械震动波）声波声波2020kHz；超声波；超声波 20kHz；次声波；次声波k2，质质点点发发生生位位移移；k1k2，质质点点突突变变，弹弹簧簧断断开开，质质点点振振荡荡，直至平衡为止。直至平衡为止。影影响响质质点点不不稳稳定定的的因因素素是是金金属属塑塑性性形形变变中中晶晶格格的的位位错错、晶晶界界滑滑移移、或或者者由由于于内内部部裂裂纹纹的的发发生生和和发发展展等。等。本讲稿第十六页，共六十九页 声声发发射射波波在在到到达达传传感感器

22、器之之前前，将将有有界界面面的的反反射射、波波模模式式变变换换、衰衰减减等等现现象象，其其中中一一部部分分到到达达传传感感器器，一一部部分分到到达达固固体体表表面面，经经表表面面吸吸收收和和反反射射，有有部部分分能能量量转转换换为为表表面面波波。所所以，以，声发射波到达传感器时，应是几种模式的波（纵波、横波、表面波）的叠加声发射波到达传感器时，应是几种模式的波（纵波、横波、表面波）的叠加。AE波波的传输模型的传输模型理想模型理想模型实际模型实际模型 理理想想模模型型：内内部部的的点点状状声声发发射射源源以以球球面面波波等等速速向向各各个个方方向向发发射射；位位于于表表面面的的声声发发射射源源则

23、则除除了了球球面面波波的的形形式式外外还还有有表表面面波波向向各方向逸散。各方向逸散。实实际际模模型型：声声发发射射源源不不是是点点源源，有有不不同同的的形形状状；传传递递介介质质又又是是各各向向异异性性体体；波波传传播播的的方向、速度不断变化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。方向、速度不断变化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。声声表表面面波波是是沿沿物物体体表表面面传传播播的的一一种种弹弹性性波波，其其传传播播速速度度比比电电磁磁波波慢慢十十万万倍倍，在在它它的的传传播播路路径径上上容容易易取取样样和和进进行行处处理理。声声表表面面波波器器件件的的基基本本结结构构和和工工作作原原理理：声声表

24、表面面波波器器件件是是在在压压电电基基片片上上制制作作两两个个声声一一电电换换能能器器叉叉指指换换能能器器。所所谓谓叉叉指指换换能能器器，就就是是在在压压电电基基片片表表面面上上形形成成形形状状像像两两只只手手的的手手指指交交叉叉状状的的金金属属图图案案，它它的的作作用用是是实实现现声声一一电电换换能能。声声表表面面波波器器件件的的工工作作原原理理是是，基基片片左左端端的的换换能能器器（输输入入换换能能器器）通通过过逆逆压压电电效效应应将将愉愉入入的的电电信信号号转转变变成成声声信信号号，此此声声信信号号沿沿基基片片表表面面传传播播，最最终终由由基基片片右右边边的的换换能能器器（输输出出换换能

25、能器器）将将声声信信号号转转变变成成电电信信号号输输出出。整整个个声声表表面面波波器器件件的的功功能能是是通通过过对对在在压压电电基基片片上上传传播播的的声声信信号号进进行行各各种种处处理理，并并利利用用声一电换能器的特性来完成的。声一电换能器的特性来完成的。本讲稿第十七页，共六十九页 声发射传感器声发射传感器（多为压电谐振式结构）（多为压电谐振式结构）光轴光轴z 沿该轴方向无压电效应沿该轴方向无压电效应 电电轴轴x过过六六角角棱棱柱柱的的棱棱而而垂垂直直于于光光轴轴的的轴轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强在垂直于此轴的平面上压电效应最强.机机械械轴轴y垂垂直直于于棱棱面面，在在电电场场作作

26、用用下下，沿沿该该轴轴的的机械变形最明显。机械变形最明显。zxyFxFx+-zxyFyFy +-zxyFyFy -+本讲稿第十八页，共六十九页 压压电电谐谐振振式式声声发发射射传传感感器器在在声声发发射射波波的的激激发发下下，压压电电晶晶片片沿沿纵纵向向极极化化。声声发发射射传传感感器器的的工工作作频频带带是是在在谐谐频频区区，一一般般为为602000kHz，谐谐振振频频率率大大小小取取决决于于传传感感器器壳壳体体及及压压电电晶晶片片结结构构尺尺寸寸和材质。和材质。一一般般声声发发射射信信号号分分为为连连续续型型与与突突发发型型。连连续续型型与与随随机机噪噪声声相相似似；突突发发型型是是一一连

27、连串的脉冲衰减波，其脉冲宽度约为数微秒至数毫秒。串的脉冲衰减波，其脉冲宽度约为数微秒至数毫秒。（3 3）声发射信号的特征）声发射信号的特征 描描述述AE信信号号的的特特征征参参数数可可概概括括为为：振振铃铃计计数数与与计计数数率率、事事件件计计数数与与计计数数率率、振振幅与振幅分布、有效值、频谱分析等。幅与振幅分布、有效值、频谱分析等。振铃计数振铃计数与与事件计数事件计数振铃计数振铃计数事件计数事件计数 振振铃铃计计数数当当脉脉冲冲衰衰减减波波的的幅幅值值超超过过阈阈值值电电平平时时，将将产产生生一一个个矩矩形形脉脉冲冲，此此脉脉冲冲即即为为振振铃铃计计数数触触发发信信号号，单单位位时时间间内

28、内的的脉脉冲冲数数即即为振铃计数率。为振铃计数率。事事件件计计数数当当脉脉冲冲衰衰减减波波的的包包络络超超过过阈阈值值电电平平时时，将将产产生生一一矩矩形形脉脉冲冲，将将此此脉脉冲冲作作为为事事件件计计数数，单单位时间内的事件数即为事件计数率。位时间内的事件数即为事件计数率。优优点点：低低于于阈阈值值电电平平的的信信号号不不予予计计数数，在在一一定定程程度度上上抑制干扰噪声，故称为抑制干扰噪声，故称为幅值剔噪法幅值剔噪法。本讲稿第十九页，共六十九页 金金属属材材料料变变形形时时的的AEAE信信号号特特征征：一一个个共共同同的的特特征征：在在塑塑性性变变形形区区的的AE信信号号表表现现出出一一个

29、个驼驼峰峰。这这是是AE信信号号被被作作为为监监测测机机械械构构件件工工作作状状态态的的重重要要依依据据。所所谓谓AE信信号号的的预预知知性性，就就是是在在构构件件破坏之前的峰值特征。破坏之前的峰值特征。黄铜黄铜铜、铝、镁铜、铝、镁碳钢碳钢（4 4）声发射检测仪原理）声发射检测仪原理AE波波高高通通滤滤波波，滤滤除干扰噪声除干扰噪声幅幅度度鉴鉴别别，设设置置阈阈值值电电平平，作作幅幅值值剔噪，并将信号整形为矩形脉冲剔噪，并将信号整形为矩形脉冲本讲稿第二十页，共六十九页4 4、光纤传感器、光纤传感器 光光(导导)纤纤(维维)是是20世世纪纪70年年代代的的重重要要发发明明之之一一，它它与与激激光

30、光器器、半半导导体体探探测测器器一一起起构构成成了了新新的的光光学学技技术术，创创造造了了光光电电子子学学的的新新天天地地。光光纤纤为为人人类类21世世纪纪的的信信息息高高速速公公路路奠奠定定了了基基础础，为为多多媒媒体体(符符号号、数数字字、语语音音、图图形形和和动动态态图图像像)通通信信提提供供了了实实现现的的必必需需条条件件。把把待待测测量量与与光光纤纤内内的的导导光光联联系系起起来来就就形形成成光光纤纤传传感感器器。光光纤传感器纤传感器始于始于1977年。年。光光纤纤由由纤纤芯芯、包包层层和和护护层层组组成成。纤纤芯芯：主主体体材材料料是是二二氧氧化化硅硅或或塑塑料料，制制成成很很细细

31、的的圆圆柱柱体体，直直径径在在575m内内。有有时时在在主主体体材材料料中中掺掺人人极极微微量量的的其其他他材材料料，如如二二氧氧化化锗锗或或五五氧氧化化二二磷磷等等，以以便便提提高高的的折折射射率率。包包层层：可可以以是是单单层层，也也可可以以是是多多层层结结构构，层层数数取取决决于于光光纤纤的的应应用用场场所所，但但总总直直径径控控制制在在100200m范范围围内内。包包层层材材料料一一般般为为SiO2，也也有有的的掺掺入入极极微微量量的的三三氧氧化化二二硼硼或或四四氧氧化化硅硅。与与纤纤芯芯掺掺杂杂的的目目的的不不同同，包包层层掺掺杂杂的的目目的的是是为为了了降降低低其其对对光光的的折折

32、射射率率。保保护护层层：包包层层外外面面涂涂一一些些涂涂料料，以以保保护护光光纤纤，增增加加光光纤纤的的机机械械强强度度。光光纤纤最最外外层层是是一一层层塑塑料料保保护护管管，其其颜颜色色用用以以区区分分光光缆缆中中各各种种不不同同的的光光纤纤。光光缆缆是是内内多多根根光光纤纤组组成成，并并在在光光纤纤间间填填入入阻阻水水油油膏以此保证光缆传光性能。膏以此保证光缆传光性能。本讲稿第二十一页，共六十九页 光光纤纤传传感感器器特特点点：信信息息容容量量大大、抗抗干干扰扰性性强强、体体积积小小、可可弯弯曲曲、灵灵敏敏度度高高以以及耐高压、耐腐蚀、动态非接触测量等。及耐高压、耐腐蚀、动态非接触测量等。

33、（1 1）物性型）物性型 （原理（原理基于光纤的光调制效应）基于光纤的光调制效应）利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因此，因此，传感器中光纤是连续的传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高

34、灵敏度。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。由由于于这这种种传传感感器器是是利利用用光光纤纤对对环环境境变变化化的的敏敏感感性性进进行行检检测测，又又称称为为敏敏感感元元件件型型或或功功能能型型光纤（光纤（Functional Fiber)Functional Fiber)传感器传感器。外外界界应应变变、压压力力、电电场场、磁磁场场、温温度度、放放射射性性和和化化学学作作用用等等调制调制光纤内通过的光。光纤内通过的光。本讲稿第二十二页，共六十九页【例【例1 1】敏感元件型光纤压力传感器敏感元件型光纤压力传感器（a）均均衡衡压压力力折折射射率率、光光纤纤形形状状、尺尺寸寸变变化化传传输光的相

35、位变化和偏振波面的旋转。输光的相位变化和偏振波面的旋转。（b）点点压压力力不不连连续续的的折折射射率率变变化化传传输输光光的的散散射射损损耗耗光振幅变化。光振幅变化。(b)(a)【例【例2 2】敏感元件型声压传感器敏感元件型声压传感器声声光光调调制制，产产生生光光传传输输的的相相位变化位变化接接收收两两路路光光干干涉信号涉信号根根据据零零差差法法检检波波和和相相位位可可调调器器，测测出出光光相相位变化位变化马马 赫赫 泽泽 德德(Mach-Zehnder)干涉仪干涉仪如果用如果用1mW的的H He-Ne激光，激光，100m100m长石英玻璃光纤裸线，最小检测声压为长石英玻璃光纤裸线，最小检测声

36、压为1 PaPa本讲稿第二十三页，共六十九页（2 2）结构型）结构型 由由光光检检测测元元件件与与光光纤纤传传输输回回路路组组成成，光光纤纤仅仅起起传传播播煤煤质质的的作作用用，故故又又称称为为传传光光型型或或非非功功能能型型光纤传感器。光纤传感器。【实例【实例1 1】微位移或表面粗糙度测量微位移或表面粗糙度测量【实例【实例2 2】激光多普勒效应速度传感器激光多普勒效应速度传感器v多普勒频率多普勒频率散射光频率散射光频率入射光频率入射光频率被测物体速度被测物体速度光在空气中的波长光在空气中的波长发生散射介质的折射率发生散射介质的折射率本讲稿第二十四页，共六十九页5 5、固体图像传感器、固体图像

37、传感器 固固体体图图象象传传感感器器(Solid State Imaging Sensor，缩缩写写SSIS)主主要要有有三三大大类类：1 1）电电荷荷耦耦合合器器件件(Charge Coupled Device，缩缩写写CCD)。2 2）自自扫扫描描光光电电二二极极管管列列阵阵(Self Scanned Photodiode Array，SSPA)SSPA)。3 3）电电荷荷注注入入器器件件(Charge Injection Device，缩缩写写CID)。目目前前，前两种用得比较多。前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有显著同电子束摄像管相比，固体图象传感器有显著优点优点：

38、(1)(1)全全固固体体化化，体体积积很很小小，重重量量轻轻，工工作作电电压压和和功功耗耗都都很很低低；耐耐冲冲击击性性好好，可可靠靠性性高，寿命长。高，寿命长。(2)(2)基基本本上上不不保保留留残残象象(电电子子束束摄摄象象管管有有15152020的的残残象象)，无无象象元元烧烧伤伤、扭扭曲曲，不不受电磁干扰。受电磁干扰。(3)(3)红红外外敏敏感感性性。硅硅的的SSPA光光谱谱响响应应：0.200.201.01.0 mm；CCDCCD可可作作成成红红外外敏敏感感型型；CID主要用于光谱响应大于主要用于光谱响应大于3 35 5m的红外敏感器件。的红外敏感器件。(4)(4)象元尺寸几何位置精

39、度高象元尺寸几何位置精度高(优于优于1 1m)，可用于不接触精密尺寸测量。，可用于不接触精密尺寸测量。(5)(5)视频信号与微机接口容易。视频信号与微机接口容易。主主要要应应用用领领域域：小小型型化化黑黑白白/彩彩色色TV摄摄象象机机；传传真真通通讯讯系系统统；光光学学字字符符识识别别（OCR:Optical Character Recognition）；工工业业检检测测与与自自动动控控制制；医医疗疗仪仪器器；多光谱机载和星载遥感；多光谱机载和星载遥感；天文应用；天文应用；军事应用。军事应用。固体图像传感器的核心是电荷耦合器件固体图像传感器的核心是电荷耦合器件CCD(Charge Couple

40、d Device)。本讲稿第二十五页，共六十九页 CCD的的基基本本单单元元是是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor 金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体)电电容容器器。若若在在某某一一时时刻刻金金属属电电极极上上加加正正向向电电压压UG，p-Si中中的的多多数数载载流流子子（在在此此为为空空穴穴）便便会会受受到到排排斥斥，于于是是，在在Si表表面面处处就就会会形形成成一一个个耗耗尽尽区区。在在一一定定条条件件下下，UG越越大大，耗耗尽尽区区越越深深。这这时时，Si表表面面吸吸收收少少数数载载流流子子（在在此此是是电电子子）的的势势（即即表表面面势势US）也也就就越越大大

41、。可可见见，这这时时的的MOS电电容容器器所所能能容容纳纳的的少少数数载载流流子子电电荷荷的的量量就就越越大大。据据此此，可可以以用用“势势阱阱”来来比比喻喻MOS电电容容器器在在UG作作用用下下存存储储信信号号电电荷荷的的能能力力。习习惯惯上上，把把“势势阱阱”想想象象为为一一个个桶桶，把少数载流子（信号电荷）想象为盛在桶底的液体。把少数载流子（信号电荷）想象为盛在桶底的液体。UG本讲稿第二十六页，共六十九页 电电荷荷存存储储：在在栅栅极极G施施加加正正偏偏压压之之前前，P型型半半导导体体中中空空穴穴(多多数数载载流流子子)分分布布是是均均匀匀的的。当当栅栅极极施施加加正正偏偏压压Ug(此此

42、时时Ug小小于于P型型半半导导体体的的阈阈值值电电压压Uth)后后，空空穴穴被被排排斥斥，产产生生耗耗尽尽区区，如如图图(b)所所示示。偏偏压压继继续续增增加加，耗耗尽尽区区将将进进一一步步向向半半导导体体内内延延伸伸。当当UgUth时时,半半导导体体与与绝绝缘缘体体截截面面上上的的电电势势(常常称称为为表表面面势势,用用s表表示示)变变得得如如此此之之高高,以以至至于于将将半半导导体体内内的的电电子子(少少数数载载流流子子)吸吸引引到到表表面面,形形成成一一层层极极薄薄的的(约约102 mm)但但电电荷荷浓浓度度很很高高的的反反型型层层,如如图图(c)。反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在

43、表明了MOS结构存储电荷的功能结构存储电荷的功能。(a)(b)(c)本讲稿第二十七页，共六十九页 电荷的注入电荷的注入：CCDCCD的电荷注入方法归纳起来可分为的电荷注入方法归纳起来可分为光注入光注入和和电注入电注入两类两类 1)1)光光注注入入：当当光光照照射射到到CCDCCD硅硅片片上上时时，在在栅栅极极附附近近的的半半导导体体体体内内产产生生电电子子空空穴穴对对，其其多多数数载载流流子子被被栅栅极极电电压压排排开开，少少数数载载流流子子则则被被收收集集在在势势阱阱中中形形成成信信号号电电荷荷。CCDCCD摄摄像像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷

44、Q QIPIP为为 2)2)电电注注入入：电电注注入入是是通通过过输输入入结结构构对对信信号号电电压压或或电电流流进进行行采采样样，然然后后将将信信号号电电压压或或电电流流转换为信号电荷。转换为信号电荷。材料的量子效率材料的量子效率电子电荷电子电荷入射光光子流速入射光光子流速光敏单元受光面积光敏单元受光面积光注入时间光注入时间 CCD图图像像生生成成的的原原理理 在在半半导导体体硅硅片片上上集集成成制制造造许许多多相相互互独独立立的的微微小小MOS光光敏敏元元，每每个个光光敏敏元元为为一一个个像像素素。当当照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅光光学学图图像像，这这些些光光敏敏元

45、元就就感感生生出出一一幅幅与与光照强度相对应的光生电荷图像。光照强度相对应的光生电荷图像。本讲稿第二十八页，共六十九页 CCD的的电电荷荷转转移移过过程程 任任何何可可以以移移动动的的少少数数载载流流子子（信信号号电电荷荷）都都将将力力图图堆堆向向表表面面势最大的位置。若用势阱比喻，则它们都将流向桶的底部。势最大的位置。若用势阱比喻，则它们都将流向桶的底部。CCD的电荷转移过程的电荷转移过程线阵线阵CCD面阵面阵CCD本讲稿第二十九页，共六十九页 【应应用用实实例例】测测量量热热轧轧铝铝板板宽宽度度 对对于于2m宽宽的的热热轧轧板板，测测量量精精度度可可达达板板宽宽的的0.025%.lm两个传

46、感器的视场间距两个传感器的视场间距l1，l2分别由两个分别由两个CCD测量测量CCD传传感感器器3用用于于测测板板厚厚，以以补补偿偿板板厚厚变化引起的测量误差变化引起的测量误差本讲稿第三十页，共六十九页三、传感器的标定三、传感器的标定 传感器标定的传感器标定的目的目的实现科学实验的实现科学实验的定量分析定量分析。1 1、基本问题、基本问题定性分析定性分析只能解释一些表观现象。只能解释一些表观现象。定量分析定量分析才能获得确切反映客观事物变化的规律性。才能获得确切反映客观事物变化的规律性。一一般般工工程程用用传传感感器器，其其输输入入与与输输出出关关系系的的数数学学模模型型，可可描描述述为为零零

47、阶阶、一一阶阶或或二二阶系统阶系统。零零阶阶系系统统：例例如如，放放大大镜镜、测测力力环环等等，其其输输出出只只与与即即时时输输入入有有关关，可可用用代代数数方方程程描述，是非记忆系统或零阶系统。描述，是非记忆系统或零阶系统。一阶系统：一阶系统：例如，热电偶、水银温度计、例如，热电偶、水银温度计、RCRC低通滤波器等，用低通滤波器等，用一阶微分方程一阶微分方程描述。描述。二二阶阶系系统统：例例如如，电电感感量量头头、电电阻阻式式压压力力计计、电电容容式式拾拾音音计计、压压电电式式加加速速度度计计等等，用用二阶微分方程二阶微分方程描述。描述。静态标定与动态标定静态标定与动态标定静静态态标标定定：

48、包包括括确确定定定定标标曲曲线线，获获得得直直线线性性、灵灵敏敏度度、滞滞后后量量、重重复复性性等等。零零阶阶系系统统只只须须进行静态标定进行静态标定，一阶、二阶系统除静态标定外，还须进行动态标定。，一阶、二阶系统除静态标定外，还须进行动态标定。本讲稿第三十一页，共六十九页动动态态标标定定：测测定定传传感感器器的的动动态态特特性性，根根据据频频率率响响应应或或脉脉冲冲响响应应，确确定定传传感感器器的的通通频频带带、工工作作频频带带、谐谐振振频频率率、阻阻尼尼比比和和相相位位特特性性等等。工工作作频频带带传传感感器器灵灵敏敏度度保保持持为为常常数数的的频频率率范范围围，一一般般在在阻阻尼尼比比=

49、0.707=0.707时时，工工作作频频带带的上限频率的上限频率max与谐振频率与谐振频率n的关系为的关系为max=0.58 n。信信号号分分析处理析处理 动态标定的方法有动态标定的方法有正弦激励正弦激励、冲击力激励冲击力激励、白噪声白噪声或或伪随机噪声激励伪随机噪声激励等等【动态标定实例】【动态标定实例】冲击力激励冲击力激励 压压电电式式力力传传感感器器，测测出出施施于切削测力仪上的力于切削测力仪上的力x(t)切切削削测测力力仪仪为为被被标标定定对对象象，它它是是一一电电阻阻应变式力传感器，产生响应输出应变式力传感器，产生响应输出y(t)本讲稿第三十二页，共六十九页频谱分析：频谱分析：在在时

50、时域域中中，冲冲击击的的延延续续时时间间为为2ms，在在力力谱谱图图中中频频带带约约为为2kHz。在在响响应应谱谱及及频频响响谱谱图图中中，传传感感器器的的一一阶阶固固有有频频率率约约为为683Hz，在在谐谐振振频频率率点点相相位位角角为为-86.40，相相干干函函数数谱谱 图图 中中，在在 2kHz以以 下下2 2xy(f)1，表表明明了了输输出出与与输输入的入的线线性关系。性关系。冲击力谱冲击力谱响应谱响应谱幅频谱幅频谱相频谱相频谱相干谱相干谱本讲稿第三十三页，共六十九页（1 1）横向灵敏度）横向灵敏度2 2、多维传感器的标定、多维传感器的标定 所所谓谓横横向向灵灵敏敏度度，在在多多维维传