1、幾種新型傳感器簡介9.1.1 光纖結構及導光原理結構: 圖9-1 光纖的結構原理:全反射 圖9-2 光在光纖中反射過程示意圖9.1.2光纖的主要特性參數1數值孔徑NA 光線在光纖中全反射的入射角的大小稱為光導纖維的孔徑角，孔徑角的正弦與入射光線所在媒質的折射率的乘積稱為數值孔徑NA。 數值孔徑是表示光導纖維集光能力的一個參數，數值孔徑越大表示光導纖維接收的光通量越多，這有利于耦合效率的提高。但數值孔徑越大，光信號畸變也越嚴重，所以要適當選擇。2光纖模式 光纖模式簡單地說就是光波沿著光纖傳播的途徑和方式。不同入射角度的光線，在界面上反射的次數是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產生的橫向強度分布叫模

2、式。光纖傳播中的很多模式，對信息的傳播是不利的，因為同一種光信號采取很多模式傳播就會使這一光信號分為不同時間到達接收端的多個小信號，從而導致合成信號的畸變，因此，希望光纖模式數量越少越好。 3傳輸損耗 由于光纖纖芯材料的吸收、散射、光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地要有損耗，光纖的傳輸損耗A可用下式表示 A=l=10 式中 I 光纖的長度 光纖單位長度上的損耗 I0光纖入射端的光強 I光纖輸出端的光強IILg09.1.3 光纖傳感器的類型 光纖傳感器按其作用方式一般分為兩種類型：一類是物性型（或稱為功能型）光纖傳感器，另一類是結構型（或稱為非功能型）光纖傳感器。 在物

3、性型光纖傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時又是敏感元件，即是利用被測物理量直接或間接對光纖傳送光的光強（振幅）、相位、偏振態、波長等進行調制而構成的一類傳感器。物性型光纖傳感器的光纖本身就是敏感元件，因此，加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度，尤其是利用干涉技術對光的相位變化進行測量的光纖傳感器，具有極高的靈敏度。但制造這類傳感器的技術難度大，結構復雜，調整較困難。 結構型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是作為傳光元件。一般是在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學材料及敏感元件來感受被測物理量的變化，從而使透射光或反射光強度隨之發生變化來進行檢測的。這里光纖只作為光的傳輸回路，所以要使這種光纖得

4、到足夠大的受光量和傳輸的光功率，則必須采用數值孔徑和芯徑較大的光纖。結構型光纖傳感器結構簡單、可靠，技術上易實現，但靈敏度、測量精度低于物性型光纖傳感器。 9.1.4光纖傳感器及其應用 光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據光纖傳感器的用途和光纖的類型，對光源一般要提出功率和調制的要求。常用的光源有激光二極管和發光二極管等。激光二極管具有亮度高，易調制，尺寸小等優點。而發光二極管具有結構簡單和溫度對發射功率影響小等優點。除此之外，還有采用白熾燈等作為光源的。 1光纖光電式傳感器測量位移圖9-3光纖傳感器測位移原理圖 圖9-4光纖位移傳感器的位移輸出特性2光纖傳感器測量溫度圖 9-6

5、半導體吸收式光纖傳感器測溫原理圖9.2.1光柵測量的基本原理 9-7 光柵放大示意圖 圖9-8 莫爾條紋的形成莫爾條紋具有下列重要特點：（1）莫爾條紋的移動與光柵的移動成對應關系。 在兩光柵夾角一定的情況下，當一塊光柵不動，另一塊光柵沿x軸方向移動時莫爾條紋沿著近似垂直于光柵運動方向（近似沿y軸方向）運動。如果光柵移動一個柵距d，莫爾條紋對應地移動一個莫爾條紋間距w。并且，當主光柵沿x軸正方向（向右）移動時，莫爾條紋將向上（y軸正方向）移動，當主光柵沿x軸負方向（向左）移動時，莫爾條紋將向下（y軸負方向）移動。這種嚴格的對應關系，不僅可以根據莫爾條紋的移動量來判斷光柵尺的位移量，同時還可以根據

6、莫爾條紋的移動方向來判斷光柵尺的位移方向。（2）莫爾條紋具有位移的放大作用 K= （3）莫爾條紋具有平均誤差的效應。 莫爾條紋是由大量的柵線構成的，這對柵線寬度和柵距的刻線誤差、柵線的斷裂及其他疵病有平均作用，從而起到了減小光柵柵距局部誤差的作用。9.2.2 光柵傳感器的結構 光柵傳感器有透射式和反射式兩種，他們由光源、主光柵、指示光柵和光電元件等幾部分構成。透射式光柵傳感器結構如圖9-9所示，反射式光柵傳感器的結構如圖9-10所示。圖9-9 透射式光柵傳感器結構圖 圖9-10 反射式傳感器結構圖9.2.3光柵傳感器的辨向原理與細分技術1辨向原理 如果將兩個光電接收元件在莫爾條紋上按相隔1/4

7、條紋間距放置，如圖9-12所示。那么兩光柵相對移動時，光電元件1和2輸出信號 u1和u2的波形如圖9-13（a）所示。u1和u2可以看成一個直流分量上疊加一個交流分量，消除直流分量后，兩個信號的相位差為90的交流分量即可作為兩個辨向信號，如圖9-13（b）、（c）中的u1和u2所示。由圖9-12看出，當主光柵向左移動時，莫爾條紋向下移動，則兩個光電元件輸出的辨向信號u1超前u2的相位90，如圖9-13（b）所示。當主光柵向右移動時，辨向信號u2超前u1相位90，如圖9-13（c）所示。將上述兩個辨向信號送入辨向電路，即可辨別哪個信號超前，哪個信號滯后，這樣，即可區分主光柵（標尺光柵）的運動方向

8、。圖9-11 光柵位移與光強關系 圖9-12光電接收元件位置 圖9-13 辨向信號波形圖 2細分技術 常采用的倍頻細分方法有四倍頻細分（也稱直接細分或位置細分）、電阻鏈細分、鑒相法細分、鎖相法細分等幾種。 四倍頻細分就是用四個光電元件依次相距1/4莫爾條紋間距放置，獲得依次相位差為90的四個正弦波信號。用電子線路中的鑒零器，分別鑒取四個信號的零電平，即每個信號由負到過零時發出一個計數脈沖，使得在莫爾條紋的一個周期內產生四個等間隔的計數脈沖，實現了四倍頻細分。四倍頻細分也可以用兩個相距1/4莫爾條紋間距的光電元件獲得相位差依次為90的四個正弦信號。實際上用辨向原理中的兩個相位差為90的辨別信號，

9、加上將它們倒相后的兩個信號就可獲得這四個信號。9.2.4 光柵傳感器的應用 光柵傳感器具有測量精度高（可達1m）、測量范圍大（不接長可達1m）、抗電磁干擾能力強等優點，因而得到了快速發展和推廣應用。近年來，我國設計和制造了很多新型光柵傳感器。光柵傳感器已在精密數控機床和儀器中作為定位、測長、測轉角、測速、測振幅的檢測元件，而且應用日趨廣泛。 （a）JI型 光柵傳感器 (b) SX041型數顯表外形 圖9-14 JI型光柵傳感器及SX041型數字顯示表圖9-15 光柵檢測系統原理框圖1生物傳感器的定義 用生物功能物質（固定化的生物體成分：如酶、抗原、抗體、激素等，或生物體本身：細胞、細胞體、動植

10、物組織）作為敏感元件的傳感器，稱為分子生物傳感器，簡稱生物傳感器（Biosensor）。2生物傳感器的基本結構 圖9-16 生物傳感器的基本結構3生物傳感器的分類大致分為以下幾種：（1）基于構成傳感器的生物活性材料的分類方法，如酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細胞傳感器。（2）著眼于測量對象物質的分類方法，如葡萄糖傳感器、膽甾醇傳感器。（3）基于信號變換原理的分類方法，如光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器等。9.3.2 生物傳感器的工作原理 生物傳感器的原理圖如圖9-17所示。它主要由兩大部分構成，一是生物功能物質的分子識別部分；二是變換部分。圖9-17 生物傳感器

11、原理圖9.3.3 生物傳感器的應用 目前已經問世或正在研究的生物傳感器大致有這樣幾類：酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、有機物傳感器、生物電子學傳感器等。下面主要介紹酶傳感器的結構和應用。1酶傳感器的結構 圖9-19 酶傳感器的結構2酶傳感器的分類酶傳感器按照所測電極參數的不同，一般可分為電位型和電流型兩大類。3酶傳感器的應用（1）葡萄糖傳感器 在葡萄糖氧化酶（GOD）膜的作用下，葡萄糖發生氧化反應，消耗氧而生成葡萄糖酸內脂和過氧化氫。被消耗的氧或生成的過氧化氫可以用上述的電極檢測到。 （2）尿素傳感器 尿素傳感器是酶傳感器中比較成熟的一種。 在醫學臨床檢查中，定量分析患者的血清和體液中的尿

12、素對于腎功能的診斷是很重要的。對慢性腎衰竭的患者進行人工透析，在確定人工透析次數和透析時間時，尿素的定量分析也是比不可少的。 （3）酶熱敏電阻傳感器 酶熱敏電阻傳感器是由固定化生物體物質和熱敏電阻構成的。由于它們的幾何配置不同，分為密接型和反應器型兩大類。密接型是把生物體物質直接固定化在熱敏電阻上，或將固定化物質膜裝在熱敏電阻上；反應器型可分為柱式型和管式型兩種，而柱式型又可分為熱敏電阻埋入型和熱敏電阻與柱分開的分離型；管式型是在毛細管內壁上固定化生物體物質，但能在毛細管內壁固定化的生物體物質比較少，管式型酶熱敏電阻傳感器具有壓耗小，不易受非特異性吸附物影響的特點，但易受液體速度的影響。因此，

13、管式型酶熱敏電阻傳感器適合作含有大量懸浮粒子的培養液的分析。這類生物傳感器的測量原理是：由于大多數酶反應是放熱性的，采用識別元件的催化作用或因構造和物性的變化，將引起熱焓變化（通常熱焓的變化范圍在5100kJ/mol），因此反應中產生的總熱量與克分子的熱焓成正比。借助于熱敏電阻可將其轉換為電信號輸出。這樣熱敏電阻檢測出的溫度變化與反應混合物中熱焓的總變化是有關系的。（4）生物組織電極傳感器 這類傳感器主要利用生物組織中的酶與被分析物產生復雜的系列反應，使氨基酸和其他重要的生物分子產生響應。如用得蕉漿測多巴胺，用玉米測丙酮酸，用黃瓜葉測半光氨酸，用甜菜測酷氨酸，用兔肝測鳥嘌呤，用兔肌肉粉測一磷酸

14、腺苷等。這類傳感器的主要優點是原料易取得，靈敏度也很高，但生物組織的成分很復雜，可能有負反應干擾以及反應慢、不易保存和使用壽命短等缺點。 超聲波傳感器是利用超聲波的一些物理性質，把非電量（如位移、速度的等）轉換成聲學參數（如聲速、聲阻抗、聲衰減等），而這些聲學參數又利用某些傳感元件（如壓電元件）轉換成為電參數，因此超聲波傳感器檢測技術也是一種非電量檢測技術。 9.5.1 CCD的工作原理 電荷耦合器件CCD是一種MOS晶體管的器件，它是利用內光電效應原理由單個光敏元構成的光傳感器的集成化器件。它集電荷存儲、移位和輸出為一體，應用于成像技術、數據存儲和信號處理等電路中。其中，作為固體成像器件最有意義，由于其像素的大小及排列固定，很少出現圖像失真，使人們長期以來追求的固體自掃描攝像成為現實。它比傳統的攝像儀體積小，重量輕、工作電壓低（小于20V）、可靠性高、動態范圍大且不需強光照射等。其光波范圍從紫外光區、可見光區發展到紅外光區。從用于一維（線性）和二維（平面）圖像信息處理發展到三維（立體）圖像信息處理。1工作原理（a）MOS光敏元結構 (b)光生電子 圖9-26 CCD單元結構 2CCD的電荷轉移圖9-27 CCD原理示意圖圖9-28 電荷轉移過程3CCD的輸入輸出結構4CCD的特性參數（2）工作頻率 由于CCD