第5章 數(shù)字及現(xiàn)代檢測裝置

第5章數(shù)字及現(xiàn)代檢測裝置

5.1角度數(shù)字編碼器

5.2光柵傳感器

5.3

感應(yīng)同步器5.5

現(xiàn)代傳感器

5.4

磁柵位移傳感器5.15.25.35.45.5關(guān)閉編碼器:將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的傳感器。

編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器5.1角度數(shù)字編碼器

編碼器分類：5.1角度數(shù)字編碼器

5.1.1

增量式角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)簡單但其轉(zhuǎn)換精度并不高，通常可采用細分法來提高它的分辨率。一、工作原理編碼器的結(jié)構(gòu)當碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就產(chǎn)生一次光線的明暗變化，再經(jīng)整形放大，可以得到一定幅值和功率的電脈沖輸出信號。脈沖數(shù)就等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)。如將上述脈沖信號送到計數(shù)器中去進行計數(shù)，從測得的數(shù)碼數(shù)就能知道碼盤轉(zhuǎn)過的角度。二、辨向電路為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，可以采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置。令它們在空間的相對位置有一定的關(guān)系，從而保證它們產(chǎn)生的信號在相位上相差1／4周期。

辨向電路及波形

u1′和u2′是信號U1和U2的整形放大輸出，u1〞是u1′反相后得到的方波。u1w′和u1w〞是u1′和u1〞兩個方波經(jīng)過微分電路后得到的波形。5.1.2絕對式角度數(shù)字編碼器

絕對式角度數(shù)字編碼器是按角度直接進行編碼的角度—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通常把它安裝在檢測軸上。按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式幾種。

一、接觸式角度數(shù)字編碼器碼盤構(gòu)造：涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)空白部分是絕緣區(qū)二進制碼盤具有以下主要特點：(1)n位(個碼道)的二進制碼盤具有種2n不同編碼最小分辨率位數(shù)n越大，能分辨的角度越小，測量結(jié)果也越精確。

(2)二進制碼為有權(quán)碼，編碼對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為

(3)碼盤轉(zhuǎn)動中變化時，所有應(yīng)同時變化。

直觀，易于后續(xù)電路和計算機處理。多位碼同時動作→同步誤差→錯碼格雷碼（循環(huán)碼）有權(quán)碼

對稱性，無權(quán)碼

二進制碼相鄰兩數(shù)只有一位不同→每次只有一位變化→轉(zhuǎn)換

角度位置十進制碼二進制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000表5－1四位光電編碼器碼制循環(huán)碼的特點是相鄰的兩個數(shù)碼間只有一位是變化的，不會產(chǎn)生粗大誤差。表5-2是四位二進制碼與循環(huán)碼的對照

表5-2二進制碼和循環(huán)碼對照循環(huán)碼和二進制碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

接觸式數(shù)字編碼器:優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出信號功率大；缺點：有磨損、壽命短，轉(zhuǎn)速不能太高。二、光電式角度數(shù)字編碼器光電式角度數(shù)字編碼器包括有：光源、光學(xué)系統(tǒng)、碼盤、讀出系統(tǒng)和電路系統(tǒng)。

光學(xué)碼盤式傳感器---用光電方法將被測角位移轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號

特點：高精度、高分辨力、可靠性好

1---光源；2---柱面鏡；3---碼盤；4---狹縫；5---元件光電碼盤廣泛的用于角度測量,下圖是測角儀的工作原理光源1、聚光鏡2、碼盤3、狹縫4、光電元件5光學(xué)碼盤測角儀組成：磁鼓與磁阻探頭組成。簡單工作原理：碼盤上按照一定的編碼圖形，做成磁化區(qū)（導(dǎo)磁率高）和非磁化區(qū)（導(dǎo)磁率低）。當磁頭對準磁化區(qū)時，磁路飽和，輸出電壓很低，如磁頭對準非磁化區(qū)，它就類似于變壓器，

輸出電壓會很高，因此可以區(qū)分狀態(tài)“1”和“0”。幾個磁頭同時輸出，就形成了數(shù)碼。

三、磁編碼器磁編碼器的基本結(jié)構(gòu)5.2光柵傳感器

一、光柵的定義與構(gòu)造它是由很多相等節(jié)距的透光和不透光的刻線相間排列構(gòu)成的柵形光器件

其中為柵距；為線寬；為縫寬。

5.2.1光柵及莫爾條紋形成機理5.2光柵傳感器光柵的構(gòu)造：二、光柵的分類

按工作原理和用途物理光柵：特點：光柵刻線細密，利用光的衍射現(xiàn)象。用途：光譜分析和波長檢測計量光柵：利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，應(yīng)用于位移及和位移相關(guān)的物理量測量。計量光柵分類

按光柵結(jié)構(gòu)：分為長光柵和圓光柵。三、莫爾條紋形成的原理

(一)形成條件：①兩塊光柵：主光柵(作標準器)和指示光柵(作為取信號用)

②將兩塊光柵相疊合，并使兩者之間保持很小的夾角xΦI02πbba莫爾條紋形成原理及光電轉(zhuǎn)換(1)莫爾條紋的運動與光柵運動具有相對應(yīng)的關(guān)系

(二)莫爾條紋的性質(zhì)

夾角θ方向標尺光柵移動方向莫爾條紋移動方向順時針方向逆時針方向莫爾條紋對光柵的柵距具有放大作用。（2）放大作用為放大系數(shù),相當于把柵距放大了倍提高了測量的靈敏度，因此可實現(xiàn)高靈敏位移的測量。

（3）誤差平均效應(yīng)莫爾條紋對光柵的柵距誤差具有消差作用。光電元件接受的莫爾條紋是在它所接受區(qū)域的眾多光柵刻線遮透光形成的。5.2.2光柵傳感器的工作原理

在10mm范圍內(nèi)有500條刻線在參與工作，某幾條刻線的誤差或斷裂對整個莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。光柵傳感器測量的原理主要是利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，將被測幾何量轉(zhuǎn)換為莫爾條紋的變化，再將莫爾條紋的變化經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)對幾何量的精密測量。

光柵結(jié)構(gòu)示意圖

一、基本結(jié)構(gòu)光源指示光柵標尺光柵光電元件二、工作原理

光柵傳感器工作時將主光柵和指示光柵的刻線面相對放置，兩者之間留有很小的間隙相疊合組成光柵副，并將其置于光源和透鏡所形成的平行光束的光路中。

疊合主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動理想實際光柵亮度變化圖

光柵幾何干涉(擋光)原理

根據(jù)光電轉(zhuǎn)換：各參數(shù)分別為為平均輸出電壓（直流分量）；為輸出電壓峰－峰值；為輸出電壓最大值；為輸出電壓最小值。

5.2.3辨向原理與細分技術(shù)

為辨別主光柵移動方向，簡單實現(xiàn)方法是在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩只光電元件，使產(chǎn)生的兩個莫爾條紋信號相差π/2

。超前或滯后取決于光柵的運動方向。

辨向原理圖

當條紋移動時兩個狹縫亮度變化規(guī)律完全一樣，但相差π/2

，是滯后還是超前完全決定于光柵運動方向，因此利用兩個狹縫的相位差就能區(qū)別運動方向。

（一）辨向原理AAXB/4B21屏光電元件1光電元件2差動放大器斯密特電路差動放大器斯密特電路與門1微分可逆計數(shù)器與門2微分反相觸發(fā)器QQCLKD1P2P1D2加減辨向原理電路框圖（二）細分技術(shù)細分思想：在一個莫爾條紋周期內(nèi)，內(nèi)插N個計數(shù)脈沖，每個計數(shù)脈沖代表W/N位移量，即減小脈沖當量，提高分辨率，此為細分或稱倍頻。目的：進一步提高儀器測量分辨率。實現(xiàn)方法：①增加光柵刻線密度②用電信號進行電子插值(直接細分、電橋細分、示波管細分和鎖相細分)③機械和光學(xué)細分

(1)直接細分

直接細分也稱位置細分、四細分（四倍頻）。辨向系統(tǒng)中AC和DE兩光電元件輸出經(jīng)方波發(fā)生器后變成方波，并相差，在1、3點的方波經(jīng)倒向器倒向一次，便得2、4點兩個方波倒向電壓，這樣得到了四個相差的電信號

四倍頻邏輯和波形圖

將它們分別微分后獲得5、6、7、8四點的正脈沖，同時送到與非門得到9點的12個輸出脈沖為原來任意一路的四倍，實現(xiàn)了四倍頻細分。上述的這種倍頻細分相差送到差分放大器后可消除直流分量

用這兩個信號就可以辨別位移方向和進行四倍頻細分，且抗干擾性能也好。優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形無嚴格要求，電路簡單，可用于靜態(tài)、動態(tài)測量系統(tǒng)。缺點：光電元件安放困難

(2)電阻電橋細分法

解以上聯(lián)立方程組得

電橋細分原理

細分信號波形圖

當施加于電阻移相橋的信號源在相位上依次差時，輸出信號可以隨橋臂電阻比值的變化而在四個象限內(nèi)移相，從而便可得到一系列相移信號；這些相移信號在過零點相位上各不相同，若用鑒零器使各個相移信號在過零點上觸發(fā)，將便到一系列方波。當在莫爾條紋一個周期內(nèi)得到n個方波時，便實現(xiàn)了n倍細分。優(yōu)點:細分數(shù)較大，精度較高缺點：對莫爾條紋信號要求較嚴格，細分電路較復(fù)雜，對電位器穩(wěn)定性、過零觸發(fā)器的觸發(fā)精度有較高的要求。

電阻電橋十細分電路

(3)電阻鏈細分法

電阻鏈細分法又叫電阻分割法，其實質(zhì)是用電阻衰減器進行細分。

等電阻鏈細分電路

5.2.4光柵傳感器的誤差

單件光柵的誤差是由刻線工藝和刻線設(shè)備決定的。計量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾條紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。

設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻線總數(shù)為，單個柵距誤差為

常用柵距為之間，若光電池尺寸，5.2.5代表性產(chǎn)品：

德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開放式：量程1440mm，分辨力0.01m開放式：量程270mm分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國長春光機所：量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2

m5.3感應(yīng)同步器利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理，將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號。長感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圓感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)5.3感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)sincos節(jié)距τ節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺5.3.1感應(yīng)同步器的理論基礎(chǔ)由畢奧－薩伐爾定律可知，任意載流線圈在距離為r處的磁感應(yīng)強度B為

如果有另一個矩形線圈A靠近通電矩形線圈B，并有相對運動產(chǎn)生時，則根據(jù)電磁感應(yīng)定律在A線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢令激磁線圈B中通以電流為接有電壓表的線圈A為感應(yīng)線圈兩個線圈相對運動時的感應(yīng)電勢

滑尺相對定尺在空間中移動一個節(jié)距，定尺繞組中感應(yīng)電勢的變化經(jīng)過了一個周期,eA為滑尺正弦繞組的激磁電勢,在定尺中的感應(yīng)電勢為余弦繞組激磁電勢eB在定尺中的感應(yīng)電勢為為滑尺相對定尺位移的空間角度。總的感應(yīng)電勢為

5.3.2感應(yīng)同步器工作原理

一、鑒幅型系統(tǒng)

根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值來檢測機械位移的工作方式。在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：

在定尺上的感應(yīng)電勢

5.3.3信號處理方式

定尺繞組上總的感應(yīng)電勢應(yīng)為

為電氣角；為機械角；令為感應(yīng)同步器電壓傳遞系數(shù)，表示繞組間處在最大互感耦合時，輸出電壓與輸入電壓的幅值比；感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。

鑒幅檢測原理圖

二、鑒相型系統(tǒng)

根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量的工作方式。滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè)在定尺上感應(yīng)電勢分別為

總的感應(yīng)電勢按疊加原理應(yīng)為

感應(yīng)電勢相位角恰好是定、滑尺的相對位移角，所以當變化時，則感應(yīng)電勢即隨著變化。

鑒相型系統(tǒng)框圖

當感應(yīng)同步器用于測量位移量時，因為，所以只要測出，就可以得到位移量。

鑒相型定位控制框圖

5.3.4感應(yīng)同步器的誤差

一、零位誤差

定義：每個零位距離起始零位的實際位移量與理論位移量之差，稱為該點的零位誤差。表示方法：感應(yīng)同步器的零位誤差，習(xí)慣上以累積誤差形式表示，即取各點零位誤差中的正的最大值和負的最大值的絕對值之和的一半，并冠以號來表示。

二、細分誤差

定義：在一個周期中，每個細分點的實際細分值與理論細分值之差，稱為的的細分誤差。

表示方法：各點細分誤差中的正的最大值和負的最大值的絕對值之和的一半，并冠以號來表示。

三、綜合誤差

在感應(yīng)同步器的實際使用中，必須綜合考慮上述兩種誤差的影響，本書是把任何兩點之間的最大誤差，稱為綜合誤差，它應(yīng)該包括器件零位誤差和細分誤差。

5.3.5感應(yīng)同步器的應(yīng)用

一、位移高精度測量

(1)感應(yīng)同步器鑒幅位移測量系統(tǒng)

鑒幅位移測量系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，即，定尺感應(yīng)電勢

滑尺相對定尺產(chǎn)生位移放大后作用在門檻產(chǎn)生脈沖信號，打開與門，時鐘脈沖通過與門：1.到可逆計數(shù)器實現(xiàn)位移測量2.到轉(zhuǎn)換計數(shù)器改變使重復(fù)上述過程即可實現(xiàn)的位移測量。

感應(yīng)同步器鑒相數(shù)字位移測量裝置(2)感應(yīng)同步器鑒相位移測量系統(tǒng)

二、作自動化技術(shù)中的檢測元件

用感應(yīng)同步器組成點定位控制系統(tǒng)

5.4.1磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)與磁柵類型

5.4、磁柵位移傳感器磁柵式傳感器是由磁柵、磁頭和測量電路組成。磁柵是在非金屬材料制成的尺形的表面上鍍一層磁性材料薄膜，用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一個周期性信號，以剩磁的形式將信號保留在磁尺上而制成磁柵。磁頭的作用是讀取磁柵上的記錄信號，按讀取方式不同，磁頭可分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。5.4、磁柵位移傳感器磁柵的類型長磁柵的類型尺型同軸型帶型圓磁柵圓磁柵的類型1-磁盤3-磁頭2-屏蔽罩5.4.2工作原理：(一)動態(tài)磁頭讀出信號原理：

動態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)磁頭，它是由鐵鎳合金材料制的鐵心和一組線圈組成

動態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)與讀出信號

當磁頭與磁柵間有相對運動時，因為各位置處的磁通不同，所以在磁頭的線圈中感應(yīng)的電勢也就不同。設(shè)磁柵記錄的磁信號為

為磁信號節(jié)距；為磁頭位移。則磁頭與磁柵間有相對運動時，磁頭線圈中的感應(yīng)電勢由電磁感應(yīng)定律為

鐵心（導(dǎo)磁材料）繞線圈，磁頭與磁柵之間以一定速度移動時，由電磁感應(yīng)在磁頭線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。N極為正最強，S極為負最強。輸出正弦信號。(二)靜態(tài)磁頭讀出信號原理：調(diào)制式磁頭，磁頭磁柵之間沒有相對運動也有信號輸出。ABCBDBCBA…順序疊合,組成多間距磁頭，AC構(gòu)成第一個分磁頭，CD構(gòu)成第二個分磁頭，DC構(gòu)成第三個分磁頭，CA構(gòu)成第四個分磁頭等等，B起氣隙作用。輸出信號是多個間隙取得信號的平均值，可提高測量精度。讀出原理---氣隙磁阻---鐵心磁阻靜態(tài)磁頭讀出信號的原理是磁柵利用它的漏磁通的變化來產(chǎn)生感應(yīng)電勢。一定可變，受勵磁線圈的調(diào)制。漏磁通是磁柵位置的周期函數(shù)。磁柵與磁頭相對移動一節(jié)距W，就變化一個周期。因此近似為：結(jié)論：靜態(tài)磁頭的磁柵是利用它的漏磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的。靜態(tài)磁頭輸出信號的頻率為勵磁電源頻率的兩倍，其幅值則與磁柵磁頭相對位移成正弦(或余弦)關(guān)系。5.4.3信號處理方式(一)鑒幅方式兩個磁頭的輸出：經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得此兩路相差90度的兩相信號送有關(guān)電路進行細分辨向后輸出。(二)鑒相方式把某一磁頭的勵磁電流移相45度，則兩磁頭的輸出為將兩路信號相加后得輸出電壓可知，輸出信號是一個幅值恒定、相位隨磁頭與磁柵之間相對位移而變化得信號，這種方法稱為鑒相法。

鑒相型檢測電路框圖

5.4.4磁柵誤差分析零位誤差是由磁柵節(jié)距不均、磁柵的安裝與變形誤差、磁柵剩磁變化所引起的零點漂和外界磁場干擾等因素造成；

細分誤差主要是由磁模不均勻或錄制過程不完善造成磁柵上信號幅度不相等、兩個磁頭在空間位置偏離較大、兩個磁頭參數(shù)不對稱和磁場高次諧波分量和感應(yīng)電勢高次諧波分量影響等因素引起的。

注意：誤差應(yīng)限制在允許范圍內(nèi)，一般來說，空間磁場不影響磁柵傳感器的正常工作，盡管如此，仍要注意對它的屏蔽。磁柵外部應(yīng)有防塵罩，防止鐵質(zhì)雜物進入，不要在儀器未接地狀態(tài)插拔磁頭引出線插頭，以防止磁頭被磁化。

5.4.5磁柵式傳感器的應(yīng)用范圍及特點

磁柵式傳感器目前有以下兩個方面的應(yīng)用：（1）可以作為高精度測量長度和角度的測量儀器用。由于采用激光定位錄磁，而不需要采用感光、腐蝕等工藝，因而可以得到較高的精度，目前系統(tǒng)精度為，分辨率可達。（2）可以用于自動化控制系統(tǒng)中的檢測元件。例如在三坐標測量機、程控數(shù)控機床及高精度重、中型機床控制系統(tǒng)中的測量裝置，均得到了應(yīng)用。

磁柵式傳感器具有以下特點：

（1）錄制方便、成本低廉；

（2）使用方便（3）可方便錄制任意節(jié)距的磁柵信號。

5.5現(xiàn)代傳感器

5.5.1CCD圖像傳感器

基本功能：光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。

電荷存儲電荷輸出電荷轉(zhuǎn)移應(yīng)用：圖像識別技術(shù)，固體攝像器件。5.5現(xiàn)代傳感器1、CCD的結(jié)構(gòu)

2、電荷的存儲（1）勢阱的產(chǎn)生電荷的注入方法：光注入和電注入。P光注入電子空穴（2）電荷的存儲3、電荷的傳輸（耦合）電荷從一個MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個MOS元位置。（1）、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)

MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120°時鐘脈沖驅(qū)動。Φ3Φ1Φ2（2）電荷的定向轉(zhuǎn)移當外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。要求：

多個MOS單元緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴格滿足相位要求。4、電荷的輸出浮置柵MOS放大器法PN+OGCAUDRUDD輸出電壓為：2CCD圖像傳感器的特性參數(shù)

2.1光電轉(zhuǎn)換特性

2.2

靈敏度和靈敏度不均性

CCD光電轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率就是靈敏度S：

理想情況下，CCD器件受均勻光照時，輸出信號幅度完全一樣。實際上，由于半導(dǎo)體材料不均勻和工藝條件因素影響，在均勻光照下，CCD器件的輸出幅度出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，通常用NU值表示其不均勻性，定義如下：

2.3光譜響應(yīng)特性

CCD對于不同波長的光的響應(yīng)是不同的。

CCD光譜響應(yīng)曲線

3CCD的應(yīng)用

細絲測量原理框圖

(1)直徑測量三維在線測量系統(tǒng)原理圖

(2)CCD在BGA管腳三維尺寸測量中的應(yīng)用

（3）文字圖像識別系統(tǒng)郵政編碼識別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運動方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當信封運動時，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計算機中存儲的數(shù)字特征比較，最后識別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計算機控制分類機構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識別系統(tǒng)5.5.2光纖傳感器

1.光纖的基本結(jié)構(gòu)---全反射；2.光線的傳播折射率：纖芯---n1包層---n2n1>n23光纖的主要參數(shù)

傳播耗損：由于光線纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射耗損等影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地會有損耗。

光纖的強度：取決于光纖包層拉制后外表面上擦傷和其他缺陷的程度，以及包層表面在纏繞、成纜和使用期間得到保護的程度。色散：就是輸入脈沖在光纖傳輸過程中，由于光波的群速不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散使傳輸?shù)男盘柮}沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬。（1）材料色散、（2）波導(dǎo)色散、（3）多模色散數(shù)值孔徑：定義為當光從空氣中射入到光纖的端面時的光錐半角之正弦。光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切關(guān)系。4.光纖的分類利用其他敏感元件測得的物理量，由光纖進行傳輸，稱為傳輸型（非功能型）光纖傳感器。利用外界物理因素，改變光纖中光的強度、相位偏振態(tài)或波長，從而對外界參數(shù)進行測量，則稱為敏感型光纖傳感器按其工作原理分類

按光纖折射率變化規(guī)律分類

階躍型和梯度型

按光纖傳輸模數(shù)分類

單模光纖和多模光纖兩種

模的概念

光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。元件型光纖溫度傳感器

5.光纖傳感器的應(yīng)用(1)光纖溫度傳感器

(2)光纖壓力（溫度)傳感器

光纖壓力（溫度）傳感器傳輸型光纖壓力傳感器（a）

液晶光纖壓力傳感器

（b）受光板型變壓力傳感器

5.5.3紅外傳感器

1紅外輻射的基本知識

紅外線是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76μm到1000μm之內(nèi)。紅外線與可見光、紫外線、X射線、γ射線和微波、無線電波一起構(gòu)成了整個無限連續(xù)電磁波譜。溫度大于0K的物體均能輻射紅外光。從紫外到紅外，隨著波長的增加，輻射的熱效應(yīng)增加。

電磁波譜圖

2.紅外探測器

1、組成由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及采集處理顯示系統(tǒng)組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。光學(xué)系統(tǒng)：產(chǎn)生及傳輸紅外線。探測器：接受紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號。調(diào)理電路：將探測器輸出電信號進行放大、線性化、溫度補償?shù)忍幚?，變?yōu)榕c被測量成一定關(guān)系的標準信號。采集、處理顯示：將標準電信號離散，計算出被測量，顯示出被測量。2、種類（1）熱探測器

A、熱敏電阻：輻射使電阻溫度升高，阻值減?。ㄔ龃螅瑱z測阻值變化可確定輻射量。B、熱釋電型：具有極化現(xiàn)象的熱晶體（鐵電體）受紅外輻射后，其表面溫度升高，極化強度降低，表面電荷減少相當于釋放掉一部分電荷，將其與負載電阻相連，回路輸出電信號。輸出信號的變化率正比與輻射能量的變化率。C、熱電偶型：溫度變化引起熱電偶輸出電勢變化測溫。D、氣體型探測器：輻射引起氣室溫度變化，氣壓變化。氣體種類和濃度的檢測。(2)光子探測器

利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。3.

紅外探測器的性能參數(shù)

電壓響應(yīng)率

當紅外輻射照射到探測器的敏感元件上時，探測器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，叫做探測器的電壓響應(yīng)率，

響應(yīng)波長范圍表示探測器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長之間關(guān)系

噪聲等效功率

如果投射到紅外探測器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，則這個輔射功率就叫做“噪聲等效功率”。意思是說，它對紅外探測器所產(chǎn)生的效果與噪聲相同，通常用符號“NEP”表示

4.紅外應(yīng)用

(1)紅外測溫可遠距離和非接觸測溫。

(2)紅外測溫反應(yīng)速度快。（3）紅外測溫靈敏度高。（4）紅外測溫準確度高。（5）紅外測溫范圍廣泛。一、紅外測溫紅外測溫是比較先進的測溫方法，其特點如下：

前置放大低通濾波同步檢波帶通放大A/D轉(zhuǎn)換微機顯示器探測器調(diào)制盤電機濾光片透鏡紅外輻射測溫儀示意圖

二、紅外分析儀

紅外分析儀是跟據(jù)物質(zhì)的吸收特性來進行工作的。下面以紙張水分分析儀來說明

由圖可見，水在近紅外光譜區(qū)有3個特征吸收波長，即1.45μm、1.94μm和2.95μm，它們的吸收強度是不同的，這3個波長分別適用于不同濕度的物體的測量。再看紙張的近紅外光譜曲線圖，在1.45μm及1.94μm附近除水的吸收峰外，均無其他特征吸收存在，不會引入不必要的干擾。因此一般選用1.45μm及1.94μm作為紙張水分的測試波長，在紙張成品段宜采用1.94μm，而濕端宜用1.45μm。

水的紅外吸收譜

紙張近紅外光譜曲線圖

當一束光通過物體后，光強要衰減，其入射光強符合Lambert-Beer定律，即

5.5.4超聲波傳感器

1.聲波的分類

次聲波是頻率低于16赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。一、超聲波特性簡介可聞聲波

美妙的音樂可使人陶醉超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。蝙蝠依靠超聲波捕食2.超聲波物理基礎(chǔ)

頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。3.超聲波的波型分類

超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

縱波縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中的傳播；

橫波

橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；

表面波表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，隨著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以沒有縱波的傳播，其傳輸速度c為：

在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900-1900m/s之間。

4.超聲波的傳播速度聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。

5.超聲波的折射與反射6.超聲波的衰減、—距聲源x處的聲壓和聲強；

x—聲波與聲源間的距離；α—衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）

二.超聲波換能器及耦合技術(shù)

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。它主要由壓電晶片吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓片型。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。三、超聲波應(yīng)用(流量計)F1發(fā)射的超聲波先到達

T1超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多普勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。

F1發(fā)射的超聲波到達

F2的時間較短時間差測量流量原理

時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差

t，可得到流體的平均速度及流量。5.5.5核輻射傳感器

1.核輻射傳感器的物理基礎(chǔ)

同位素:凡原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表中占同一位置。

放射性同位素:原子自發(fā)的產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化稱之為核衰變。具有核衰變性質(zhì)的同位素。

放射性同位素的放射性衰變規(guī)律為

J、分別為t和時刻的輻射強度；λ為衰變常數(shù)。

放射性元素從個原子衰變到個原子所經(jīng)歷的時間，叫做半衰期。

τ與λ一樣是不受任何外界作用影響的而且和時間無關(guān)的恒量

放射性同位素衰變時，放射出具有一定能量和較高速度的粒子束或射線的放射現(xiàn)象稱為核輻射。核輻射的方式主要有四種：α輻射、β輻射、γ輻射和X輻射等。

α、β射線分別是帶正、負電荷的高速粒子流；γ射線不帶電，是從原子核內(nèi)部放射出來的以光速運動的粒子流；X射線是原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)而放射出來的電磁波能量。

具有一定能量的帶電粒子在穿透物質(zhì)時，在它們經(jīng)過的路程上會產(chǎn)生電離作用，形成許多粒子對。電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。一個離子在每厘米路程上生成粒子對的數(shù)目稱為比電離。射程:帶電粒子在物質(zhì)中穿行時，能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離。

α粒子由于能量、質(zhì)量和電荷大，故電離作用強，但射程較短。β粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的α粒子要弱。由于α粒子易于散射，所以其行程是彎彎曲曲的。γ粒子幾乎沒有直接電離的可能。

在輻射的電離作用下，每秒鐘產(chǎn)生的離子對的總數(shù)，即粒子對形成的頻率

E為帶電粒子的能量；為離子對的能量；J為輻射源的強度；C為輻射強度為1居里時，每秒鐘放射出的粒子數(shù)。

α、β、γ射線在穿透物質(zhì)時，由于電磁場的作用，原子