第九章 几种新型传感器简第九章 几种新型传感器简介介

9.1 9.1 光纤传感器光纤传感器 9.2 9.2 光栅传感器光栅传感器 9.3 9.3 生物传感器生物传感器 9.4 9.4 超声波传感器超声波传感器 9.5 CCD9.5 CCD 传感器传感器

9.1 9.1 光纤传感器光纤传感器9.1.1 光纤结构及导光原理结构 :

图 9-1 光纤的结构

原理 : 全反射

图 9-2 光在光纤中反射过程示意图

9.1.2 光纤的主要特性参数1 ．数值孔径 NA 光线在光纤中全反射的入射角的大小称

为光导纤维的孔径角，孔径角的正弦与入射光线所在媒质的折射率的乘积称为数值孔径 NA 。

数值孔径是表示光导纤维集光能力的一个参数，数值孔径越大表示光导纤维接收的光通量越多，这有利于耦合效率的提高。但数值孔径越大，光信号畸变也越严重，所以要适当选择。

2 ．光纤模式 光纤模式简单地说就是光波沿着光纤传播的途径和方式。不同入射角度的光线，在界面上反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布叫模式。光纤传播中的很多模式，对信息的传播是不利的，因为同一种光信号采取很多模式传播就会使这一光信号分为不同时间到达接收端的多个小信号，从而导致合成信号的畸变，因此，希望光纤模式数量越少越好。

• 3 ．传输损耗 由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗 A可用下式表示

A=αl=10 式中 I —— 光纤的长度 α—— 光纤单位长度上的损耗 I0—— 光纤入射端的光强 I—— 光纤输出端的光强

I

ILg 0

9.1.3 光纤传感器的类型 光纤传感器按其作用方式一般分为两种类型：一类是物

性型（或称为功能型）光纤传感器，另一类是结构型（或称为非功能型）光纤传感器。

在物性型光纤传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时又是敏感元件，即是利用被测物理量直接或间接对光纤传送光的光强（振幅）、相位、偏振态、波长等进行调制而构成的一类传感器。物性型光纤传感器的光纤本身就是敏感元件，因此，加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度，尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。但制造这类传感器的技术难度大，结构复杂，调整较困难。

结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测的。这里光纤只作为光的传输回路，所以要使这种光纤得到足够大的受光量和传输的光功率，则必须采用数值孔径和芯径较大的光纤。结构型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度低于物性型光纤传感器。

9.1.4光纤传感器及其应用 光纤传感器一般由光源、光纤、光电元

件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管等。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作为光源的。

1 ．光纤光电式传感器测量位移

图 9-3 光纤传感器测位移原理图 图 9-4 光纤位移传感器的位移输出特性

2 ．光纤传感器测量温度

图 9-6 半导体吸收式光纤传感器测温原理图

9.2 9.2 光栅传感器光栅传感器9.2.1 光栅测量的基本原理

9-7 光栅放大示意图 图 9-8 莫尔条纹的形成

莫尔条纹具有下列重要特点：（ 1 ）莫尔条纹的移动与光栅的移动成对应关系。 在两光栅夹角 θ一定的情况下，当一块光栅不动，另

一块光栅沿 x 轴方向移动时莫尔条纹沿着近似垂直于光栅运动方向（近似沿 y 轴方向）运动。如果光栅移动一个栅距d，莫尔条纹对应地移动一个莫尔条纹间距w。并且，当主光栅沿 x 轴正方向（向右）移动时，莫尔条纹将向上（ y 轴正方向）移动，当主光栅沿 x 轴负方向（向左）移动时，莫尔条纹将向下（ y 轴负方向）移动。这种严格的对应关系，不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判断光栅尺的位移量，同时还可以根据莫尔条纹的移动方向来判断光栅尺的位移方向。

（ 2 ）莫尔条纹具有位移的放大作用 K=

（ 3 ）莫尔条纹具有平均误差的效应。 莫尔条纹是由大量的栅线构成的，这对栅线宽度和栅距的刻线误差、栅线的断裂及其他疵病有平均作用，从而起到了减小光栅栅距局部误差的作用。

9.2.2 光栅传感器的结构 光栅传感器有透射式和反射式两种，他们由光源、主光栅、指示光栅和光电元件等几部分构成。透射式光栅传感器结构如图 9-9 所示，反射式光栅传感器的结构如图9-10 所示。

图 9-9 透射式光栅传感器结构图 图 9-10 反射式传感器结构图

9.2.3 光栅传感器的辨向原理与细分技术1 ．辨向原理 如果将两个光电接收元件在莫尔条纹上按相隔 1/4 条纹间距放置，如图 9-12 所示。那么两光栅相对移动时，光电元件 1 和 2 输出信号 u1 和 u2 的波形如图 9-13（ a）所示。 u1 和 u2 可以看成一个直流分量上叠加一个交流分量，消除直流分量后，两个信号的相位差为 90°的交流分量即可作为两个辨向信号，如图 9-13 （ b）、（ c）中的 u1 和 u2 所示。由图 9-12看出，当主光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，则两个光电元件输出的辨向信号 u1超前u2 的相位 90°，如图 9-13 （ b）所示。当主光栅向右移动时，辨向信号 u2超前u1 相位 90°，如图 9-13 （ c）所示。将上述两个辨向信号送入辨向电路，即可辨别哪个信号超前，哪个信号滞后，这样，即可区分主光栅（标尺光栅）的运动方向。

图 9-11 光栅位移与光强关系 图 9-12 光电接收元件位置

图 9-13 辨向信号波形图

2 ．细分技术 常采用的倍频细分方法有四倍频细分（也称直

接细分或位置细分）、电阻链细分、鉴相法细分、锁相法细分等几种。

四倍频细分就是用四个光电元件依次相距 1/4莫尔条纹间距放置，获得依次相位差为 90°的四个正弦波信号。用电子线路中的鉴零器，分别鉴取四个信号的零电平，即每个信号由负到过零时发出一个计数脉冲，使得在莫尔条纹的一个周期内产生四个等间隔的计数脉冲，实现了四倍频细分。四倍频细分也可以用两个相距 1/4 莫尔条纹间距的光电元件获得相位差依次为 90°的四个正弦信号。实际上用辨向原理中的两个相位差为 90°的辨别信号，加上将它们倒相后的两个信号就可获得这四个信号。

9.2.4 光栅传感器的应用 光栅传感器具有测量精度高（可达 1μm）、测量范围大（不接长可达 1m）、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到了快速发展和推广应用。近年来，我国设计和制造了很多新型光栅传感器。光栅传感器已在精密数控机床和仪器中作为定位、测长、测转角、测速、测振幅的检测元件，而且应用日趋广泛。

（ a ） JI—Ⅰ型 光栅传感器 (b) SX041—Ⅰ型数显表外形 图 9-14 JI—Ⅰ型光栅传感器及 SX041—Ⅰ型数字显示表

图 9-15 光栅检测系统原理框图

9.3 9.3 生物传感器生物传感器1 ．生物传感器的定义 用生物功能物质（固定化的生物体成分：如酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞、细胞体、动植物组织）作为敏感元件的传感器，称为分子生物传感器，简称生物传感器（ Biosensor）。

2 ．生物传感器的基本结构

图 9-16 生物传感器的基本结构

3 ．生物传感器的分类大致分为以下几种：（ 1 ）基于构成传感器的生物活性材料的分

类方法，如酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器和细胞传感器。

（ 2 ）着眼于测量对象物质的分类方法，如葡萄糖传感器、胆甾醇传感器。

（ 3 ）基于信号变换原理的分类方法，如光生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器等。

9.3.2 生物传感器的工作原理 生物传感器的原理图如图 9-17所示。它

主要由两大部分构成，一是生物功能物质的分子识别部分；二是变换部分。

图 9-17 生物传感器原理图

9.3.3 生物传感器的应用 目前已经问世或正在研究的生物传感器

大致有这样几类：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、有机物传感器、生物电子学传感器等。下面主要介绍酶传感器的结构和应用。

1 ．酶传感器的结构

图 9-19 酶传感器的结构

2 ．酶传感器的分类酶传感器按照所测电极参数的不同，一般可

分为电位型和电流型两大类。3 ．酶传感器的应用（ 1 ）葡萄糖传感器 在葡萄糖氧化酶（ GOD）膜的作用下，葡萄糖发生氧化反应，消耗氧而生成葡萄糖酸内脂和过氧化氢。被消耗的氧或生成的过氧化氢可以用上述的电极检测到。

（ 2 ）尿素传感器 尿素传感器是酶传感器中比较成熟的一种。

在医学临床检查中，定量分析患者的血清和体液中的尿素对于肾功能的诊断是很重要的。对慢性肾衰竭的患者进行人工透析，在确定人工透析次数和透析时间时，尿素的定量分析也是比不可少的。

• （ 3 ）酶热敏电阻传感器• 酶热敏电阻传感器是由固定化生物体物质和热敏电阻构成

的。由于它们的几何配置不同，分为密接型和反应器型两大类。密接型是把生物体物质直接固定化在热敏电阻上，或将固定化物质膜装在热敏电阻上；反应器型可分为柱式型和管式型两种，而柱式型又可分为热敏电阻埋入型和热敏电阻与柱分开的分离型；管式型是在毛细管内壁上固定化生物体物质，但能在毛细管内壁固定化的生物体物质比较少，管式型酶热敏电阻传感器具有压耗小，不易受非特异性吸附物影响的特点，但易受液体速度的影响。因此，管式型酶热敏电阻传感器适合作含有大量悬浮粒子的培养液的分析。

• 这类生物传感器的测量原理是：由于大多数酶反应是放热性的，采用识别元件的催化作用或因构造和物性的变化，将引起热焓变化（通常热焓的变化范围在 5 ～ 100kJ/mol ），因此反应中产生的总热量与克分子的热焓成正比。借助于热敏电阻可将其转换为电信号输出。这样热敏电阻检测出的温度变化与反应混合物中热焓的总变化是有关系的。

（ 4）生物组织电极传感器 这类传感器主要利用生物组织中的酶与

被分析物产生复杂的系列反应，使氨基酸和其他重要的生物分子产生响应。如用得蕉浆测多巴胺，用玉米测丙酮酸，用黄瓜叶测半光氨酸，用甜菜测酷氨酸，用兔肝测鸟嘌呤，用兔肌肉粉测一磷酸腺苷等。这类传感器的主要优点是原料易取得，灵敏度也很高，但生物组织的成分很复杂，可能有负反应干扰以及反应慢、不易保存和使用寿命短等缺点。

9.4 9.4 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的一些物理

性质，把非电量（如位移、速度的等）转换成声学参数（如声速、声阻抗、声衰减等），而这些声学参数又利用某些传感元件（如压电元件）转换成为电参数，因此超声波传感器检测技术也是一种非电量检测技术。

99 ．． 5 5 电荷耦合器件（电荷耦合器件（ CCDCCD））9.5.1 CCD的工作原理

电荷耦合器件 CCD是一种MOS晶体管的器件，它是利用内光电效应原理由单个光敏元构成的光传感器的集成化器件。它集电荷存储、移位和输出为一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理等电路中。其中，作为固体成像器件最有意义，由于其像素的大小及排列固定，很少出现图像失真，使人们长期以来追求的固体自扫描摄像成为现实。它比传统的摄像仪体积小，重量轻、工作电压低（小于 20V）、可靠性高、动态范围大且不需强光照射等。其光波范围从紫外光区、可见光区发展到红外光区。从用于一维（线性）和二维（平面）图像信息处理发展到三维（立体）图像信息处理。

1 ．工作原理

（ a ） MOS 光敏元结构 (b) 光生电子 图 9-26 CCD 单元结构

• 2 ． CCD的电荷转移

图 9-27 CCD 原理示意图

图 9-28 电荷转移过程

3 ． CCD的输入—输出结构4． CCD的特性参数

（ 2 ）工作频率 由于 CCD器件是工作在MOS的非平衡状态，

所以驱动脉冲频率的选择就显得十分重要。频率太低，热激发的少数载流子过多地填入势阱，从而降低了输出信号的信噪比；信号频率太高，又会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了信噪比。

9.5.2 CCD的应用1 ．尺寸自动检测

图 9-29 CCD视频信号

2 ．位移的测量

(a) (b) 图 9-31 电动程测量装置原理图

本 章 小 结本 章 小 结

本章简要介绍了光纤传感器、光栅传感器、生物传感器、超声波传感器和 CCD电荷耦合器等几种新型传感器的工作原理、主要参数和应用实例。

思考与练习思考与练习• 试述光纤的光导原理，分析图 9-5中曲线形成的原因。• 试举例说明光纤传感器的应用情况。• 什么是莫尔条纹，其产生的条件是什么？• 简述光栅传感器中的辨向结构和工作原理。• 简述光栅传感器中的细分结构和工作原理。• 谈谈生物传感器的作用。• 叙述酶、微生物分子传感器的工作原理。• 超声波检测技术的工作原理是什么？超声波换能器按其工作原理有哪几种类型？最常用的是哪些？

• 试举例说明超声波传感器的应用。• 10 、简述 CCD电荷耦合器的工作原理。