Chapt5新型传感器

null第五章 新型传感器第五章 新型传感器§5. 1 电荷耦合器件一. 电荷耦合器件一. 电荷耦合器件 电荷耦合器件(charge—Coupled Devices)简称 CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。nullCCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像领域，作为二维传感器件， CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等优点。 广播级电视摄像机中， CCD摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面， CCD摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。 在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更呈现出其高分辫力，高准确度，高可靠性等突出优点。 null     图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前CCD主要的解决方式是在每一个像素上都采用了滤光器，使对应的光电二极管只能记录相应单色光。 null    各种单色分别被相邻的光电二极管记录下来，生成的图像颜色是分离的，最后还需要通过一些处理过程把这些数值合成为彩色的图像。数码相机里面，这个处理过程称之为插值。通常的做法是计算1个像素周围8个像素的颜色值，然后根据它自身所记录的颜色值，结合计算出最终像素的混合颜色值。 nullCCD摄像机技术的发展趋势及应用前景　　由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。具不完全统计，1997年—1998年仅中国大陆彩色和黑白CCD摄像机的用量就达60-70万台，这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。从1998年日本出版的《技术市场》杂志获悉,世界上已把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品.据国外专家统计,1997年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元.日本松下公司对CCD摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表1所示。 　　一、概述 　　 由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。　　一、概述 null   CCD传感器有两种 第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。nullCCD摄像机应用领域的发展趋势 1、CCD摄像机的应用领域     CCD摄像机应用领域在不断的扩展，应用技术的深化又促进CCD摄像机的多样化产品的生产。 总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：null（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，2000年需求量可达150万台。 （2）TV phone据资料介绍，有些移动电话公司正在研发可带视频图像摄入和显示的手机。null（3）PC camera到21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，PC Camera作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同步远程通讯。预计到2000年，我国PC机年销量将为1056万台，仅按计算机配套率20%估算，PC camera的需求量将为211.2万台。 null（4）Door phone随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。null（5）Scanner由于计算机网络的普及，所以为了提高各种资料、文字的输入速度，可采用各种扫描仪，读取经过文字识别的资料，可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑，以便在网络上交流。按PC机配套率10%计算，可需线阵和面阵CCD传感器105.6万台。 null（6）Bar Code Register（BCR）条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。 （7）Medical医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。null（8）Vehicle Camera在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器，不仅可随时看到车内的情况，而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。null（9）Closed Circuit Television（CCTV）CCTV是近几年被大家广泛注意的电视监控系统，目前，已发展成为一种新的产业。以CCD摄像机为主要前端传感器，带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。null（10）Personal Data Assistant（PDA）个人数据秘书系统是一种体积小于 笔记 哲学笔记pdf明清笔记pdf政法笔记下载课堂笔记下载生物化学笔记PDF 本的电脑，是功能齐全的计算机系统，可以完成多种数据管理功能，并可借助移动电话上的Internet网进行远程传送资料、发传真等。null（11）Digital Signal Camera（DSC）数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后，可被记录在磁卡上，由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。一. CCD的物理基础一. CCD的物理基础 CCD是基于 MOS(金属—氧化物—半导体)电容器在非稳态下工作的一种器件。因此，必须了解 MOS电容器的稳态和非稳态工作及其与 CCD的关系。null1.1 稳态下的 MOS电容器 (一)理想 MOS系统 MOS结构如图13—l所示。在硅片上，生长一层 SiO2层 F，厚度为dox 再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触，便构成一个 MOS二极管或 MOS电容器。VG为加在栅电极上的偏压，当栅电极对地为正时，则 VG为正；反之， VG为负。null半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为 P型硅衬底和 N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数 CCD选用 P型硅衬底。下面以 P型硅衬底 MOS电容器为参照进行说明。 null MOS电容器的状态是随栅极电压 VG的变化而不同的。在 VG为零时， Si表面没有电场的作用，其载流子浓度与体内一样。 Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷区。这种状态称为 “平带状态”。E- 导带底能量 Ei 禁带中央能级 EFP费米能级 严格来说，费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化学位；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级则经常被当做电子或空穴化学势的代名词。 E+ 价带顶能量 null 当在栅极加上电压，即 VG不为零时， Si表面的电荷和电势分布可通过求解下面的泊松方程式得到：式中，ρ为电荷密度； ε为硅的介电常数。下面分三种情况讨论：null 1． VG ＜0的多数载流子积累状态 当在金属栅极上加上直流负偏压，即 VG ＜0时，电场使 Si内一部分可移动空穴集中到 Si—SiO2界面，在 Si表面形成多数载流子积累层。这种状态称为“积累状态”。当达到热平衡时， VG的一部分降落在 SiO2层内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs ＜0，则-eVs ＞0，表面处能带向上弯曲，从而导致表面附近的价带中比体内有更多的空穴，使表面呈现强 P型。null 2． VG ＞0的多数载流子耗尽状态 当在栅电极上加上 VG ＞0的小电压时， P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在 Si表面处留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”。这种情况相当于 MOS电容器充负电。此时表面势 VS＞0，则 -e VS＜0，表面处能带向下弯曲。表面处空穴浓度比体内少，甚至于完全没有空穴，即多子从表面耗尽。null 3． VG＞Vth＞0的反型状态 在上述基础上正电压 VG进一多增加，表面处能带相对体内进一步向下弯曲，当 VG超过某一阈值时，将使得表面处电子浓度超过空穴浓度，已由 P型变为 N型。这种情况称之为“反型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层耗尽层。null反型层中的电子实际上是被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域。因此，常称反型层为沟道。 P型半导体的表面反型层是由电子构成的，所以称为 N沟道。反之， N型半导体称为 P沟道。 二. CCD的工作原理和结构二. CCD的工作原理和结构CCD是一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列，它具有存储和转移信息的能力，故又称为动态移位寄存器。为了了解 CCD的工作原理，必须了解MOS电容之间的耗尽层耦合。耗尽层耦合耗尽层耦合考察两个间隔较大的 MOS电容器，在两个金属栅极之间没有被金属覆盖那部分的氧化物下的表面势，将由氧化层上面的情况、固定氧化物电荷 Qf及衬底掺杂浓度等确定。在这种情况下，不可能使一个 MOS电容器中存贮的信息电荷转移到另一个 MOS电容器中。null当两个金属栅极彼此足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的电位决定，从而就能够形成两个 MOS电容器下面耗尽层的耦合，使一个 MOS电容器中存贮的信号电荷转移到下一个 MOS电容器中去.nullCCD能否成功地工作，首先决定于金属电极的排布情况。为了找出最佳的间隙宽度，必须对各种尺寸的器件求解二维泊松方程并给出表面势作为间隙的函数曲线。null从所得结果看，为保证表面势不形成高的势垒，间隙宽度g应小于3μm。如果g等于3 μ m，势垒基本消失。 g＜3 μ m时边缘效应还可以加速电荷的转移。要实现相邻 MOS电容的势阱良好耦合，必须要求间隙里g＜1 μ m 。CCD的工作原理 CCD的工作原理 当 CCD工作时，可以用光注入或电注入的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 向势阱注入信号电荷，以获得自由电子或自由空穴。势阱所存贮的自由电荷通常也称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传递出去，即进行电荷的转移。nullCCD中电荷的转移必须按照确定的方向。为此， MOS电容器列阵上所加的电位脉冲必须严格满足相位时序要求，使得任何时刻势的变化总是朝着一个方向。null三相CCD信息电荷传输原理图 null通常在 CCD的 MOS列阵上将几个相邻的 MOS电容器划分为一个单元而无限循环，每一单元称为一位。将每一位中对应位置上的电容栅极分别连在各自共同的电极线上，称之为相线。如图中所示，三相 CCD中 l、4、7…为一共同相线，2、5、8…及3、6、9…分别为另外二个共同相线。可见，一位 CCD中包含的电容器个数即为 CCD的相数，或者说每相线连起来的电容器的个数即为 CCD的位数。CCD的基本结构 CCD的基本结构 1．转移电极结构 转移电极结构通常按照每位采用的电极相数来划分。对于普通结构的 CCD，为了使电荷包单向转移，至少需要三相。对于特殊结构的 CCD，也可采用二相供电或四相供电等方式。null (l)三相电极结构(三相 CCD) 三相 CCD的结构使电荷定向运动，采用对称电极结构，三相 CCD是最简单的电极结构。因为在某一确定的时刻，对存贮有电荷的电极而言，两个相邻电极，需要一个被“打”开，另一个保持“关”闭，以阻止电荷倒流。null (2)二相 CCD电极结构 为使 CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极本身必须设计成不对称性，在这种不对称电极下产生体内势垒，保证电荷能定向运动。null (3)四相 CCD电极结构 奇数电极位于厚 SiOz上，偶数电极位于薄SiOz上。因此，即使在同一栅电压下，偶数电极下面的耗尽层要深一些。四相 CCD工作状态与三相器件、二相器件相比，较为适合于工作时钟频率很高的情况(如100MHz)，此时驱动波形接近正弦波。null 2．转移沟道结构 CCD的电荷转移沟道有两种形式，即表面沟道和体内或埋沟道形式。前者称为表面 CCD，简记为 SCCD；后者称为埋沟 CCD，简记为 BCCD。前面介绍的原理都是表面 CCD的。null 3．输入、输出结构 典型的 CCD的输入、输出结构如图所示。在 CCD的主体两端分别加上输入二极管(ID)和输入栅(IG)构成电荷的输入结构，输出控制栅(OG)和输出二极管(OD)构成电荷的输出结构。CCD电荷的产生方式： CCD电荷的产生方式： 电压信号注入 CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。 光信号注入 CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。 null所谓电注入，实际上就是对 CCD势阱电容注入电荷。完成这种输入的结构通常是由一个输入二极管，一个或几个输入控制栅构成。其工作模式可以是多种多样，但总的要求是输入线性好，噪声低。常用的方法有动态电流积分法、二极管截止法和电位平衡法等。但在实际中，电位平衡法应用最广泛，所以我们只重点介绍该方法。null电位平衡法是利用输入栅 Gl表面势与存贮栅 G2表面势平衡来获得信号电荷的，如图所示。其具体 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 是：null输入栅压Gl保持恒定电压。输入信号加在 G2上，开始时输入二极管加低电位脉冲，此时由于 VG2。＞VD，故信号电荷注满 G2势断。然后立即升高二极管电位，使之处于强反偏状态。null这样 G2存贮势阱中多余的电荷则向二极管区倒流，直到 Gl下面的表面势同 G2下面的表面势相等为止，null平衡时 Gl下无电荷， G2势阱中的电荷由式 从上式可知，电位平衡法注入的信号电荷与两个相邻栅极的电势差成正比，但因 VGl是固定的，所以 Qs同信号电压 VG2成正比。null这样的电荷可以分为信号电荷和衬底电荷，也就是说，注人到势阱的绝对电荷量不代表信号电荷，而电荷量的差值才是信号电荷。这个衬底电荷相当于“胖0”电荷。null电位平衡法不仅线性特性好，有高信噪比，而且信号电荷在转移过程中，不会因界面态及电荷转移不完全而使信号失真。此外，电位平衡法消除了栅注人法所带来的随机噪声。它是目前表面 CCD作为模拟信号处理较理想的输入方法。null(a)      选通电荷积分输出电路 (b)     驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构 上一页下一页返 回null (2)信号电荷的输出 信号电荷经输入结构变成大小不同的电荷包后，就在时钟脉冲驱动下沿 CCD沟道转移，很快转移到输出端的最后一个时钟电极下面。如何将电荷包无破坏地检测出来是输出结构的任务。通常 CCD输出信号电荷的检测有电流输出和电压输出两种方式。null① 电流输出 常用的电流输出结构如图所示。采用反偏二极管，外加片外放大器构成输出电路。 φ3下面的电荷包经输出栅 OG后，进入强反偏的扩散层二极管 OD，使之表面势升高。null当复位电压使二极管重新回到原电位时，就有电流流人体外放大管。该方法有较好的线性，但需外接放大器构成大的电容。由于电荷转移到偏置的输出扩散结是完全的电荷转移过程，本质上是无噪声的。影响读出线性和加入噪声的主要是与输出二极管相关的电容大小，及放大器的噪声。null ② 电压输出 常用的电压输出有浮置扩散放大器输出(FDA)和浮置栅放大器输出(FGA)等方式。 CCD图像传感器 CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。 由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。 线列和面阵(1)CCD线列图像器件(1)CCD线列图像器件1－CCD转移寄存器 2－转移控制栅 3－积蓄控制电极 4—PD阵列 SH—转移控制栅输入端 RS—复位控制 VOD—漏极输出 OS—图像信号输出 OG—输出控制栅线型图像传感器结构（2）面型固态图像传感器（2）面型固态图像传感器(a)x-y 选址 (b)行选址 (c)帧场传输式 (d)行间传输式 图像传感器的应用图像传感器的应用1．尺寸测量 2． 用于光学文字识别装置 1．尺寸测量1．尺寸测量被测对象长度Ll1 －视场 l2－传感器的长度上一页下一页返 回2． 用于光学文字识别装置2． 用于光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理 5.2 光纤传感器5.2 光纤传感器光导纤维传感器(简称光纤传感器FOS，Fiber Optical Sensor )是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。应用前景十分广阔。 一、光导纤维的结构和导光原理一、光导纤维的结构和导光原理由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成。包层的外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层，使光纤具有一定的机械强度。纤芯由比头发丝还细的玻璃、石英和塑料等透明度良好的电介质构成，其折射率略大于包层的折射率，一般包层直径为几微米到几十微米。斯乃尔定理斯乃尔定理光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。折射定律：其中n1和n2为折射率，θi、 θr为入射角和折射角。null当光由光密物质出射至光疏物质时，由于n1> n2，当θi为某值时，可使θr＝90°，即折射光沿界面传播，当θi继续增大，光线不再折射，而全部在纤芯内传播，称为全反射。（a）折射角大于入射角： （b）临界状态： 如n1＝1.51，n2=1.48，则θ0＝87.2 （c）全反射 ：光的反射定律光的反射定律反射定律和折射定律：光传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射。反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。光纤导光 (光纤直径>>光的波长）光纤导光 (光纤直径>>光的波长）θi满足什么条件才能保证光线在光纤内部传播？空气纤芯包层nulln0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1上一页下一页返 回null当θr =90°的临界状态时， Sin θi0定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。 θk大， 故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。null纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。以上我们讨论光纤的传光原理时，忽略了光在传播过程中的各项损耗。实际上入射于光纤中的光，存在有损耗(如费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗、弯曲损耗等)，其中一部分光在传播途中就损失了，因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。二、光导纤维的主要参数二、光导纤维的主要参数1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗 1. 数值孔径（NA）1. 数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。 null2.传播模式模式：由于纤芯边界的限制，光线传播有不连续的电磁场解称为模式。以某一角度射入光纤端面，并能在其内传播的一条光线，称之为一个传播模式。 光纤分类：按传播模式的数量：单模光纤和多模光纤 单模光纤：只能传播一种模式的光纤。芯径小(2a=2～12μm)，芯一皮折射率的差也小(Δ=0.0005～0.011) 多模光纤：能同时能同时传播多种模式的光纤,芯径大：2a=50 ～ 500μm ,芯—皮折射率的差 Δ＝(n1-n2)/n1=0.01～0.02 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。3. 传播损耗3. 传播损耗损耗原因：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 传播损耗（单位为dB） 式中, l——光纤长度； a——单位长度的衰减； I0——光导纤维输入端光强； I——光导纤维输出端光强。 三、光纤传感器结构原理三、光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 光纤传感器光学测量的基本原理 光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波， 光的电矢量E被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制四、光纤传感器的分类四、光纤传感器的分类注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤 光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用 光受被测量调制的形式 光纤传感器中对光信号的检测方法不同 (1) 光纤在传感器中的作用(1) 光纤在传感器中的作用功能型 非功能型 拾光型 (a) 功能型（全光纤型）光纤传感器(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。 (b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 (c) 拾光型光纤传感器(c) 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器 (2) 根据光受被测对象的调制形式 (2) 根据光受被测对象的调制形式 (a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器 (a)强度调制型光纤传感器(a)强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响 （b）偏振调制光纤传感器（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。 （c）频率调制光纤传感器（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。 （d）相位调制传感器（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺） 优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。 五、光纤传感器的特点五、光纤传感器的特点（1）电绝缘。 （2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。 六、光纤传感器的应用六、光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术； 相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件； 偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。 光纤压力传感器 （1）采用弹性元件的光纤压力传感器 （1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度 若利用Y形光纤束位移特性的线性区， 则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤 2 壳体 3 膜片 与所加的压力呈线性关系null传感器的固有频率可表示为 式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降， 其精度就要受到影响。 差动式膜片反射型光纤压力传感器 差动式膜片反射型光纤压力传感器 1．输出光纤 2．输入光纤 3．输出光纤 4．胶 5．膜片 两束输出光的光强之比 A―常数； p―待测量压力 输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 null将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。 若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器 即可得到线性的输出。 采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。 （b）光弹性式光纤压力传感器 （b）光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器 2光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 （c）微弯式光纤压力传感 （c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤 微弯式光纤水听器探头 nullnull 激光器光检测器(d).光纤通讯(d).光纤通讯频带宽，容量大2.损耗低：适合长距离通信，光纤通信系统两中继站之间的距离已经超过300km，如果采用光放大器，则直通上万千米 3.保密性能好：无线电通信很容易被窃听 4.抗干扰能力强：雷电、太阳的黑子活动、电磁污染、核爆炸、电子战实施干扰 5. 节约大量价格昂贵的有色金属：石英蕴藏量丰富，lkg高纯度石英可拉制上万千米的光纤，制造lkm的18管同轴电缆，耗铜120kg耗铅500kg 6.光缆体积小、重量轻： 18管同轴电缆每米重11kg，而同样容量的光缆每米重90g,美国用光纤代替A-7飞机上的电缆，飞机重量减轻12．25kg 光纤通信的基本原理 光纤通信的基本原理 普通电话和光纤电话 模拟信号数字信号二进制数字信号是以“0”和“1”两种状态的不同组合来表达不同的信息 模拟传导是指信号参量(幅慎、频率或相位)随着信息连续变化的信号2.光接收机光发送机作用 ：将电信号转换成光信号，送入光纤中传播出去 。 结构：输入接口电路、驱动电路、自动功率控制电路(APC)和告警等 原理：PCM(脉冲编码通信)编成适合于光路传输的码型；驱动激光器发光； PIN监测激光器的输出光功率；控制电路(APC)调节。2.光接收机原理：光纤传来的微弱光信号入射到光电检测器的光敏面上时，光电检测器将其转变成电信号。 放大：主放大器的作用是将电信号进一步放大 补偿：均衡器对放大后失真的信号进行补偿，使脉冲信号的形状更符合判决要求 增益：自动增益控制电路(AM)，在一定范同内控制主放大器的增益和APD雪崩二极管的倍增因子 判决：均衡器输出的信号进行判决，识别出哪个是“0” 码，哪个是“1”码，再生出原来的一串脉冲数字信号 2. 光接收机5.3 汽车胎温胎压传感器5.3 汽车胎温胎压传感器在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70%-80%是由于爆胎引起的。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，据有关专家的分析，保持 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而汽车胎压监视系统(TPMS)就是预防汽车轮胎故障的重要工具。 一、TPMS分类一、TPMS分类TPMS 主要分为两种类型，一种是WSB TPMS(间接式 TPMS)，这种系统是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。该类型的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是PSB TPMS(直接式 TPMS)，这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。PSB TPMS 从功能和性能上均优于WSB TPMS。许多欧洲的汽车厂商已将 PSB TPMS 配装于自己的车型之中，国内多数汽车厂家目前还没有进行这方面的研究。 二、TPMS方案二、TPMS方案TPMS系统主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、RF发射器组成的TPMS 发射模块，和安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元的RF 接收器以及LCD 组成。一辆轿车需要4个TPMS 发射模块(备胎还需要1个)和1个TPMS接收器。一辆卡车需要6~12个TPMS 发射模块。TPMS结构框图TPMS结构框图飞思卡尔解决方案飞思卡尔解决方案飞思卡尔解决方案飞思卡尔解决方案 该方案的传感器：MPXY80x0也称为Daytona，它是表面经过微机械加工的电容性机电系统（MEMS）压力传感器。Daytona 包括压力变频器、正温度系数集成电阻温度传感器和生产校准的压力和温度8位数字输出所需的全部线路，所有应用均在一个冲模上提供。GE公司方案GE公司方案1995年开始，GE Novasensor通用就提供压力传感器给TPMS系统。在TPMS领域拥有10年成功经验的GE，不断针对TPMS推出新的产品，以满足市场上对灵活、客户定制/解决方案和降低成本的需要，同时也代表了全球TPMS传感器市场的发展方向。2004年其NPX系列压力传感器开始供货，NPX I芯片整合了压力、温度传感器及8位RISC MCU，NPX II与NPX I相比较又整合了惯性感应器，2006年推出的NPX III除具有以上功能外，更把RF发射电路整合一体，成为单芯片方案。 GE NPX I传感器GE NPX I传感器NPX 系列芯片集成了压力传感器、温度传感器及一个8位RISC微处理器。NPX I芯片具有4k字节的用户可编程空间，4k字节的定制ROM，以及一个2D的LF输入级。各类传感器的信号经12位ADC转换后，提供给用户和系统进行进一步的处理。在4k字节的定制ROM中，固化了GE特有的压力、温度和电压测量、补偿和校准程序。null基于PCH7900 芯片的发射电路 基于PCH7900 芯片的发射电路 接收电路设计接收电路设计TPMS系统的接收模块主要由天线、射频接收电路、主控芯片MCU和键盘、显示器组成，用于接收各发射模块传送的轮胎温度与压力数据，显示各轮胎的ID识别码和测量数据，并在异常情况发生时声光报警。由于接收模块安装在汽车车厢内，故对器件选用的各方面要求不高，工业级即可。基于MAX1473芯片的无线接收电路 基于MAX1473芯片的无线接收电路 主控单片机主控单片机软件设计软件设计低功耗唤醒 曼彻斯特编码：曼彻斯特编码是利用自同步法从数据信号波形中提取同步信号的方法。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。 串行通信协议：