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1、智能仪器设计基础（二）,2/48,第二讲 智能仪器的输入,2.1传感器的分类,物理 传感器,物性型传感器 利用功能材料本身所特有的特性及效应把被测量转换为电量。 结构型传感器 以结构（形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量。,化学 传感器,利用电化学反应原理，把无机、有机化学物质的成分、浓度等转 换为电信号的传感器 核心是离子选择性敏感膜,生物 传感器,利用生物活性物质选择性识别和测定生物化学物质的传感器 两大部分构成： 功能识别物质（酶，抗原，微生物，细胞等） 电光信号转换装置（生物化学反应转换为电信号或光信号）,3/48,2,1,3,4,5,6,7,8,9,10,11
2、,12,13,14,物性型：,光敏特性光电效应 、光纤传感器 压敏特性压电效应 、压阻效应 、压磁效应 热敏特性热电效应 、热敏电阻 湿敏特性水分子亲和力型 、非水分子亲和力型 磁敏特性霍尔效应 、磁阻效应 、磁敏管 色敏特性光谱型 气敏特性半导体气敏,第二讲 智能仪器的输入,（1）物理传感器,4/48,第二讲 智能仪器的输入,外光电效应,在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。,爱因斯坦光电效应方程: 入射光子能量 = 逸出功 + 光电子初动能,红限频率(截止频率) 产生光电效应的条件： 红限频率与材料有关，而与光强无关,普朗克常数： 光子频率：,电子一旦吸收了
3、一个光子的能量，就可以立刻从金属表面逸出， 所以无须时间累积，响应时间不超过1ns,5/48,第二讲 智能仪器的输入,内光电效应（1）,光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带， 使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料 产生电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。,纯净半导体光子能量必须大于材料的禁带宽度Eg才能产生 内光电效应，能使价电子跃迁到导带的光谱的最大波长称 为截止波长，01240/Eg(nm)。 掺杂型半导体光子能量只要大于施主能级与导带底或者受 主能级与价带顶能级差，截止波长0124
4、0/Ei(nm) 光电导效应,半导体受到光照时会产生光生电子空穴对(electron-hole pairs)，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。,光敏电阻,光敏二极管,光敏三极管,6/48,第二讲 智能仪器的输入,光生伏特效应,光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结
5、两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。,内光电效应（2）,短路电流,开路电压,N区流向P区光生电流,正向二极管电流,PN结反相饱和电流,PN结正向偏压,波尔兹曼常数K=1.380650510-23 J/K,PN结常数，12之间,绝对温度,电子电量1.610-19,短路电流,开路电压,7/48,第二讲 智能仪器的输入,硅光电池的特性,内光电效应（3）,硅光电池的光照特性曲线,硅光电池的伏安特性曲线,硅光电池的光谱特性曲线,8/48,第二讲 智能仪器的输入,侧向光生伏特效应（Dember效应）
6、当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生光电势的效应。 光电磁效应（PEM效应） 半导体受到强光照射，并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端间产生电势的现象称为光电磁效应，它可以看成是光扩散电流的霍尔效应。 贝克勒耳效应（Becquerel效应） 贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样的电极中的任一个电极时，两个电极间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应。,内光电效应（4）,9/48,第二讲 智能仪器的输入,光纤传感器（1）,基本原理：光纤传感器是一种与以电为基础的传感器迥然不同的传感器，它以光学测量为基础，是一种把被测量的状态转
7、变为可测光信号的装置。它由光发送器、敏感元件（光纤或者非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经过源光纤导引到敏感元件，在这里光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变成电信号，最后经信号处理系统处理。 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量
8、的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。 优点：电绝缘，抗电磁干扰，对被测场不产生干扰，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，几何形状有多方面的适应性，传输频带宽（30MHz10GHz），电气无源系统（无可动部分，无电源）,万能传感器：电流、磁场、电压、电场、温度、速度、位移、加速度、压力、流量、浓度、pH值、振动、音响、射线、图像等。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散
9、存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模；而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。,10/48,第二讲 智能仪器的输入,光纤传感器（2）,光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为:,光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减，可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性,标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km,色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号
10、的最后判决造成困难，色散用色散系数衡量,带宽距离积，D（）为色散系数，标准单模光纤在1550 nm处色散系数为17 ps/kmnm,例子：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用标准单模光纤D = 17 ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 Gb/skm,11/48,第二讲 智能仪器的输入,光纤测量的基本原理,电场（光矢量）,振幅矢量,频率,相位,光强调制（振幅）,偏振态调制（方向）,频率调制,相位调制,光纤传感器（3）,光波强度调制,利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收和反射等参数的变化，而导致光强变化来进行检测。光纤微弯效应光强度调制技术（亮场微
11、弯造成光纤芯功率变化；暗场微弯造成光纤包覆层内光功率变化）；遮光式光强度调制技术（动光纤式，动光闸式，动栅式，反射式）。,12/48,第二讲 智能仪器的输入,光波偏振调制技术,Pockels效应和Keer效应：线偏振光通过晶体发生双折射，如果在晶体两端施加电极并在电极间施加一个高压电场，外加电场的方向与通光方向一致（纵向调制），外加电场引起晶体不同方向的折射率发生变化，从而造成偏振光在晶体中传播的光速产生变化。由于速度的差异，正交的两偏振光穿过一定厚度的晶体后会出现光程差，进而造成合成光波出现相位差，该相位差与外施电场成正比。相位差的变化引起偏振方向改变，通过检偏器使得光强被调制。这种原理可以
12、用于测量高压。 Keer效应与Pockels效应类似，但是外加电场垂直于通光方向，使得相位差与外电场的平方成正比。,光纤传感器（4）,检偏器与起偏器正交，且与电场方向呈45，光强I的表达式,Pockels效应,Keer效应,13/48,第二讲 智能仪器的输入,光弹效应：对晶体施加应力会造成不同方向折射率的变化，进而引起双折射光波的光程差，造成合成光波的相位差和偏振面的变化。这种原理可以被用于测量压力、声、振动和位移等。,光波相位调制技术,利用被测对象对敏感元件的作用，使得敏感元件的折射率或传播常数发生变化，从而导致光的相位变化，但是光电探测器不能直接感知相位的变化，必须采用光纤光波干涉技术进行
13、检测。通常利用光弹效应的声、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效应的旋转角加速度传感器（光纤陀螺）。这类传感器灵敏度很高，但是必须采用特殊光纤以及高精度检测系统，成本很高。,法拉第磁致旋光效应：线偏振光通过一个晶体传播可以理解为一个左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合，当对晶体施加一个与通光方向一致的磁场，则由于磁场造成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传播速度出现差异，从而经过一定厚度的晶体后出现光程差，进而造成光矢量（偏振面）逆时针或顺时针产生旋转，通过检偏器引起光强的变化。这种原理可以被用于测量磁场或电流。,光纤传感器（5）,14/
14、48,第二讲 智能仪器的输入,Sagnac效应：两束光脉冲沿着半径为R的圆形光纤环路（或矩形）向着相反的方向被发送，则它们以同样的速度运行同样的距离到达光纤的末端；但是，如果在此过程中光纤环路本身也在转动，在光脉冲从发送端到达光纤末端的过程中，光纤环路产生一个偏转角，那么两束光脉冲到达光纤末端距离会出现轻微的差别，这种差别引起合成光波的相位差，从而产生干涉现象。,光纤传感器（6）,15/48,第二讲 智能仪器的输入,3,正压电效应：当沿着一定方向对某电介质加力而使其变形时，会在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态。 逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一
15、定方向上产生机械形变或机械应力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。,压电效应,4,当力被作用于单晶硅时，硅晶体的电阻率发生显著的变化，称为压阻效应。压阻效应受温度的影响较大。,压阻效应,5,某些电磁材料受到机械力F（如压力、拉力、弯力、扭力）作用后，在其内部产生了机械应力 ，由此引起铁磁材料的磁导率 发生变化。这种由于机械力作用而引起磁材料的磁特性的变化的物理效应称为压磁效应。,压磁效应,16/48,第二讲 智能仪器的输入,6,两种导体的接触电势：各种导体中都有大量的自由电子，不同金属自由电子的密度是不同的。例如，金属A和B的自由电子密度分别为na和nb，并且nanb，当A和B金属接
16、触在一起，A金属中自由电子向B金属中扩散，这时A金属由于失去电子而具正电位，B金属由于得到电子而带负电。这种扩散一直到动态平衡为止，而得到一个稳定的接触电势。该电势除了与材料有关，也与温度有关。 单一导体的温差电势：对一根均质的金属导体，如果两端温度不同，分别T和T0（TT0），则在两端也会产生电动势，这个电势叫做汤姆逊电势。,热电效应,7,电阻的电阻率一般都与温度相关，故可用于测量温度。热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，并能直接将温度的变化转换为电量的变化。,热敏电阻,8,由于水分子有较大的偶极矩，故其易于吸附在固体表面并渗透入固体内部。水分子这种吸附和渗透特性称水分子亲和力。水分子吸附在物体表面或渗入物体内部后，物体的电气物理性能发生变化，利用这种变化可构成多种水分子亲和力型湿敏传感器。例如金属氧化物陶瓷吸收水分子后发生长度、电阻、电容等性能发生变化可
