摘要
直读光谱仪在冶金行业中有着重要的应用，可以确定钢铁中不同成份元素的含量。直读光谱仪要求可以测定紫外波段的光谱，它可以采用光电倍增管和电荷耦合器件（CCD）两种探测器。采用CCD作为探测器件可以减小整个仪器的体积，并且线阵CCD传感器能在一次曝光时间内探测一段波长范围内的所有谱线，这样就提高了便携性能，减少了探测时间，具有重要的意义。本文采用CCD作为光谱仪的接受器件，其中光谱仪光路为对称CT结构，对氘灯、汞灯紫外光谱区进行了测量，得到了光谱图像，并采用最小二乘法对汞灯光谱图像进行了定标，定标后的谱线与标准汞灯谱线进行对比，两光谱图像基本吻合,证明了此系统的可行性。
关键词：紫外光谱测量；CCD；对称CT结构；最小二乘法；汞灯
ABSTRACT
Direct-reading spectrometer have important applications in the metallurgy industry, it can detect the content of different chemical element in the steel. Direct-reading spectrometer should be able to detect the ultraviolet spectrum, for this, it can use two sensors, photomultiplier and CCD. If CCD is used for the sensor, the entire instrument will be smaller. And linear CCD sensor can detect a spectrum range in a single exposure. So the instrument becomes portable, the detecting time is shortened. It is of great significance. In this paper, CCD, as the receiving device of the spectrometer which is symmetrical CT structure, was used to detect the ultraviolet spectral region of deuterium lamp and mercury lamp. The calibration of the achieved mercury lamp spectral image was by the least square method. Through contrasting the calibrated mercury lamp spectral image and the standard mercury lamp spectral image, the measuring method was proved to be available.
Key Words:Ultraviolet Spectrum Measurement; CCD; Symmetrical CT Structure; Least Square Method; Mercury Lamp
目录
摘要 ................................................................................................. I ABSTRACT ....................................................................................... I I 第一章绪论 (1)
（一）引言 (1)
（二）文献综述 (2)
（三）课题目的及意义 (4)
第二章材料与方法 (5)
（一）光谱仪 (5)
（二）CCD (6)
（三）最小二乘法 (9)
第三章结果 (10)
第四章讨论与结论 (12)
（一）讨论与分析 (12)
（二）结论 (14)
参考文献 (15)
致谢 (16)
第一章绪论
（一）引言
在过去的一个世纪里，伴随着新的技术及科学知识的发展，分析仪器得到了前所未有的发展，分析仪器诞生后，随着人们要求不断的提高和科学技术不断的发展，由简单的仪器逐渐发展为复杂的仪器，由常量的分析发展为快速、高灵敏、痕量和超痕量的分析，从手动分析转变为自动分析，以及由单一分析方法发展到多种方法联用使用的多维方法。在工业生产及科学研究领域，从取样分析发展到在线分析以及不需取样的原位分析，由单纯的元素分析深入为元素的状态分析。从这些可以看出，近几十年来各学科之间的渗透与交叉是显著的[1]。其中光谱仪便是一种重要的分析仪器。
复色光经色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小依次排列后组成光谱。通常光谱的测量由光谱仪来完成。光谱仪是分析物质化学组成和元素含量的重要分析仪器，自从19世纪初期，光谱仪成为常用的工业分析仪器后，光谱仪迅速发展。现在光谱测量的方法已经被运用到天文、地理、科学实验、生物医学、国防等众多领域[2]。
光电倍增管（PMT）作为主要的光谱接受器已沿用了数十年。它的主体由一个内部装有阳极、多个次级电子发射极以及涂有光敏材料的阴极玻璃管或石英管组成。入射光首先照射在阴极上，阴极上的光敏物质受到光照后，发射出电子，电子在外加电场的加速下，依次落在一系列的倍增极上，并击出大量的二次电子，这些电子最终被阳极捕获，然后输出电流，可见光电倍增管起到了光电转换和电流放大(提高了灵敏度)的双重作用[3]。PMT体积小、结构简单、操作容易、灵敏度高，但是用PMT作为传统的接受器件有两个主要的缺点:
1. 一次只能探测一个波长点的光谱数据，探测整个光谱区域的时间较长，且只能得到波长—辐射光强的二维光谱信息，不能满足瞬态宽光谱范围分析的要求。
2. 需要精密的光谱扫描机械装置与分光系统配合使用，才能完成光谱探测工作，因此整个仪器结构复杂，体积较大，容易损坏[4]。
当CCD出现后，可以很方便地进行光谱测量。CCD 具有重量轻、尺寸小、功耗小、噪声低、线性好、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点，这些使得CCD的应用越来越广泛。由CCD、光谱仪和计算机数据采集系统构成的测量系统能对光谱信息实现快速采样、存储、传输和数据处理等一系列功能，从而使光谱测量数字化，并且可以同时采集各个波长点的数据，即在一次曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，因此在光谱测量领域的应用将会越来越广泛[5]。
在日常的生产生活中，会大量使用金属材料。伴随着冶金技术以及材料学的发展，人们根据不同的需求制作了不同的合金材料。这些合金材料由于元素种类及含量的不同，性能千差万别。比如在钢铁里掺入一定含量的铬和镍元素，其抗腐蚀性会明显提高。在工业生产中，为了满足不同产品的性能要求，要用到不同的金属材料，为了对这些金属材料进行细致区分，就需要进行光谱分析。在某种类型的钢材生产完成时，也需要检测最后的产品是否符合标准。所以，钢铁企业、机械加工制造产业、汽车业等与钢材生产及加工有关的行业都需要对金属材料进行分析。
如今的实验室光谱仪，虽然拥有精度高的优点，但其体积大、价格昂贵、使用不便等缺点大大阻碍了其发展。因此，各国已把研究微型光谱仪作为研究的重点，这便是目前光谱仪发展的趋势[6-8]。
由于普通的CCD探测器对330nm 以下的紫外光没有响应。而在光谱仪中，170nm～200nm 的波长范围内包含碳、磷、硫等几种非常重要的非金属元素的特征谱线，其中C元素是合金材料中最受关注的元素，因此为了得到合适的谱线强度，使用紫外线阵CCD来采集深紫外波段的光谱[9]。
(二)文献综述
近年来，采用CCD作为探测器的直读光谱仪的研发越来越广泛，在国外有许多家公司生产此类产品，比如德国斯派克（SPECTRO）、美国热电（THERMO）、意大利GNR以及德国WAS，他们对此类产品的研发已有将近20年的历史，技术已经较纯熟。我国对直读光谱仪的研发起步较晚，和国外相比，技术存在一定差距，因此在国内，此类产品的研发还有很大的潜力。
2004年，冯志庆，李福田等制作了用于探测太阳紫外光谱250～450 nm的微型光纤光栅光谱仪。该光谱仪采用正交型CT结构, 探测元件使用滨松自扫描光电二极管阵列(SSPD) 。并进一步介绍了光谱仪探测器的驱动电路以及数据采集电路的设计，对光谱仪进行了辐射定标,讨论了积分时间对信噪比的影响[10]。
2005年，张慧云, 马兴坤使用线阵CCD 作为光栅光谱仪的接收器件，进行了光谱测量。这种方法除了可以对光谱的波长进行测量外, 还可以对光谱的波形进行比较、分析。分析并研究了光谱的波形与波长、积分时间、入射狭缝宽度、衍射角、光源偏离光轴等因素对光谱测量结果的影响[5]。
2007年，孙兰海等人结合开发过程，对直读光谱仪的光源、测量控制系统和电磁干扰的屏蔽等部分进行了较全面的研究，探讨了机械结构设计、控制接口设计等问题 [1]。
同年，夏若彬等人，针对CCD噪声来源及其特性，探讨了如何针对各项参数合理选择线阵CCD，如何针对光谱探测这一特性合理选择A/D转换器。同时通过设计CCD驱动、数据采集系统，研究了不同的电路板对CCD光谱采集系统的影响及如何实现实时信号传输。通过采集各种光源的光谱数据,将这些数据和附加于其中的CCD的噪声进行分析，得出针对不同光源的频谱特性,对应的噪声处理方法，比如针对不同的光源，选择合适的处理方法(如FFT、小波变换等方法)以及处理方法的合适滤波频段[11]。
2009年，许玉兴等人以ARM为核心，线阵CCD芯片ILX554B为探测器件构建了一套应用在直读光谱仪上的CCD光谱检测与分析系统，给出了三种光谱定量分析方法,对目前光谱仪普遍使用的持久曲线法做了详细的介绍。并针对CCD检测系统中如何提高信噪比这个重点问题进行了分析，提出了好的办法[12]。
2011年，程海林等人针对光谱测量，开发出特定的数据采集与处理软件，其编写的软件界面具有数据采集、光谱归一化动态显示、参数设置、数据保存、光谱图像保存、显示任意波长光强等功能，这些功能使得光谱曲线的观察与分析快速且易操作。并且使用窗函数法、小波阈值法、中值滤波法以及他们自己提出的组合滤波器法对光谱数据进行了降噪处理，对各种降噪效果进行了比较和分析，结果表明他们提出的组合滤波器法的降噪效果最佳，能去除大部分噪声。其研发的仪器具有易操作、成本低廉等特点，可对珠宝石材种类进行快速鉴别，可
成为珠宝检测领域的专业检测仪器，应用前景非常广阔[13]。
（三）课题目的及意义
如今，光谱测量已经被运用到天文、地理、科学实验、生物医学、国防等众多领域，比如水质监测，空气质量监测，不规则物体外形的测量，精确距离测量等等。由于普通的CCD探测器对330nm 以下的紫外光没有响应。而在光谱仪中，170nm～200nm 的波长范围内包含碳、磷、硫等几种重要的非金属元素的特征谱线，因此使用紫外线阵CCD来采集深紫外波段的光谱是非常必要的，本课题将对使用紫外线阵CCD进行光谱测量进行初步研究。
第二章材料与原理
本实验使用光谱仪及紫外线阵CCD来进行光谱测量，最终通过计算机来进行数据读取及分析。
(一)光谱仪
光谱仪(Spectrometer)是将成分复杂的光分解成光谱线的仪器，由棱镜、衍射光栅等构成。利用光谱仪测量光经物体表面反射后的光线，通过光谱仪对光信息进行分离，照射到底片上进行显影，或由计算机进行显示及分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
光谱仪器的基本特性参量有：工作光谱区、色散率、分辨率、光强以及工作效率。
1.工作光谱区
光谱仪所能记录光谱的波长区域称为该光谱仪的工作光谱区。它主要决
定于光谱仪光学零件的光谱透过率或反射率。
2.色散率
色散率是衡量光谱在空间按波长分离的尺度，可以用角度表示，也可用
线度表示，分别称为角色散率、线色散率。
3.分辨率
分辨率是指光谱仪能分辨出的最小的相邻两条谱线的距离。光谱仪分辨
率的大小不仅取决于仪器的色散率，还与谱线的强度分布轮廓以及它们
的相对位置有关。
4.光强
光强是衡量光谱仪传递光能量的本领，它与接收元件的感光性质有关。
5.工作效率
光谱仪的工作效率是指其记录光谱的精度与速度的综合指标。光谱仪记
录光谱的精度较复杂，它包括光谱波长的精度和光谱强度的精度。因此，它与色散率、分辨率、光强等有密切关系。
本课题采用对称交叉CT结构平场光谱仪，焦长85mm，采用600线/mm光栅，光谱仪跨越波长范围为550nm，数值孔径0.22，分辨率0.4nm。下图为光谱仪示意图：
图（1）光谱仪示意图
对称CT结构，入射光需要经准直镜准直照射到光栅上，衍射光需要会聚镜会聚到探测器上，离轴、偏心、倾斜等因素导致像差较大，特别是慧差，象散造成光谱分辨率较差，同时数值孔径必须较小，否则像差将过大，所以一般CT结构的光谱仪的数值孔径在0.2以下。但其适合机械结构小型化的优点，使CT结构在直读光谱仪中应该广泛。因此本课题采用CT结构光路。
本课题使用光谱仪光路为：光经光纤引导，进入狭缝，然后照射到反射镜上，经反射后，照射到准直镜上，经准直镜准直，照射到光栅上，经光栅分光后，照射到会聚镜上，光经会聚镜会聚后，最后照射到接受器件CCD上。
（二）CCD
CCD （Charge-coupled Device，电荷耦合元件）是一种半导体器件，能将光信号转换为电信号，由美国贝尔实验室的博伊尔、史密斯发明。CCD 可分为两种基本类型：一种是电荷包被存储在半导体与绝缘体之间的界面内，并沿界面传输，称为表面沟道CCD；另一种是电荷包被存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，称为体沟道CCD[14]。
下面将简单介绍表面沟道CCD的工作原理。表面沟道CCD 由三部分典型结构构成：
1. 输入部分，由一个输入二极管和一个输入栅组成，它将信号电荷引到CCD 的第一个转移栅下的势阱中。
2. 主体部分，即为信号电荷转移部分，由一排紧密排列的MOS电容器构成，其作用是存储并转移信号电荷。
3. 输出部分，由一个输出二极管和一个输出栅组成，它将CCD最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出。
CCD的基本功能是电荷的存储以及电荷的转移，因此CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存储、传输及检测[8]。
图（2）表面沟道CCD结构示意图
CCD的主要性能参数有：响应度、光谱响应度、动态范围、分辨率、暗电流、噪声等[15]。
1.响应度
响应度指单位曝光量所产生的有效信号电压(V/lx?s)，也就是指，在某个像面照度下，响应度的大小为有效信号电压(V)与曝光量(lx?s)之比。
响应度的大小能够反映CCD像元的灵敏度以及输出级的电荷电压转换
能力。
2.光谱响应度
光谱响应度可定义为CCD对各种单色光的相对响应能力，并将其中响应度最大的处波长定义为峰值响应波长。通常将响应度大于等于峰值
响应的50%所对应的波长范围称为光谱响应范围。光谱响应度特性主要
由光电二极管表面的反射以及硅的光吸收特性所决定。波长较短的光，经硅表面保护膜等吸收或者反射后，光量会被衰减，此外普通光学玻璃对紫外波段光的吸收也较大，也会限制了玻璃窗CCD对紫外光的响应，因此大多数CCD在短波段响应度偏低。
3.动态范围
动态范围可定义为像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。CCD势阱可容纳的最大信号电荷量由CCD的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素决定。
噪声产生的最小电荷量基本只考虑随机噪声所产生的电荷量。
4.分辨率
分辨率是图像传感器的重要参数。常用调制模传递函数MTF来衡量。通常情况下，像素越多，分辨率越高。
5.暗电流
暗电流是指在无光照射状态下由热生电子引起的输出信号，是积分时间的线性函数，对温度变化非常敏感[16]。
6.噪声
在CDD中主要有以下几种噪声源：（1）电荷注入器件时，电荷量的起伏引起的噪声；（2）电荷在转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；
（3）检测电荷时，需要对检测二极管进行复位操作，此时，复位脉冲会导致信号的检测噪声[17]。与CCD有关的噪声大致可以分为5种：
①光子噪声
光子发射是随机的，因此势阱中得到的光电荷也是随机的，这样便成为了一种噪声源。这种噪声源与CCD传感器无关，是
由于光子的性质产生的，因此成为了摄像器材的基本限制因素。
②电流噪声
与光子发射一样，暗电流也是随机的，因此也成为噪声源。
并且，当CCD每个单元的暗电流不一样时，还会产生图形噪声。
③胖0噪声
包含光学胖0噪声和电子胖0噪声。光学胖0噪声由使用时，偏置光的大小决定。电子胖0噪声由电子注入胖0结构决定。
④ 俘获噪声
由于界面缺陷（体缺陷）或界面态（体内能态）的存在，这
些能态会俘获传输过程中的电荷，而且还会随机释放它们，因此
产生了俘获噪声。
⑤ 输出噪声
此噪声是由输出电路复位过程中产生的热噪声造成的。
本课题采用滨松S11155-2048N-01型CCD ，有效像元数为2048，像元宽度
为14 m μ。最小积分时间2 s μ，光谱响应范围为200~1100 nm ，典型暗电流值50 /pixel/s ke -，动态范围6670。通过驱动电路直接连接电脑来进行数据存储与分析。
（三）最小二乘法
光谱仪利用线性CCD 作为接受器件，可以直接得到光谱图像，但其测量得
到的是光谱强度关于CCD 像元数的图谱，然而我们需要的是光谱强度关于波长的光谱，因此需要通过最小二乘法进行波长定标，得到波长与像元数的关系式，以此得到光谱强度与波长的关系。
本课题中采用最小二乘法的三次拟合给波长定标，波长λ与像元数x 的关系
式如下：
32d x x c x b a ?+?+?+=λ （1）
通过特征谱线在实验数据中找出几组可靠的λ与x 的数据，利用最小二乘法
原理得到常数a 、b 、c 、d ，然后将实验得到的光强I(x)与像元数x 的关系I(x)—x 中的x 带入上式，得到I(λ)—λ的光谱图像，将此光谱图像与标准光谱图像对比，验证光谱图像以及关系式（1）的正确性。
第三章结果
通过使用光谱仪及CCD对氘灯及低压汞灯进行光谱测量，得到如下光谱图像：氘灯光谱:
图（3）氘灯光谱
汞灯光谱:
图（4）汞灯光谱
通过加滤光片（可通过250 nm~410 nm）与不加滤光片得到的光谱图像进行对比，使用最小二乘法进行光谱定标。两光谱图像如下：
图（5）不加滤光片汞灯光谱
图（6）加滤光片汞灯光谱
第四章讨论与结论
（一）讨论与分析
首先对氘灯进行了测量，得到了图（3）所示图像，图像波长范围大致在200—500 nm，将此光谱图像与氘灯标准光谱图像进行对比，强度峰的个数与位置大致相同。但实验所得图像中峰的宽度较大。经分析，我认为是CCD没有放置在会聚镜焦面上所造成的。
然后对汞灯进行了相对全面的测量，通过对光路进行调节，得到图（4）所示的较好的光谱图像，图中波长范围在220—500 nm之间。为了对汞灯光谱进行定标，选择了加滤光片的方法来寻找特征谱线。所加滤光片为ZWB1型滤光片，其可通过250—410 nm的光，并且在313 nm处有较大透射率，达到81%。通过图（5）与图（6）的对比，并参照汞灯标准光谱，可以选择出5条特征谱线，其中两条为在多次测量中均出现的相隔很近的双峰谱线，如下图所示：
图（7）汞灯光谱双峰图
下表为选出的5条特征谱线：
表（1）5条汞灯特性谱线
将以上特征谱线带入（1）式中，计算得到常数a 、b 、c 、d:
表（2）拟合方程的常数值
32*715671.1-*10.00052885*0.53275-354.716x E x x -+=λ（2）
通过上式，便可得到图（5）中波峰位置x 与波长λ的关系，得到下表结果：
表（3）波峰像元数x 与波长λ对应关系
表（4）标准汞灯谱线
像以及拟合方程的正确性，使用海洋光学HR4000型光谱仪对同一个汞灯进行了光谱测量，所得光谱图像如下：
图（8）海洋光学HR4000汞灯光谱图像
将其与实验所得图像进行对比：
图（9）实验所得汞灯光谱图像
通过两图对比可知，实验定标所得波峰波长在海洋光谱仪所得光谱中均有出现，但两光谱图像存在一些差异。首先强度存在差异，我认为这是探测器的响应度差异造成的；其次，波峰的间距存在差距，特别是实验所得光谱中，253 nm 谱线与其余谱线相隔较远，我认为这是由实验所得光谱未经去噪声处理所造成的。
（二）结论
本课题采用CCD作为光谱仪的接受器件，对紫外光谱进行了较简单的测量。得到了氘灯光谱及汞灯光谱。通过加滤光片，选择出特征谱线，使用最小二乘法二次拟合，对汞灯光谱进行了定标，与标准汞灯谱线进行对比，结果显示本课题所得汞灯光谱与标准光谱基本符合。其中光谱仪采用了对称CT结构，此结构的缺点是像差较大，但是其优点是利于小型化，此优点利于进一步开发便携式直读光谱仪。
本课题还存在一些不足之处。首先，谱线峰宽度较大；其次，光谱强度分布与标准谱相比，有所差异，最后光谱图像未经过去噪处理。我认为谱线峰宽度较大是由光路造成的，一方面此光路结构有一定局限性，像差较大，因此造成光谱误差较大；另一方面，在光路调节方面也可能存在一定的不足，比如CCD探测面是否准确位于会聚镜焦面上。
本测量方法有很大的应用前景，可用于直读光谱仪的开发。下一步可对光路结构进行优化，采用一些校正方法，对光谱图像进行去噪处理，使光谱图像更加精确。本课题中用于数据采集、分析的CCD驱动器为滨松C11165-01型驱动器，此驱动器价格昂贵，下一步的研究中，可自行尝试开发CCD驱动器，以降低系统成本。
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档案编号： 毕业设说明书题目：电涡流传感器的研究与探讨 系别：电气工程系 专业：生产过程自动化 班级： 姓名： 指导教师： （共18 页） 年月日
摘要：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。由于它具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等优点，因而得到了广泛的应用。但目前的电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题，这给传感器的应用造成了一定的影响。 本文首先通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究和优化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。其次针对电涡流位移传感器存在的测量范围小，传感器存在非线性问题的改善提出设想即：先对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响；再从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础；最后通过对电涡流传感器测位移实验进行分析处理得出电涡流传感器位移测量范围的扩展方法和改善电涡流传感器非线性问题的方法。 关键词：电涡流传感器; 位移测量; 非线性; 测量范围 Abstract: the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. Because it is simple in structure, strong anti-jamming capability, high accuracy, non-contact, fast response, not polluted advantages such media influence, and been widely used. But the current electricity eddy displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem, the sensor to a sensor applications has caused some influence. This paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization, and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. Secondly according to the eddy current displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is: first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications, research analyzed the coil cross-section
光电传感器在生活中的应用 ——CCD图像传感器 摘要： 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 关键字：光电传感器；CCD图像传感器 正文 一、CCD的工作方式 ?CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼 的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 ?CCD(Charge Coupled Devices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元 件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷。每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
CCD图像传感器 CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD 作图象探测元件。 一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。 一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理 CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。 当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。
Features Gallium Nitride Based Material Schottky-type Photodiode Photovoltaic Mode Operation Good Visible Blindness High Responsivity & Low Dark Current Applications UV Index Monitoring UV-A Lamp Monitoring Absolute Maximum Ratings Symbol Unit T st ℃T op ℃V r, max.V Reverse Voltage 5Storage Temperature Operating Temperature 90-30 85-40UV-A Sensor GUVA-S12SD Parameter Min.Max.Outline Diagrams and Dimensions Remark Cathode Anode r, max.I f,max.?P opt W/?T sol ℃ Characteristics (at 25℃) Symbol Min.Max.Unit I d 1?101 125 ??I tc ％/℃R A/W λ 240 370?? Responsivity Curve Photocurrent along UV Power Caution ESD can damage the device hence please avoid ESD 260 within 10 sec. UVA Lamp, 1?/? Test Conditions Typ.Responsivity Spectral Detection Range Active area λ = 350 ?, Vr = 0 V 10% of R 0.14 0.076 Photo Current Temperature Coefficient UVA Lamp 1 UVI 210.08I ph 113 Dark Current Vr = 0.1 V Optical Source Power Range 0.1μUVA Lamp 100m Soldering Temperature Parameter ※Notice: apply to us in the case that Optical Source Power is over 100?/?g Forward Current 1 ESD can damage the device hence please avoid ESD.
光纤传感技术的应用 在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面有着广泛的应用。 1 光纤传感器的特征 光纤传感器系统按照在传感器中的作用分为两种类型：功能型和非功能型。功能型光纤传感器光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件，非功能型光学传感器中，光纤不是敏感元件。描述光波特征的参量很多（如光强、波长、相位、振幅态和模式分布等），这些参量在光纤传输中都可能受外界影响而发生变化。如当温度、压力、加速度、电压、电流、位移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和物理量等对光路产生影响时，均使这些参量发生相应变化，光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量的大小。光纤传感器由光源、传输光纤、光电元件等部分组成。其中光源是光纤传感器的重要组成部件，目前常用的有白炽灯，激光器和发光二极管。光电元件多用半导体光电二极管。 与其它常规传感器相比，光纤传感器有如下特点： （1）高灵敏度，抗电磁干扰。由于光纤传感器检测系统不传送电信号，因此，光信号在中不会与电磁波发生作用，也不受任何电噪声的影响，由于这一特征，光纤传感器在电力系统的检测中得到了广泛应用。 （2）频带宽、动态范围大。 （3）可根据实际需要做成各种形状。 （4）可以用很近似的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、位移、液位、流量、电流、辐射等； （5）便于与计算机和光纤系统相连，易于实现系统的遥测和控制。 （6）结构简单、体积小、质量轻、耗能小。正由于它的这些优点，其应用领域非常广阔市场前景也比较广。 2 国内外光纤传感器的发展情况 美国是最早研制光纤传感器并投资最大的国家并且取得很大成就。从1977开始由美国海军研究所主持的光纤传感器系统共有5个公司参加，主要研究方向是水声器、磁强计和其它水下检测有关设备。1980年开始研究，1984年进行飞行实验的现代数字光纤控制系统（ADOSS），采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升飞机驾驶员的控制，最终将实现用光纤液压传动系统代替电源。另外，光纤陀螺（FOG）计划、核辐射监控（NRM）计划、飞机发动机监控（AEM）计划、民用研究计划（CRP）使光纤传感器技术迅猛发展，在军事、民用、电力、监控、桥梁、医学生物检测等方面得到广泛应用。 3 光纤传感器的应用 光纤传感器的应用非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。在现代信息社会中，传感器技术迅猛发展，其中光纤传感器以其独特的优点应用非常广泛，包括工业、军事、医疗、通讯、过程控制以及恶劣环境下物理量的测量，如光纤传感器在石油领域中的应用、光纤传感器在军事领域的应用、光纤传感器在医学中的应用、光纤传感器在土木工程中的应用、光纤传感器在环境监控中的应用、光纤传感器在飞机上的应用、在电力系统上的应用、光纤传感器的发展动态与研究方面等。“中国2010年远景规划”已将传感器列为重点发展的产业之一，随着我国加入世界贸易组织，传感器的市场需求和发展空间的潜力是非常大的。可以预见，随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将在海洋、化工、水利电力等各个领域显示其应用活力。
电涡流传感器 原理图 1、什么是电涡流效应？ 电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。 注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。 传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。2、电涡流传感器的工作原理与结构
。 传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z 降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理 3、电涡流传感器的实际应用 电涡流传感器测量齿轮转速的应用
4、使用电涡流传感器时的注意事项 对被测体的要求 为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径3倍以上，当无法满足3倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。
学习情境（项目）5授课说明 学习领域名称：家电传感器应用授课教师：课程总学时： 72 项目5：节能灯与光电传感器学时数： 16 累计学时： 48 授课时间安排与执行记录 授课班级 智能家电授课地点 授课日期资讯7 10月6日1-4 节 家电产品控制 实训室 计划0.5 10月9日1-4 节 家电产品控制 实训室 决策0.5 家电产品控制 实训室 实施 6 家电产品控制 实训室 检查 1 家电产品控制 实训室 评估 1 家电产品控制 实训室 参考资料PPT、网络资源、节能灯控制电路 教学方法宏观：引导文法微观：见下 教学目标 知识目标： 1.光电式传感器的分类及工作原理 2.光电式传感器特性 3.红外热释电传感器的分类及工作原理 4.红外热释电传感器特性 5.菲尼尔透镜工作原理及作用技能目标： 6.测量电路构成； 7.光敏电阻在节能灯智能控制中的作用 8.红外热释电传感器实际应用中的安装 9.光敏与红外热释电在节能灯控制策略 中的实施 态度目标： 10.培养学生的沟通能力及团队协作精神 11.养成良好的职业道德 12.提高质量、成本、安全、环保意识 重点： 13.红外热释电传感器特性 1.测量电路 2.光敏电阻的选用与电路设计 3.光敏与红外热释电在节能灯控制策略中的实施 难点： 1.各类光电式传感器的工作原理 2.光电式传感器的特性 3.菲尼尔透镜工作原理及作用 资讯：7学时（注：1学时=45 min，下同） 教学提纲主要内容教学资源及工具教学方法参考时间备注 1．目标描述下发设计任务书，描述项目学 习目标 实物展示、PPT 设计任务书 讲授法 演示法 15 min 下发引导文 2．布置任务1）交代项目任务 2）发放相关学习资料 PPT 讲授法 演示法 15 min
紫外线强度测定仪 紫外线辐射照度计是测量波长范围为254nm紫外线辐射强度的仪表。使用专用的盲管紫外线传感器技术，不受阳光灯光等其它射线干扰、测量精度高、性能稳定。具有自动电池欠压指示及数据保持功能。整机设计紧凑，使用非常方便。适用于医院、卫生防疫部门、化工、电子、食品加工厂、娱乐场所等用于消毒的紫外线灯辐照强度的监测。与目前常用的紫外线辐射照度计相比，该仪表具有巨大的技术优势，是目前常用紫外线辐射照度计的升级换代产品。具体表现在： 盲管技术紫外线辐射照度计不受阳光灯光等其它射线干扰、测量精度高，专测254nm紫外辐射强度。目前大家常用的辐照仪开机后都不指示为零，而且指示值每次开机都变化不定，因为它受到了可见光和其它波长杂紫外光的干扰，不能真正反映灯管的实际辐照强度，为紫外灯消毒效果留下隐患。 平衡电路紫外线辐射照度计性能稳定，数据不漂移。目前大家常用的紫外线辐射照度计数据的重现性通常都不好，特别是随着使用时间增加，同样强度的光源，每年的读数都不同，这样给经销商带来大量的麻烦，同时用户业觉得疑惑和苦恼。 一、紫外线强度测定仪概述 数字式紫外辐射照度计是测量波长为253.7nm紫外线辐射强度的仪表。使用专用的盲管紫外线传感器技术，不受阳光、灯光等其它射线干扰、测量精度高、性能稳定。具有自动电池欠压指示及数据保持功能。整机设讲紧凑，使用非常方便。适用于医院、卫生防疫部门、化工、电子、食品加工厂、娱乐声所等紫外线灯辐照强度的监测。 本使用入说明书包括有关的安全信息和警告提示，请仔细阅读有关内容并严格遵守所有的警告和注意事项。
二、紫外线强度测定仪开箱检查 打开包装收出仪表，仔细检查下列附件是否缺少或损坏： TN-UV-254型数字式紫外辐射照度计一台 拉杆定位器一支 使用説明书一份 护目镜一付 校正仪一台 三、紫外线强度测定仪技术指示 显示方式：位液晶显示器显示，最大读数为1999 测量原理：双积分式A/D转换 采样速度：约3次/秒 存储环境：室温、干燥的环境中存放 工作紫外线强度测定仪环境：温度10～30℃温度30℃ ≤85% RH 电池欠压指示：LCD下方显示“+ -” 超量程指示：最高位显示“OL”或“I” 数据保持功能：LCD上方显示“H” 测量波长：254±10nm 测量角度：以垂直于传感器感应面的垂线为轴心，围绕轴心±10. 量程：0～2000μw/cm2, 0～20000μw/cm2、LCD下方显示“×10”分辨率：1μw/cm2
电涡流位移传感器的工作原理： 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机 械状态分析，振动研究、分析测 量中，对非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到 转子振动状态的多种参数。如轴 的径向振动、振幅以及轴向位置。 电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈， 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I 和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定围不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。
C7012-紫外型火焰探测器 此款火焰探测器属于整流形火焰探测器中的紫外线型的小观测管式。产品描述·C7012A、C、E、F固态紫外线型探测器，用于燃油、燃气、燃煤及其它燃料燃烧器的火焰监测上。·C7012A、E的封装满足NEMA4标准。·C7012C、F为防爆型，封装满足NEMA7、9标准。 产品描述 常用型号见下表 型号自检电压连接口径防爆环境温度 C7012A1145-120Vac50/60Hz3/4'--4~79 C7012A1152-120Vac50/60Hz1'--4~79 C7012A1160-120Vac50/60Hz1'--4~79 C7012A1186-208Vac50/60Hz3/4'--4~79 C7012A1194-240Vac50/60Hz3/4'--4~79 C7012C1042-120Vac50/60Hz1'防爆-4~79 C7012E1104自检120Vac50/60Hz3/4'--29~79 C7012E1112自检120Vac50/60Hz1'--29~79 C7012E1120自检120Vac50/60Hz1'--40~79 C7012E1146自检208Vac50/60Hz3/4'--29~79 C7012E1153自检240Vac50/60Hz3/4'--29~79 C7012E1161自检120Vac50/60Hz1'--29~79 C7012E1278自检120Vac50/60Hz1'--29~79 C7061A/F-紫外，自检型火焰检测器 此款火焰探测器属于整流形火焰探测器中的紫外线型的小观测管式。 产品描述 C7061A/F-紫外，自检型火焰检测器 ·C7061A/F固态紫外线型探测器，用于燃油、燃气、燃煤及其它燃料燃烧器的火焰监测上。·C7061A的封装满足NEMA4标准。 ·C7061F为防爆型，封装满足NEMA7、9标准。 常用型号有： C7061A1012使用环境温度-40~80℃，引线长1.8米 C7061A1038同C7061A1012，带插头 C7061F2001使用环境温度-40~70℃，防爆，自检电压：120Vac
2019年电涡流传感器原理指什么 篇一：电涡流传感器基本原理 电涡流传感器 原理图 1、什么是电涡流效应？ 电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。 传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。 2、电涡流传感器的工作原理与结构 。
传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理3、电涡流传感器的实际应用 电涡流传感器测量齿轮转速的应用 4、使用电涡流传感器时的注意事项 对被测体的要求 为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径3倍以上，当无法满足3倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。
光电传感器原理及应用 院系：电气与机械工程学院 班 级： 13级电气2班 姓 名： 李 刚 学号： 131050147 PINGDINGSHANUNIVERSITY
前言 随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，安全防护,而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。 光电传感器的原理 理论基础——光电效应 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、光电耦合器件等都属于内光电效应类传感器。 1.外光电效应 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应。 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,w 为逸出功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hv>w 。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称 为“红限”。相应的波长为 式中，c 为光速，w 为逸出功。 2.内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光电电动势的效应称为内光电效应。内光电效应可分为以下两类： （１）光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子—空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 （２）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 w hv -=2mv 21w hc K =λ
浙江工业职业技术学院
消除或削弱背景光及温度等因素的影响。 二、应用举例 1．光电比色温度计（光源本身是被测物） （1）问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与温度有关。（2）原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射程度 Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。 Iλ1/Iλ2=K1e-K2/T 由光路图及电路原理框图介绍其原理，注意参比信号。2．光电式烟尘浓度计（透射式） （1）问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量和节能 的要求，对烟尘的监测是必须的。 （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理，注意参比信 号，由于两个通道结构完全一样，所以在最后运算U1/U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。 3．光电式转速表（反射式） （1）问题的提出：由于机械式转速表和接触式电子转速 表精度不高，且影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速计可用于测量高转速而又不影响被测物； （2）通过光路及电路原理框图介绍其原理： a）选用光电二极管（响应时间短）用于高频调制信号测量；
b）数字量测量，不用参比信号。 4．光电式边缘位置检测器（遮挡式） （1）问题的提出：光电式边缘位置检测器是用来检测带 型材料在生产过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。 （2）通过光路及转换电路介绍其原理： a）光路一半遮挡一半透过； b）桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻； c）光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里限用于控制。 三、总结以上各例使学生建立光路系统与电路结合的概念，并能 举一反三、灵活应用。 小结： 1、光电式传感器的应用类型 2、应用举例
紫外线传感器的工作原理及应用 紫外线传感器的工作原理 紫外线传感器是利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号的传感器，它的工作模 式通常分为两类：光伏模式和光导模式。光伏模式是指不需要串联电池，串联电阻中 有电流，而传感器相当于一个小电池，输出电压，但是制作比较难，成本比较高；光 导模式是指需要串联一个电池工作，传感器相当于一个电阻，电阻值随光的强度变化 而变化，这种制作容易，成本较低。 紫外线传感器的发展历程 最早的紫外线传感器是基于单纯的硅，但是根据美国国家标准与技术研究院的研究，单纯的硅二极管也响应可见光，形成本来不需要的电信号，导致精度不高。 在十几年前，日本某公司生产出了GaN系的晶体，成为GaN系的开拓者，并由此开辟了GaN系的市场，也由此产生了GaN的紫外线传感器，其精度远远高于单晶 硅的精度，成为最常用的紫外线传感器材料。 后来，二六族ZnS材料也已被研发出来，也应用到了紫外线传感器领域。从研发的角度及性能测试上看，其精度比GaN系的传感器提高了近10^5倍。在一定程度上，ZnS系的紫外线传感器将与GaN系的平分秋色。 紫外线传感器的作用 1、在医疗领域中的作用 科学家发现波长在310nm左右的紫外线对皮肤有强烈的黑斑效应，能够加速皮肤的新陈代谢，提高皮肤的生长力，从而可以有效治疗白癜风、玫瑰糠疹、多形性 日光疹、慢性光化性皮炎、光线性痒疹等光照性皮肤病，因此在医疗行业，紫外光
疗目前得到了越来越多的应用。使用时，要对紫外线的强度进行很好的把控，这就需要使用紫外线传感器进行监测。 2.在火焰探测领域中的作用 紫外线火焰探测器是紫外火焰探测器的俗称。紫外火焰探测器是通过探测物质燃烧所产生的紫外线来探测火灾的，除了紫外火焰探测器之外，市场上还有红外火焰探测器，也就是术语是线型光束感烟火灾探测器。紫外火焰探测器适用于火灾发生时易发生明火的场所，对发生火灾时有强烈的火焰辐射或无阴燃阶段的场所均可采用紫外火焰探测器，火焰探测紫外线传感器需要传感器本身耐高温且灵敏度高。 3. 在电弧探测领域中的作用 高压设备由于绝缘缺陷会产生电弧放电，放电时会伴随有大量的光辐射，其中含有丰富的紫外光，通过检测电弧放电产生的紫外光辐射，可以判断高压电力设备的安全运行状况。紫外成像是一种有效的电弧放电检测方法，形象直观，并且具有良好的检测定位能力，但是紫外光的信号比较微弱，在检测上面还有一些难度。 4.纸钞识别 紫外线识别技术主要是利用紫外线传感器检测纸币的荧光印记防伪标志及纸币的哑光反应。此类识别技术能够识别大部分假币（如洗涤、漂白、粘贴等纸币）。它不仅在ATM机的存款识别时用到，还在点钞机、验钞机等金融机具上用到。一般情况下运用荧光及紫光对纸币进行全方位的反射、透射检测。根据纸币与其它纸张
光纤传感器的应用研 究
光纤传感器的应用研究 孙义才 2011301510103 电科三班 摘要：光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。该技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。本课题主要了解光纤导光的基本原理及其在传感技术上应用的物理基础，重点研究光纤传感器敏感的物理量、光纤传感器的基本类型及其相关应用。 关键词：传感器；光纤通信；禁带宽度；光纤传感温度计；光纤传感压强计。 1.序言 光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。传感技术是近几年热门的应用技术，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 现阶段，光纤传感领域在世界中的发展大致分为两大方面：应用开发与相关原理性研究。 2.1光纤传感器的结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、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源光纤引导至敏感元件。这时，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，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。 可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。
光电传感器 概况: 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。 磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光，是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。 比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。 磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。 正文 一、工作原理
到底什么是紫外线传感器 人的五管是功能非常复杂、灵敏的“传感器”。然而人的五官感觉大多只能对外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有许多物理量人的五官是感觉不到的，例如对视觉可以感知可见光部分，对于频域更加宽的非可见光谱则无法感觉得到，象红外线和紫外线光谱，人类却是“视而不见”。借助红外和紫外线传感器，便可感知到这些不可见光。 紫外线传感器 紫外线传感器又叫紫外光敏管（简称紫外管），是一种利用光电子发射效应的光电管。其特点是只响应300nm以下紫外辐射，具有高灵敏度、高输出、高响应速度等特性, 并且抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长、耗电少, 因而在目前的安全防护、自动化控制方面有比较广泛的使用价值。 随着电子计算机的广泛应用, 为计算机服务的各类传感技术受到越来越多的重视。紫外线传感器能检查到人感官觉察不到的紫外线, 又能避免日光、灯光和其它常见光源的干扰, 对火陷的发现和熄火保护、特殊场所的光电控制都是很有用的。 紫外线传感器的结构分类 目前国内外有使用价值的紫外管可以按阴极形状分为球形、丝形、平板形结构, 均为二极管的电极结构形式, 其外壳的形状和材料种类是为使用要求设计的, 从工作状态上看, 以电极形状分类进行分析较合适些。 1、丝状电极结构 这类管子的电极一般是由两根或多根对称的金属丝组成, 这是紫外管早期的一种结构形式, 多用纯度高的钨丝或铂丝, 距离较近的平行线是工作区。 由于紫外管完全靠电极表面的光电子发射效应, 然后利用气体倍增获得较强的信号，其光谱响应范围取决于阴极材料的逸出功。 在光电子发射过程中，光子的波长越短能量越高, 即使量很少也能激发电子克服逸出功飞
２００8年9月中国医学物理学杂志Sep ．,２００8 第２5卷第5期 ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．25．Ｎｏ．5 光纤传感器的基本原理及在医学上的应用 孙素梅1，陈洪耀2，3，尹国盛2（1.漯河医学高等专科学校，河南漯河462000；2.河南大学物理与电子学院，河南开封 475004；3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031） 摘要：目的：本文的目的简要介绍光纤传感器的基本原理和简单分类，重点阐述传光型光纤传感器在医学的压力、流速、ｐＨ值等五方面的应用。方法：光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传感器。结果：目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。光纤传感器主要优点：小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高。医疗上的图象传输是传输型光纤传感器应用中很有特色的一部分。只需将许多光纤组成光纤束，就可以做成能有效地使图象空间量子化的传感器。自从光导纤维引入到内窥镜以后，扩大了内窥镜的应用范围。光导纤维柔软、自由度大、传输图象失真小、直径细等优点使得各种内窥镜检查人体的各个部位几乎都是可行的，且操作中不会引起病人的痛苦与不适。其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。在进行激光血管成形术时，血管镜可提供很多重要的信息，用以引导激光辐射的方向，选择激光的能量和持续时间，并可了解在成形术后的治疗效果。光纤内窥镜不仅用于诊断，也正进入治疗领域中，例如用于做息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗癌症的有效途径，但微波加温治疗癌症技术的温度难以控制，而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗癌症的有效温度进行监测，从而使温度不致于过高杀死人体的正常细胞，也不会过低达不到治疗目的，使癌细胞进一步扩散。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和开发正日益兴起。结论：光纤传感器作为一种优势明显的新型传感器在医学领域得到应用，为治疗疾病提供了一种崭新的方法。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，不久的将来光纤传感器必将会进一步推动医学的飞速发展。 关键词：光纤传感器；测量；医学；应用中图分类号：Ｒ３１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：1005-202X （2008）05-0846-05 The Basic Principle and Applications on Medical of Fiber Optic Sensors ＳＵＮＳｕ－ｍｅｉ１，ＣＨＥＮＨｏｎｇ－ｙａｏ２，３，ＹＩＮＧｕｏ－ｓｈｅｎｇ２ （１．ＬｕｏｈｅＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｕｏｈｅＨｅ＇ｎａｎ４６２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅ＇ｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫａｉｆｅｎｇＨｅ＇ｎａｎ４７５００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＴｈｅＡｎ＇ｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Abstract:Objective:Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｐｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｏｎｍｅｄｉｃａｌｉｎｂｌｏｏｄｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｆｌｏｗ，ｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｅｔｃ．Method:Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｓｅｎｄｓｏｕｔｔｈｅｐｈｏｔｏｓｏｕｒｃｅｓｅｎｄｓｉｎａｆｔｅｒｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｉｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａ，ｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｗｉｔｈｅｎｔｅｒｓｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｒｅａｔｈｅｌｉｇｈｔｔｏａｆｆｅｃｔｍｕｔｕａｌｌｙ，ｃａｕｓｅｓｔｈｅｌｉｇｈｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｐｈａｓｅ，ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｃｃｕｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｏｔｈｅｓｉｇｎａｌｌｉｇｈｔｗｈｉｃｈｍｏｄｕｌａｔｅｓ，ａｇａｉｎｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｓｅｎｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒｏｂｔａｉｎｓｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｍａｙｄｉｖｉｄｅｉｎｔｏｔｗｏｋｉｎｄｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｓｅｎｓｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ：ｏｎｅｋｉｎｄｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ；ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Result:Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｍａｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅｄｉｃｉｎｅｉｓｔｈｅｌｉｇｈｔ－ｐａｓｓｉｎｇｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒａｒｅ：ｅｘｑｕｉｓｉｔｅ，ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｎｏｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｓh ｉｇｈ．Ｔｈｅｉｍａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｍｅｄｉｃａｌｉｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｐａｒｔｏｆ ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｏｄｅｓｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒ．Ｏｎｌｙｔｉｅａｐｌｅｎｔｙｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｔｏｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ，ｗｅｃｏｕｌｄｍａｋｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｃａｕｓｅｔｈｅｉｍａｇｅｓｐａｃｅ 收稿日期：2008-03-10 作者简介：孙素梅（1954-），女，漯河医学高等专科学校物理教研室 副教授。Tel ：0395-296452713939575106；E -mail ： sunsumei2007@https://www.doczj.com/doc/b31979958.html, 。 846--