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传感器技术与原理回顾 传感器技术已经广泛的应用于军事武器系统的改进与民用工业生产中，并在多 个领域取得了不同程度的成功。通常用于测量系统中的传感器技术工作原理各有 不同，相应的优点与缺点也非常明显，因此，不同传感器技术应用领域并不相同。 像压电传感技术主要应用于震动波探测方面，而声波与超声波传感技术应用于军 事等特殊环境的测距领域，光电传感技术与红外传感技术作为新兴技术，则广泛 应用于高端探测技术领域[1-4]。根据传感器应用领域不同，常见传感器技术大概 分为三类，用于测量位移的传感器技术，如电位传感器，光学编码器，电感式传 感器，线性差动变压器(LVDT)，电容传感器等；用于测量应力与压力的传感器技 术，如应变器，膜片传感器；用于测量温度的传感器技术，如热电偶，电阻温度 计，热敏电阻等。根据传感器转换功能的不同，可以分为输入传感器与输出传感 器，如图1.1 图 1.1 传感器功能分类 通常情况下，输入传感器需要将被测量也称为影响量的测量物理信号转换为相 应的可处理信号，如电流，电压，频率或相位等电信号，并且通过信号调节电路 对转换后的信号做相应处理，经过传送电路或信道将处理后的信号传送到控制单 元。然后通过控制单元或电脑进行计算和分析，并将控制信号转换后由输出传感 器或执行部件反馈[25,26]。基于传感器技术的测量系统框图如图1.2所示。 图 1.2 基于传感器技术的测量系统计及 ECT 技术研究 1 光电传感器技术 光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转 换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感 器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图1.3所示。光电检测方法具 有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式 灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。 图 1.3 光电传感器框图 按光源的发光分类：X光灯、紫外线光灯、可见光灯（即照明灯）、红外光灯 等等；按光的性质分类：激光光源（平等光源）、普通光源（发散光源）。光在 光学通路中利用光的反射与折射原理进行传播，即Snell–Descartes定律： sin θ 1= n2sinθ2 其中，n与 n2分别表示光线在传播过程中穿过的不同传播介质的折射率，如 水与玻璃；θ1与θ2分别表示光线传播过程中穿过不同传播介质时的入射角与折射 角。 光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电 元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性， 认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为： E=h ν式中，υ为光波频率；h为普朗克常数6.63×10^-34 J/Hz。由此可见，对不同频 率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一 物体，可以看做是一连串能量为hυ的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传 递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光 子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应， 我们把这种物理现象称为光电效应。 光的传播也是光电传感器中需要考虑到的重要因素，光电传感器工作原理为光 的折射与反射原理，即斯涅尔定律，当光由第一媒质（折射率n1）射入第二媒质（折射率n2）时，在平滑界面上，部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。适用 于均匀的各向同性的媒质2．脉冲式光电传感器 在这种传感器中，光电元件接收的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开 关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用 于光电计数和光电式转速测量等场合。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配 备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件的电性能的变化转 换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，需要不同的测量电路。 光电传感器典型应用与测量原理 光电传感器尤其是红外光传感器，较常见于气雾检测以及安全监控系统中。通 常光电传感器测量的基本原理是光的传播原理以及不同形式的光电效应。应用于 气雾监测系统的红外光传感器由光源，光检测装置与光组件（包括两个汇聚镜头 与光导通路）构成，其利用的就是光线在传播介质内部的全反射原理，如图1.5所 示。 (a)系统检测表面干燥状态 (b)系统检测表面存在气雾水膜状态 图 1.5 光电传感器在气雾检测系统中的工作原理 光束通过光汇聚装置与光学通路在检测介质内部由光源以固定角度发射，并在 介质内部传播，通过固定位置的光检测装置，获取传播的光信号能量。相同的工 作原理也大量的应用于光纤通信技术中[5]。当传播介质表面干