1第三章 信號的獲取

1、*現(xiàn)代檢測技術(shù)第3章 檢測感知技術(shù)*第一部分：常用傳感器技術(shù)第一部分：常用傳感器技術(shù)3.13.1、傳感器的基本概念、傳感器的基本概念3.23.2、熱敏傳感器、熱敏傳感器3.33.3、光敏傳感器、光敏傳感器3.43.4、超聲波傳感器、超聲波傳感器3.53.5、SAWSAW傳感器傳感器3.63.6、氣敏傳感器、氣敏傳感器3.73.7、生物敏傳感器、生物敏傳感器3.83.8、智能傳感器、智能傳感器3.93.9、霍爾傳感器、霍爾傳感器*3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念一一. . 傳感器的作用和分類傳感器的作用和分類1 1、定義：、定義：傳感器是借助檢測元件將一種形式的信號轉(zhuǎn)換傳感器是借

2、助檢測元件將一種形式的信號轉(zhuǎn)換成另一種形式的信號的裝置。成另一種形式的信號的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把被測的物理量轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。義上講，傳感器是把被測的物理量轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。*2. 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念圖圖 1-1 傳感器組成框圖傳感器組成框圖轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn) 換元元 件件敏 感敏 感元元 件件輔 助輔 助元元 件件 輔助電源輔助電源被測量被測量*3 3、傳感器的分類、傳感器的分類分類方法分類方法傳感器種類傳感器種類說明說

3、明按輸入量分類按輸入量分類位移、壓力、溫度、流量、濕度、位移、壓力、溫度、流量、濕度、速度、氣體等傳感器速度、氣體等傳感器以以被測物理量被測物理量命名，包括機械量、熱工量、光命名，包括機械量、熱工量、光學(xué)量、化學(xué)量、物理參量等學(xué)量、化學(xué)量、物理參量等按工作原理分類按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電式等式、熱電式、光電式等以傳感器對信號以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理轉(zhuǎn)換的作用原理命名命名按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)在被測量作用下發(fā)生形變敏感元件的結(jié)構(gòu)在被測量作用下發(fā)生形變物性型傳感器物性型傳感器敏感元件的固有性質(zhì)在被

4、測量作用下發(fā)生變化，敏感元件的固有性質(zhì)在被測量作用下發(fā)生變化，包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物效應(yīng)等包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物效應(yīng)等按輸出信號分類按輸出信號分類模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器輸出分別為模擬量和數(shù)字量輸出分別為模擬量和數(shù)字量電參數(shù)型和電量型傳感器電參數(shù)型和電量型傳感器電參數(shù)型指中間參量為電阻、電容、電感、頻電參數(shù)型指中間參量為電阻、電容、電感、頻率等；率等；電量型指電量型指中間參量為電勢或電荷中間參量為電勢或電荷按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器（自源型）能量轉(zhuǎn)換型傳感器（自源型）傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為

5、輸出量的能量量能量控制型傳感器（外源型）能量控制型傳感器（外源型）傳感器輸出能量由外源供給，但受被測量的控傳感器輸出能量由外源供給，但受被測量的控制制*1）容量容量輸入信號工作范圍或量程；輸入信號工作范圍或量程；2）驅(qū)動驅(qū)動輸出的負(fù)載能力（包括數(shù)字輸出接口）、輸出的負(fù)載能力（包括數(shù)字輸出接口）、 電電氣、機械特性氣、機械特性 3）靜態(tài)特性指標(biāo)靜態(tài)特性指標(biāo)線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性等；復(fù)性、穩(wěn)定性等； 4）動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)等；固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)等；5）可靠性可靠性工作壽命、故障率、絕緣、耐壓、耐溫等；工作

6、壽命、故障率、絕緣、耐壓、耐溫等；6）對環(huán)境要求的指標(biāo)）對環(huán)境要求的指標(biāo)工作溫度范圍、抗潮濕、抗電磁工作溫度范圍、抗潮濕、抗電磁干擾、抗沖振要求等；干擾、抗沖振要求等；7）使用配電要求）使用配電要求供電方式、安裝方式、輸入輸出阻抗供電方式、安裝方式、輸入輸出阻抗等。等。4 4、常用技術(shù)性能指標(biāo)：、常用技術(shù)性能指標(biāo)：*二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)類型二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)類型3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念組成傳感器基本結(jié)構(gòu)的類型有三種：直接變換型、差動型和平衡型組成傳感器基本結(jié)構(gòu)的類型有三種：直接變換型、差動型和平衡型直接變換型結(jié)構(gòu)直接變換型結(jié)構(gòu)（幾個串聯(lián)環(huán)節(jié)組（幾個串聯(lián)環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系

7、統(tǒng)）成的開環(huán)系統(tǒng)） 差動型（并聯(lián)差動型（并聯(lián)系統(tǒng)）系統(tǒng)）平衡型（反饋系統(tǒng)）平衡型（反饋系統(tǒng)）312123SSSSSSyy12S -S02Syyx01231234S SS S1 SS S Syx*2）高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長（耐用性）高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長（耐用性）3）高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響（熱、振動、）高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響（熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力4）選擇性、安全性（傳感器應(yīng)是無污染的）選擇性、安全性（傳感器應(yīng)是無污染的） 、互換性、低、互換性、低成本成本5）寬測量范圍、小尺寸、重

8、量輕和高強度、寬工作溫度范圍）寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度范圍1）高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性（對噪聲不敏感）、容）高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性（對噪聲不敏感）、容易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡易）易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡易） 三、傳感器選用原則三、傳感器選用原則*四、四、 傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念（一）傳感器的集成化和多功能化趨勢（一）傳感器的集成化和多功能化趨勢 傳感器正隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展而以單個元件向傳感器正隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展而以單個元件向多個元件和多種電路集成在一個芯片上多個元件和多種電路集成在一個芯片上的方向發(fā)展，例

9、如集的方向發(fā)展，例如集成壓力傳感器，集成磁敏傳感器等。由于集成度的提高，出成壓力傳感器，集成磁敏傳感器等。由于集成度的提高，出現(xiàn)了具有多種參數(shù)檢測功能的傳感器，如多功能氣體檢測傳現(xiàn)了具有多種參數(shù)檢測功能的傳感器，如多功能氣體檢測傳感器，溫濕敏傳感器等等，這就是多功能化的發(fā)展趨向。如感器，溫濕敏傳感器等等，這就是多功能化的發(fā)展趨向。如機器手指感覺溫度、濕度、粗糙度等機器手指感覺溫度、濕度、粗糙度等.*（二）傳感器的智能化趨勢（二）傳感器的智能化趨勢智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，它將信號檢測、，它將信號檢測、信號處理和信號驅(qū)動等功能電路全部集成到一塊基片

10、上，并信號處理和信號驅(qū)動等功能電路全部集成到一塊基片上，并且使它具有診斷、自動調(diào)整量程、處理數(shù)據(jù)和信息遠(yuǎn)距離通且使它具有診斷、自動調(diào)整量程、處理數(shù)據(jù)和信息遠(yuǎn)距離通信等功能，這樣的智能化傳感器將成為傳感器發(fā)展的方向。信等功能，這樣的智能化傳感器將成為傳感器發(fā)展的方向。（三）傳感器的圖像化趨勢（三）傳感器的圖像化趨勢近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求傳感器不僅僅局限于對一個點近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求傳感器不僅僅局限于對一個點的物理量可進行測量，而是能夠的物理量可進行測量，而是能夠進行一維、二維以至三維進行一維、二維以至三維空間的測量，感受的是空間的測量，感受的是“象象”的信息。的信息。例如紅外遙感技術(shù)，例如

11、紅外遙感技術(shù)，它能敏感熱象圖。要求傳感器由單件向組合陣列發(fā)展。它能敏感熱象圖。要求傳感器由單件向組合陣列發(fā)展。*傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢3.1 3.1 傳感器的基本概念傳感器的基本概念新型片式汽車尾氣傳感器新型片式汽車尾氣傳感器* 熱敏傳感器是將熱量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，熱敏傳感器是將熱量變化轉(zhuǎn)換為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量。用于檢測溫度和熱量。 3.2 3.2 熱敏傳感器熱敏傳感器1 1、熱電阻、熱電阻 大多數(shù)大多數(shù)金屬熱電阻的阻值金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，其特性隨溫度升高而增大，其特性方程如下：方程如下：001tRRa TTRt 被測溫度被測溫度T時熱電阻的

12、電阻值；時熱電阻的電阻值；R0 基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)溫度T0時的電阻值；時的電阻值；a 熱電阻的電阻溫度系數(shù)（熱電阻的電阻溫度系數(shù)（1/）；）；T、T0絕對溫度，單位絕對溫度，單位K。1 1）熱電阻的類別、測溫范圍及熱電阻的類別、測溫范圍及允許誤差；允許誤差；2 2）熱響應(yīng)時間：達(dá)到階躍變化）熱響應(yīng)時間：達(dá)到階躍變化的的50%50%，所需要的時間稱為熱響，所需要的時間稱為熱響應(yīng)應(yīng) 時間時間。* 熱敏電阻是一種熱敏電阻是一種半導(dǎo)體半導(dǎo)體溫度傳感器，按溫度特性分為負(fù)溫溫度傳感器，按溫度特性分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（度系數(shù)熱敏電阻（NTCNTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTCPTC）和在

13、某）和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（臨界溫度電阻器（CTRCTR）。0011exptRRBTTRt 被測溫度被測溫度T時熱敏電阻值；時熱敏電阻值；R0 基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)溫度T0時的熱敏電阻值；時的熱敏電阻值；B 熱敏電阻的特征常數(shù)；熱敏電阻的特征常數(shù)；T、T0絕對溫度，單位絕對溫度，單位K K。2 2、熱敏電阻、熱敏電阻* NTC型熱敏電阻溫度特性型熱敏電阻溫度特性 NTC型熱敏電阻伏安特性型熱敏電阻伏安特性 熱敏電阻的特性及校正熱敏電阻的特性及校正 熱敏電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其非線性是十分嚴(yán)重的，為使熱敏電阻值隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律，其非線性

14、是十分嚴(yán)重的，為使測量系統(tǒng)的輸入輸出呈線性關(guān)系，可以采用測量系統(tǒng)的輸入輸出呈線性關(guān)系，可以采用: （1）串、并聯(lián)補償電阻串、并聯(lián)補償電阻， （2）利用電路中其他部件的非線性修正利用電路中其他部件的非線性修正 （3）計算機修正等方法計算機修正等方法。OIUabc*一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測溫范圍寬的熱敏傳感器。一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測溫范圍寬的熱敏傳感器。3 3、熱電偶、熱電偶熱電偶工作原理熱電偶工作原理 將兩種不同的導(dǎo)體兩端相接，將兩種不同的導(dǎo)體兩端相接，組成一個閉合回路，當(dāng)兩個接組成一個閉合回路，當(dāng)兩個接觸點具有不同溫度時，回路中觸點具有不同溫度時，回路中便產(chǎn)生電流，這種物理現(xiàn)象稱便產(chǎn)生電

15、流，這種物理現(xiàn)象稱為為塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)。當(dāng)溫度。當(dāng)溫度TT0TT0時，時，由導(dǎo)體、由導(dǎo)體、B B組成的熱電偶回路組成的熱電偶回路總熱電勢為：總熱電勢為： 00,ABABABET TETET 溫差電勢 （溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢），只有當(dāng)（溫差電勢遠(yuǎn)小于接觸電勢），只有當(dāng)A A、B B材料不同并材料不同并且熱電偶兩端溫度不同時，總熱電勢才不為零。且熱電偶兩端溫度不同時，總熱電勢才不為零。ABT0TT0測試端測試端參比端參比端* 熱電偶的基本定律：熱電偶的基本定律：106050403020-273-10500100015002000熱電動勢/mV鉑銠-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-鎳銅*均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體

16、定律 兩種兩種均質(zhì)導(dǎo)體均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶的熱電勢大小與電極組成的熱電偶的熱電勢大小與電極的直徑、長度及沿長度方向上的溫度分布無關(guān)，的直徑、長度及沿長度方向上的溫度分布無關(guān)，只與熱只與熱電極材料和溫差有關(guān)電極材料和溫差有關(guān)。如果材質(zhì)不均勻，當(dāng)熱電極上各處溫度不同時，如果材質(zhì)不均勻，當(dāng)熱電極上各處溫度不同時，將產(chǎn)生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，因此熱將產(chǎn)生附加熱電勢，造成無法估計的測量誤差，因此熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。*標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律 若導(dǎo)體若導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶，那么由組

17、成熱電偶，那么由導(dǎo)體導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢可以由標(biāo)準(zhǔn)電極定律來確組成的熱電偶的熱電勢可以由標(biāo)準(zhǔn)電極定律來確定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律指：如果將導(dǎo)體定。標(biāo)準(zhǔn)電極定律指：如果將導(dǎo)體C（熱電極，一般為純鉑（熱電極，一般為純鉑絲）作為標(biāo)準(zhǔn)電極（也稱參考電極），并且絲）作為標(biāo)準(zhǔn)電極（也稱參考電極），并且已知標(biāo)準(zhǔn)電極已知標(biāo)準(zhǔn)電極與任意導(dǎo)體配對時的熱電勢，與任意導(dǎo)體配對時的熱電勢，那么在相同結(jié)點溫度（那么在相同結(jié)點溫度（T，T0）下，任意兩導(dǎo)體）下，任意兩導(dǎo)體A、B組成的熱電偶的熱電勢為：組成的熱電偶的熱電勢為：000,ABACBCET TET TET T*中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在用熱電偶測量溫度時，必須

18、在熱電偶回路中接入在用熱電偶測量溫度時，必須在熱電偶回路中接入導(dǎo)線和儀表。中間導(dǎo)體定律表明：在熱電偶回路中，只導(dǎo)線和儀表。中間導(dǎo)體定律表明：在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，對熱電偶回路的總熱電勢沒要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，對熱電偶回路的總熱電勢沒有影響。因此可以有影響。因此可以用導(dǎo)線將電壓表接入熱電偶回路用導(dǎo)線將電壓表接入熱電偶回路。如。如下圖所示。下圖所示。 *中間溫度定律中間溫度定律 在熱電偶回路中，當(dāng)結(jié)點溫度為在熱電偶回路中，當(dāng)結(jié)點溫度為T，T0時，總熱時，總熱電勢等于該熱電偶在結(jié)點溫度為電勢等于該熱電偶在結(jié)點溫度為T，Tn和和Tn，T0時時相應(yīng)的熱電勢的代數(shù)和，即：相應(yīng)的熱電勢

19、的代數(shù)和，即： 00,ABABnABnET TET TET T* 例如，已知例如，已知 K型熱電偶分度表型熱電偶分度表E（38，0）=1.53mV ，此時參比端溫度，此時參比端溫度T1=38攝氏度，測得測攝氏度，測得測試端試端E（T，38）=29.9mV, 那么實際溫度那么實際溫度=？0110,29.91.5331.43ABABABET TET TET TmV再反查熱電偶分度表可得：再反查熱電偶分度表可得：755攝氏度攝氏度*3.3 3.3 光傳感器光傳感器一、光電效應(yīng)傳感器一、光電效應(yīng)傳感器 光電效應(yīng)傳感器是利用光敏材料在光照射下，產(chǎn)生光電效應(yīng)傳感器是利用光敏材料在光照射下，產(chǎn)生光電子逸光電

20、子逸出、電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢等現(xiàn)象出、電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢等現(xiàn)象制成的光敏器件。制成的光敏器件。 1 1、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 在光照作用下，物體內(nèi)部的在光照作用下，物體內(nèi)部的電子電子從物體表面逸出從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。外光電效應(yīng)，亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。212EmvAh h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.6266.62610-34Js10-34Js； m m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v v電子逸出速度；電子逸出速度；A A物體的逸出功。物體的逸出功。動能動能+ +逸出功逸出功；* 由上式可知：由上式可知： 光電子逸出光電子逸出物體表面的必要

21、條件是物體表面的必要條件是EA，如果入射光子，如果入射光子的能量小于陰極材料的表面逸出功，無論光強多大，都沒的能量小于陰極材料的表面逸出功，無論光強多大，都沒有光電子產(chǎn)生。在足夠外加電壓作用下，入射光頻率有光電子產(chǎn)生。在足夠外加電壓作用下，入射光頻率f不變不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。因為時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。因為光越強，光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。光越強，光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。 對于外光電效應(yīng)器件，只要光照射在器件陰極上，即使對于外光電效應(yīng)器件，只要光照射在器件陰極上，即使陽極電壓為零，也會產(chǎn)生光電流，陽極電壓為零，也會產(chǎn)生光

22、電流，因為光電子逸出時具有因為光電子逸出時具有初始動能。初始動能。為使光電流為零，必須在陽極上加上反向截止為使光電流為零，必須在陽極上加上反向截止電壓電壓，使外加電場對光電子所做的功等于光電子逸出時的，使外加電場對光電子所做的功等于光電子逸出時的動能。動能。*光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)：1電極，2半導(dǎo)體薄膜，3絕緣底座，4光敏電阻符號 光電導(dǎo)效應(yīng)指在光的照射下，光電導(dǎo)效應(yīng)指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。2 2、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng) 光敏電阻符號及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖所示。光敏電阻符號及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)在兩極間加上電壓時，就會有

23、電流流過。沒有光照時測得當(dāng)在兩極間加上電壓時，就會有電流流過。沒有光照時測得的電流為的電流為暗電流暗電流，有光照時電流增大，有光照時電流增大，增大的電流增大的電流稱為光電稱為光電流，光電流隨光強增大而增大。流，光電流隨光強增大而增大。1 12 23 34 4*3 3、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng) 在光照射下，在光照射下，PNPN結(jié)內(nèi)部結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，在自產(chǎn)生電子空穴對，在自建場作用下，光生電子被建場作用下，光生電子被拉向拉向N N區(qū)，光生空穴被拉向區(qū)，光生空穴被拉向P P區(qū)，從而產(chǎn)生區(qū)，從而產(chǎn)生光生電動勢光生電動勢。 利用光生伏特效應(yīng)工作利用光生伏特效應(yīng)工作的光敏器件主要包括的光敏器件主要

24、包括光敏光敏二極管、光敏三極管二極管、光敏三極管和光和光電池。電池。- - + - -+ + - + +PN光-* 能將能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為紅外傳感器。的裝置稱為紅外傳感器。二、紅外傳感器二、紅外傳感器 紅外熱釋電式紅外熱釋電式光敏器件是光敏器件是熱敏型熱敏型紅外傳感器中最常用紅外傳感器中最常用的器件。它的工作原理是熱釋電效應(yīng)。溫度升高導(dǎo)致極的器件。它的工作原理是熱釋電效應(yīng)。溫度升高導(dǎo)致極化強度降低，吸附電荷被釋放的過程，形成電流?；瘡姸冉档?，吸附電荷被釋放的過程，形成電流。熱釋電效應(yīng)示意圖 熱釋電系數(shù)的基本變化規(guī)律 +PPT 0紅外光等熱源黑化膜電極強電介質(zhì)

25、電極RIP自然極化P溫度TTC* 三、光柵傳感器三、光柵傳感器1 1、光柵的結(jié)構(gòu)、光柵的結(jié)構(gòu) 在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一般為般為1012mm1012mm）的密集刻劃，如圖所示，）的密集刻劃，如圖所示，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是條紋，這就是光柵光柵。 光柵上的刻線稱為柵線，柵線寬度光柵上的刻線稱為柵線，柵線寬度為為a a，縫隙寬度為，縫隙寬度為b b，一般取，一般取a a = = b b，W W（W W = = a a + + b b）稱為光柵的柵距（也稱）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)

26、光柵常數(shù)）。）。 abWabW* 光柵傳感器由光柵、光路、光電元件及轉(zhuǎn)換電路等組光柵傳感器由光柵、光路、光電元件及轉(zhuǎn)換電路等組成，利用光柵的成，利用光柵的莫爾條紋莫爾條紋現(xiàn)象進行測量，以黑白透射光柵現(xiàn)象進行測量，以黑白透射光柵說明它的工作原理。說明它的工作原理。2 2、光柵傳感器的工作原理、光柵傳感器的工作原理光光柵柵傳傳感感器器的的組組成成* 所謂莫爾條紋是指當(dāng)指示所謂莫爾條紋是指當(dāng)指示光柵與主光柵的柵線有一個微光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角小的夾角時，在時，在近似近似垂直于垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距W W大大得多的明暗相間的條紋，相鄰得多的明暗相間的條紋，相鄰的

27、兩條明條紋之間的距離（或的兩條明條紋之間的距離（或相鄰兩條暗條紋之間的距離）相鄰兩條暗條紋之間的距離）B B稱為稱為莫爾條紋間距莫爾條紋間距 。3 3、莫爾條紋、莫爾條紋*2sin2WWBB B相鄰兩條莫爾條紋之間的間距；相鄰兩條莫爾條紋之間的間距；W W光柵柵距；光柵柵距；兩光柵柵線夾角。兩光柵柵線夾角。 由于由于值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為橫向莫爾條紋。橫向莫爾條紋。 當(dāng)光柵之間的夾角當(dāng)光柵之間的夾角很小，且兩光柵的柵距都為很小，且兩光柵的柵距都為W W 時，時，莫爾條紋間距莫爾條紋間距B B為：為：* 重要特征：重要特征： 1、運動對應(yīng)

28、關(guān)系：沿垂直于光柵方向移動一個柵距，移、運動對應(yīng)關(guān)系：沿垂直于光柵方向移動一個柵距，移動一個條紋，反方向也做同樣的移動。動一個條紋，反方向也做同樣的移動。 2、位移放大系數(shù)：、位移放大系數(shù)：K= B / W = 1/ 所以，雖然所以，雖然W很小，然而很小，然而B遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于W。 3、減少誤差、減少誤差 因莫爾條紋的是由大量光柵形成的，所以光柵的刻度誤因莫爾條紋的是由大量光柵形成的，所以光柵的刻度誤差可以被平滑。差可以被平滑。 請查閱并分析光纖光柵傳感器論文* 通過前面的分析推知，主光柵每移動一個柵距通過前面的分析推知，主光柵每移動一個柵距W W，莫爾條，莫爾條紋就變化一個周期紋就變化一個周期

29、2 2，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的變化變成電信號，電壓的大小對應(yīng)于與莫爾條紋的亮度，的變化變成電信號，電壓的大小對應(yīng)于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加。它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加。4 4、光柵的信號輸出（辯向原理和細(xì)分電路）、光柵的信號輸出（辯向原理和細(xì)分電路）0sin360mxUUUWW W柵距；柵距；x x主光柵與指示光柵間瞬時位移；主光柵與指示光柵間瞬時位移；U U0 0直流電壓分量；直流電壓分量；U Um m交流電壓分量幅值；交流電壓分量幅值；U U輸出電壓。輸出電壓。 輸出電壓反映了

30、瞬時位移的大小，當(dāng)輸出電壓反映了瞬時位移的大小，當(dāng)x x在（在（0 0，W W ）時，相當(dāng)于電角度變化了時，相當(dāng)于電角度變化了360360. .如采用如采用5050線線/mm/mm的光柵時，若主光的光柵時，若主光柵移動了柵移動了x x mm mm，即，即5050 x x條。將此條數(shù)用計條。將此條數(shù)用計數(shù)器記錄，就可以知道移動的相對距離數(shù)器記錄，就可以知道移動的相對距離。*辯向電路原理框圖辯向電路原理框圖兩個光電傳感器，兩個光電傳感器，相隔相隔 B/4B/4，相位差，相位差9090度度放大整形微分Y1觸發(fā)器可逆計數(shù)器放大整形反相微分Y21延時u1u2u1u2u1u1Wu1W12Q-+HQ*光柵移

31、動時辯向電路各點波形：光柵移動時辯向電路各點波形：主光柵向左移動主光柵向左移動主光柵向右移動主光柵向右移動u1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu 2u 1u 1u 1 Wu 1 WY1Y2Hu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu 2u 1u 1u 1 Wu 1 WY1Y2H* 光纖傳感器是一類較新的光敏器件，由于具有極高的靈敏光纖傳感器是一類較新的光敏器件，由于具有極高的靈敏度和精度，以及抗電磁干擾和原子輻射、高絕緣、耐水、耐度和精度，以及抗電磁干擾和原子輻射、高絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕和質(zhì)輕、柔韌、頻帶寬等優(yōu)點。高溫、耐腐蝕和質(zhì)輕、柔韌、頻帶寬等優(yōu)點。四、光纖傳感器

32、四、光纖傳感器光纖結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖結(jié)構(gòu)和傳光原理12nn* 光纖全反射工作原理光纖全反射工作原理 入射光線在光纖入口處發(fā)生折射，如果入射角為入射光線在光纖入口處發(fā)生折射，如果入射角為 ，折射角為折射角為 ，空氣的折射率為，空氣的折射率為 ，根據(jù)折射定律：，根據(jù)折射定律：當(dāng)光線到達(dá)纖芯當(dāng)光線到達(dá)纖芯-包層界面時，發(fā)生第二次折射，包層界面時，發(fā)生第二次折射，一部分光以折射角一部分光以折射角 進入包層，另一部分以反射角進入包層，另一部分以反射角 反射回纖芯，則有：反射回纖芯，則有：如果如果 ，即，即發(fā)生全反射發(fā)生全反射，則有，則有 ，故改寫，故改寫上式為：上式為： 入射角小于入射角小于 ，全反射傳

33、輸，全反射傳輸， 為接收角和，其之為接收角和，其之外的均被包層吸收，纖芯和包層的折射率確定。上式即外的均被包層吸收，纖芯和包層的折射率確定。上式即為為光線數(shù)值孔徑光線數(shù)值孔徑NA，反映了光纖集光能力。，反映了光纖集光能力。01sinsinirnn122sinsincrnn290r21sincnnc(90)Crir01.0n i2i個2r022201112sinsin(90)1 siniccnnnnn* 功能型功能型（或稱傳感型、探測型），以光纖中波導(dǎo)光的屬性如（或稱傳感型、探測型），以光纖中波導(dǎo)光的屬性如光強、光強、相位、偏振態(tài)、波長相位、偏振態(tài)、波長被調(diào)制的特點而構(gòu)成；常使用單模光纖；被調(diào)制

34、的特點而構(gòu)成；常使用單模光纖； 非功能型非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型）, ,利用其它敏感元件感受被測量利用其它敏感元件感受被測量, ,光纖光纖僅作為傳輸介質(zhì)僅作為傳輸介質(zhì), ,多使用多模光纖；多使用多模光纖； 1 1、按照光纖在傳感器中的作用、按照光纖在傳感器中的作用，分為兩種類型：，分為兩種類型：光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理2 2、光纖按照折射變化情況、光纖按照折射變化情況階躍型階躍型：纖芯與包層之間的折射率是突變的；：纖芯與包層之間的折射率是突變的；漸變型漸變型：纖芯在橫截面中心處折射率最大，并由中心向：纖芯在橫截面中心處折射率最大，并由中心向外逐漸變小，

35、到纖芯邊界時減小為包層折射率。這類光纖有自聚焦外逐漸變小，到纖芯邊界時減小為包層折射率。這類光纖有自聚焦作用，也稱自聚焦光纖。作用，也稱自聚焦光纖。*3 3、光纖按照傳輸模式光纖按照傳輸模式單模光纖：單模光纖：纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式單一。纖芯直徑很小，接受角小，傳輸模式單一。 但光傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，但光傳輸性能好，頻帶寬，具有很好的線性和靈敏度，制造相對困難。制造相對困難。多模光纖：多模光纖：纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但纖芯尺寸較大，傳輸模式多，容易制造，但 性能較差，帶寬較窄。性能較差，帶寬較窄。 * * 在多模階躍折射率光纖中，滿足全反射、在多

36、模階躍折射率光纖中，滿足全反射、 但入射角不同的光線但入射角不同的光線的傳輸路徑是不同的，結(jié)果使不同的光線所攜帶的能量到達(dá)終端的傳輸路徑是不同的，結(jié)果使不同的光線所攜帶的能量到達(dá)終端的時間不同。的時間不同。*光強調(diào)制型光纖傳感器光強調(diào)制型光纖傳感器 光強調(diào)制型光纖傳感器是光強調(diào)制型光纖傳感器是基于光纖彎曲時會產(chǎn)生光能基于光纖彎曲時會產(chǎn)生光能損耗原理損耗原理在制成的，主要用于微彎曲位移檢測和壓力檢測。在制成的，主要用于微彎曲位移檢測和壓力檢測。當(dāng)光線在光纖的直線段傳播時，一般以全反射方式傳播；當(dāng)光線在光纖的直線段傳播時，一般以全反射方式傳播；當(dāng)光線到達(dá)微彎曲段界面時，入射角將小于臨界角，有一當(dāng)光

37、線到達(dá)微彎曲段界面時，入射角將小于臨界角，有一部分光透射進入包層，導(dǎo)致光能的損耗。部分光透射進入包層，導(dǎo)致光能的損耗。光纖中光強變化光纖中光強變化反映了光纖的彎曲程度反映了光纖的彎曲程度，對輸出光強進行檢測可以得到導(dǎo)，對輸出光強進行檢測可以得到導(dǎo)致光纖形變的位移或壓力信號大小。致光纖形變的位移或壓力信號大小。 測量對象光纖光源光電元件p功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器*相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器12 n L 當(dāng)一束波長為當(dāng)一束波長為的相干光在光纖中傳播時，光波的相干光在光纖中傳播時，光波的的相位角與光纖的長度相位角與光纖的長度L L、纖芯折射率、纖芯折射率n n1 1及纖芯直徑及

38、纖芯直徑d d有關(guān)有關(guān)。光纖受到物理量的作用時，這三個參數(shù)會發(fā)生。光纖受到物理量的作用時，這三個參數(shù)會發(fā)生不同程度的變化，從而不同程度的變化，從而引起光相移引起光相移。由于光纖直徑引。由于光纖直徑引起的變化相對于另外兩個參數(shù)要小的多，一般可以忽起的變化相對于另外兩個參數(shù)要小的多，一般可以忽略。在略。在一段長度為一段長度為L L的單模光纖（纖芯折射率的單模光纖（纖芯折射率n n1 1）中，中，波長為波長為的輸出光相對于輸入端來說，相角為：的輸出光相對于輸入端來說，相角為： 可以對光相角變化測試，實現(xiàn)對被測環(huán)境變化量測試*111122LLnLL nnn 當(dāng)光纖受到物理量作用時，相位角變化量為：當(dāng)光

39、纖受到物理量作用時，相位角變化量為： 由于光頻率較高，光電探測器不能檢測相位變化，由于光頻率較高，光電探測器不能檢測相位變化，需要用光學(xué)干涉將其轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制需要用光學(xué)干涉將其轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制，Mach-ZehaderMach-Zehader*偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 如果光在傳播過程中，只存在某一確定方向的振動，如果光在傳播過程中，只存在某一確定方向的振動， 這種光稱為線偏振光或完全偏振光，簡稱這種光稱為線偏振光或完全偏振光，簡稱偏振光。偏振光。 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器是偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器是利用法拉第旋光效應(yīng)利用法拉第旋光效應(yīng)工工作的。根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由作的。根據(jù)法

40、拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會電流所形成的磁場會引起光纖中平面偏振光的偏轉(zhuǎn)引起光纖中平面偏振光的偏轉(zhuǎn)，是磁場引起相位改變，是磁場引起相位改變的結(jié)果。通過檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可以計算相應(yīng)的的結(jié)果。通過檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可以計算相應(yīng)的電流值。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器常用于輸電線電流電流值。偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器常用于輸電線電流的測量。的測量。偏轉(zhuǎn)角測試電流測試*p非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器測量對象光纖敏感元件光源光電元件測量對象光纖敏感元件光源光電元件 非功能型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它是非功能型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它是在在光纖的端面或在光纖回路中放置機械式或光學(xué)式的

41、敏感光纖的端面或在光纖回路中放置機械式或光學(xué)式的敏感元件來感受被測量的變化元件來感受被測量的變化，從而使投射光或反射光強度，從而使投射光或反射光強度隨之發(fā)生變化，隨之發(fā)生變化，光纖只是作為傳輸光信息的通道光纖只是作為傳輸光信息的通道，對被，對被測對象的測對象的“感知感知”功能由其他敏感元件來完成。功能由其他敏感元件來完成。 光纖位移傳感器光纖位移傳感器*傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器 非功能型光纖傳感器又分為非功能型光纖傳感器又分為傳輸光強調(diào)制型和反射光強傳輸光強調(diào)制型和反射光強調(diào)制型調(diào)制型。 傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器的輸入光纖與輸出光纖傳輸光強調(diào)制型光纖傳感器的輸入光纖與輸

42、出光纖之間設(shè)置之間設(shè)置有機械式或光學(xué)式敏感元件。敏感元件在物有機械式或光學(xué)式敏感元件。敏感元件在物理量作用下，對傳輸光的光強進行調(diào)制，如吸收光能、理量作用下，對傳輸光的光強進行調(diào)制，如吸收光能、遮斷光路或改變光纖之間的相對位置等。遮斷光路或改變光纖之間的相對位置等。 反射光強調(diào)制型與傳輸光強調(diào)制型的原理類似，只反射光強調(diào)制型與傳輸光強調(diào)制型的原理類似，只是在結(jié)構(gòu)上有稍許差別。是在結(jié)構(gòu)上有稍許差別。光線是經(jīng)過物體或光敏元件反光線是經(jīng)過物體或光敏元件反射后進入接收光纖的射后進入接收光纖的。反射光強調(diào)制型光纖傳感器反射光強調(diào)制型光纖傳感器*光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器 光纖光柵（光纖光柵（FBGFB

43、G）即光纖折射率的空間分布呈現(xiàn)周期性）即光纖折射率的空間分布呈現(xiàn)周期性分布。光柵的波長選擇性，使得滿足條件的反射，其余透分布。光柵的波長選擇性，使得滿足條件的反射，其余透射，反射光通過耦合器或環(huán)行器送入解調(diào)器。射，反射光通過耦合器或環(huán)行器送入解調(diào)器。 基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為其外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為其布喇格布喇格（BraggBragg）波長）波長的變化，解調(diào)檢測出中心波長的移動量。的變化，解調(diào)檢測出中心波長的移動量。(1)BBT* 在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起

44、著傳輸光的作在頻率調(diào)制型光纖傳感器中，光纖只起著傳輸光的作用，它的工作原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目用，它的工作原理是光學(xué)多普勒效應(yīng)，即由于觀察者和目標(biāo)的相對運動，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采標(biāo)的相對運動，觀察者接收到的光波頻率將發(fā)生變化。采用用光學(xué)多普勒測量系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)在非接觸條件下光學(xué)多普勒測量系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)在非接觸條件下對液體流速流量的測量，如血液流量測量對液體流速流量的測量，如血液流量測量。光學(xué)多普勒效應(yīng)傳感器光學(xué)多普勒效應(yīng)傳感器21coscosDvfff 光源光源觀測者觀測者被測量移被測量移動速度動速度v被測量被測量21180請查閱光學(xué)多普勒測量論文*

45、超聲波傳感器是利用超超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動感器。超聲波是一種振動頻率高于人耳聽覺范圍的頻率高于人耳聽覺范圍的機械波，它具有頻率高、機械波，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是別是方向性好方向性好、能夠成為能夠成為射束而定向傳播射束而定向傳播等特點。等特點。 3.4 3.4 聲波傳感器聲波傳感器壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 金屬殼吸收塊保護膜導(dǎo)電螺桿接線片壓電晶片一、超聲波傳感器一、超聲波傳感器* 工作頻率工作頻率: :工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和

46、晶片的加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 工作溫度工作溫度: :由于由于壓電材料的居里點壓電材料的居里點（溫度超過居里（溫度超過居里 點，壓電材料的壓電特性將消失）點，壓電材料的壓電特性將消失）一般比較高一般比較高，而診，而診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。以長時間地工作而不失效。 靈敏度靈敏度: :主要取決于制造晶片本身。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)大，靈敏度高大，靈敏度高；反之，靈敏度低。；反之，

47、靈敏度低。 1 1、超聲波傳感器的性能指標(biāo)、超聲波傳感器的性能指標(biāo)* 脈沖回波法測厚工作原理脈沖回波法測厚工作原理 dvt/2 聲衰減較大時，不適用聲衰減較大時，不適用2 2、超聲波傳感器的應(yīng)用、超聲波傳感器的應(yīng)用發(fā)射電路主控制器掃描電路標(biāo)記發(fā)生器示波器接收放大器換能器試件* 超聲波無損探傷超聲波無損探傷 TB1FB4B3B2T無缺陷波形有缺陷波形高頻發(fā)生器放大器顯示發(fā)射探頭接收探頭工件穿透法探傷原理穿透法探傷原理反射法探傷原理反射法探傷原理* 超聲波物位傳感器具有測超聲波物位傳感器具有測量精度高、安裝方便、不受量精度高、安裝方便、不受被測介質(zhì)影響、耐高溫、安被測介質(zhì)影響、耐高溫、安全防爆等優(yōu)

48、點，在物位儀表全防爆等優(yōu)點，在物位儀表中使用廣泛。中使用廣泛。 超聲波測物位超聲波測物位 超聲波流量計安裝超聲波流量計安裝 超超聲聲波波測測流流量量 逆流時間逆流時間減去順流減去順流時間時間* 聲表面波簡稱聲表面波簡稱SAWSAW（Surface Acoustic WaveSurface Acoustic Wave），是英國），是英國物理學(xué)家瑞利（物理學(xué)家瑞利（RayleighRayleigh）于）于1919世紀(jì)末期在研究地震波的世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。過程中發(fā)現(xiàn)的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡ā?聲表面波聲表面波SAWSAW的傳播易受溫度壓力，加速度，電壓等

49、影響的傳播易受溫度壓力，加速度，電壓等影響。SAWSAW傳感傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為信號頻率測量。器將被測量轉(zhuǎn)換為信號頻率測量。二、二、 SAW SAW 傳感器傳感器 高精度，高靈敏度。高精度，高靈敏度。頻率測量精度頻率測量精度 數(shù)字化。數(shù)字化?？垢蓴_，易傳輸抗干擾，易傳輸 易易批量生產(chǎn)。批量生產(chǎn)。 基片，淀積薄膜，光刻基片，淀積薄膜，光刻 體積小、質(zhì)量輕、功耗低。體積小、質(zhì)量輕、功耗低?？色@得良好熱性能和機械性能。可獲得良好熱性能和機械性能。 1 1、SAWSAW傳感器的特點傳感器的特點* 叉指換能器（叉指換能器（interdigital transducer IDTIDT）是用蒸發(fā)或濺是用蒸發(fā)

50、或濺射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。形成的叉指狀薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。 當(dāng)電壓加到叉指電極上時，在電極之間建立了周期性當(dāng)電壓加到叉指電極上時，在電極之間建立了周期性空間電場，由于壓電效空間電場，由于壓電效 應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個相應(yīng)的彈性應(yīng)，在表面產(chǎn)生一個相應(yīng)的彈性形變。形變。由于電場集中在自由表面，所以產(chǎn)生的聲表面波很由于電場集中在自由表面，所以產(chǎn)生的聲表面波很強烈。由強烈。由IDTIDT激勵的聲表面波沿基片表面?zhèn)鞑?。?dāng)基片或激勵的聲表面波沿基片表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)基片或基片

51、上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測量調(diào)制時，聲表面波基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測量調(diào)制時，聲表面波的頻率將改變，并由接收叉指電極測得。的頻率將改變，并由接收叉指電極測得。SAWSAW的換能器的換能器* SAW SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。瑞利波質(zhì)點的運是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。瑞利波質(zhì)點的運動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于與動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于與傳播方向的傳播方向的縱振動縱振動和垂直于表面及傳播方向的和垂直于表面及傳播方向的橫振動橫振動合成合成的，兩者的相位差為的，兩者的相位差為9090度。瑞利波的能量只度。瑞利波的能量只集中在一個波集

52、中在一個波長深的表面層內(nèi)長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAWSAW瑞利波瑞利波敏感基片敏感基片 敏感基片由壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、敏感基片由壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機械量擾動作用時，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過化學(xué)或機械量擾動作用時，其振蕩頻率會發(fā)生變化。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成頻率量。2 2、SAWSAW傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理* SAW SAW諧振諧振器結(jié)器結(jié)構(gòu)構(gòu) SA

53、WSAW延遲延遲線結(jié)線結(jié)構(gòu)構(gòu) 2 2、SAWSAW傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理壓電基片兩換能器間距發(fā)射IDT接收IDTA延遲線型延遲線型SAWSAW振蕩器振蕩器 諧振器型諧振器型SAWSAW振蕩器振蕩器 SAWSAW傳感器的核心是傳感器的核心是SAWSAW振蕩器振蕩器，有諧振器型（，有諧振器型（R R型）型）和延遲線型（和延遲線型（DLDL型）兩種。型）兩種。 *3.6 3.6 氣敏傳感器氣敏傳感器1 1、表面電阻控制性氣敏傳感器、表面電阻控制性氣敏傳感器R/k100505氧化性氣體吸附還原性氣體吸附加熱穩(wěn)定10s2min4min大氣中氣體吸附tN型氧化物半導(dǎo)體吸附氣體后阻值變

54、化型氧化物半導(dǎo)體吸附氣體后阻值變化 半導(dǎo)體表面態(tài)理論：半導(dǎo)體表面態(tài)理論：N N型氧化物半導(dǎo)體吸附氣體型氧化物半導(dǎo)體吸附氣體后阻值的變化，依據(jù)氣體后阻值的變化，依據(jù)氣體吸附后從半導(dǎo)體表面奪取吸附后從半導(dǎo)體表面奪取電子或是給予電子，形成電子或是給予電子，形成負(fù)離子吸附或正離子吸附，負(fù)離子吸附或正離子吸附，導(dǎo)致表面電阻增加或減少。導(dǎo)致表面電阻增加或減少。還原性氣體還原性氣體H2H2，COCO等屬后等屬后者，者，O2,NOO2,NO屬前者屬前者。 *空氣CH4i-C4H10H2C2H5OH100010050氣體濃度/%Vol電阻/k200500C3H80.050.10.20.51.0 氣敏元件對不同氣

55、體的響應(yīng)特性氣敏元件對不同氣體的響應(yīng)特性 材料的體電阻隨某種氣體濃材料的體電阻隨某種氣體濃度變化。度變化。 是一種是一種N N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，高溫下吸附還原性氣體，導(dǎo)致高溫下吸附還原性氣體，導(dǎo)致3 3價鐵還原為價鐵還原為2 2價鐵，電阻率降價鐵，電阻率降低。低。 對丙烷，異丁烷的靈敏度對丙烷，異丁烷的靈敏度高，液化石油氣主要成分。高，液化石油氣主要成分。2 2、體電阻控制性氣敏傳感器、體電阻控制性氣敏傳感器23Fe O23Fe O23Fe O* 生物敏傳感器由生物敏傳感器由分子識別元件（敏感基元分子識別元件（敏感基元）和與之結(jié)）和與之結(jié)合的信號轉(zhuǎn)換器件（換能器）兩部分組成。合的信號轉(zhuǎn)換器件

56、（換能器）兩部分組成。 敏感基元敏感基元的主要功能是特異的識別各種被測物并與之的主要功能是特異的識別各種被測物并與之反應(yīng)。反應(yīng)。換能器換能器捕捉識別元件與目標(biāo)的作用過程并物理表捕捉識別元件與目標(biāo)的作用過程并物理表達(dá)。達(dá)。常用的換能器有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管常用的換能器有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管（ISFETISFET）、熱敏電阻及微光管等。）、熱敏電阻及微光管等。3.7 3.7 生物敏傳感器生物敏傳感器1 1、生物敏傳感器的組成、生物敏傳感器的組成 將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?、將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴⒒瘜W(xué)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?、將熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?、將光效?yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?、直接產(chǎn)生電信號方式將

57、光效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?、直接產(chǎn)生電信號方式 2 2、生物敏傳感器的工作方式、生物敏傳感器的工作方式* 場效應(yīng)晶體管生場效應(yīng)晶體管生物敏傳感器由分子物敏傳感器由分子識別部分（感受器）識別部分（感受器）和信號轉(zhuǎn)換部分和信號轉(zhuǎn)換部分（換能器，（換能器，F(xiàn)ETFET）兩）兩部分構(gòu)成。部分構(gòu)成。 FETFET的柵極換成對的柵極換成對離子有選擇性相應(yīng)離子有選擇性相應(yīng)敏感膜。敏感膜。 待測物質(zhì)酶微生物線粒體抗體或抗原電信號輸出信號轉(zhuǎn)換部分（換能器）分子識別部分（感受器）生物傳感器的組成生物傳感器的組成 3 3、場效應(yīng)晶體管（、場效應(yīng)晶體管（FETFET）生物敏傳感器）生物敏傳感器3.8 3.8 霍爾傳感器霍爾傳

58、感器 基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換元件是霍爾元基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換元件是霍爾元件。件?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果作用的結(jié)果 。 電場作用力電場作用力 與洛倫茲力與洛倫茲力 相等時，電子積累達(dá)相等時，電子積累達(dá)到動態(tài)平衡。這時在元件到動態(tài)平衡。這時在元件c 、d 兩端之間建立的電場兩端之間建立的電場稱稱為霍爾電場為霍爾電場，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢 ，EFLFHVsinsinHHIBVk IBnedKH為霍爾常數(shù)；a為電流與磁場的夾角*被測量傳感器預(yù)處理及輸入接口微處理器輸出接口執(zhí)行機構(gòu)

59、或顯示記錄3.9 3.9 智能傳感器智能傳感器1 1、智能傳感器（、智能傳感器（ Smart sensor Smart sensor ）的結(jié)構(gòu)和功能）的結(jié)構(gòu)和功能1 1）自補償）自補償 、自校準(zhǔn)、自診斷功能、自校準(zhǔn)、自診斷功能2 2）數(shù)據(jù)處理功能）數(shù)據(jù)處理功能3 3）信息存儲、通信功能）信息存儲、通信功能4 4）以接口總線數(shù)字輸出）以接口總線數(shù)字輸出5 5）可陣列組合）可陣列組合2 2、智能傳感器的特點、智能傳感器的特點*第二部分：典型運動量的檢測第二部分：典型運動量的檢測3.103.10、位移檢測技術(shù)、位移檢測技術(shù)3.113.11、速度檢測技術(shù)、速度檢測技術(shù)3.123.12、加速度檢測技術(shù)、

60、加速度檢測技術(shù)3.133.13、慣性測量技術(shù)、慣性測量技術(shù)3.143.14、基于雷達(dá)技術(shù)的測量、基于雷達(dá)技術(shù)的測量*位移測量是工業(yè)生產(chǎn)中一項主要的測量手段位移測量是工業(yè)生產(chǎn)中一項主要的測量手段位位移移定定標(biāo)標(biāo)器器位移傳感器位移傳感器3.10 3.10 位移檢測技術(shù)位移檢測技術(shù)常用檢測方法：常用檢測方法：(1)(1)積分法積分法(2)(2)相關(guān)測距法相關(guān)測距法(3)(3)回波法回波法 (4)(4)線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 (5)(5)位移傳感器法位移傳感器法位移檢測包括：位移檢測包括：線位移檢測、角線位移檢測、角位移檢測位移檢測* 利用利用電磁耦合原理電磁耦合原理，將位移或角