其他種類傳感器

其他種類傳感器1第一頁，共八十八頁，2022年，8月28日光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)。①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量第一節(jié)光纖傳感器2第二頁，共八十八頁，2022年，8月28日一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此,采用幾何光學(xué)的方法來分析。

1、斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

n1sinθi=n2sinθr

3第三頁，共八十八頁，2022年，8月28日當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：θi0——臨界角θi0=arcsin(n2/n1)

sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意圖n1n2θrθi(b)臨界狀態(tài)示意圖

當(dāng)θr=90o時(shí)，θi仍＜90o，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有4第四頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、光纖結(jié)構(gòu)分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些．兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。

2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)5第五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA入射光線AB與纖維軸線OO相交角為θi，入射后折射(折射角為θj)至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線DE成θk角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為θr。則n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90o－θk所以

θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。當(dāng)n０=1時(shí)6第六頁，共八十八頁，2022年，8月28日上式sinθi0為“數(shù)值孔徑”NA(Numerical

Aperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解為Δ=(n1-n2)/n1稱為相對(duì)折射率差

當(dāng)θr=90o的臨界狀態(tài)時(shí)，θi=θi0當(dāng)θr<90o時(shí)，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光線消失。這說明arcsinNA是一臨界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播

當(dāng)θr=90o時(shí)當(dāng)θr>90o時(shí)，光線發(fā)生全反射，則sinθi0=NAθi0=arcsinNAθi<θi0=arcsinNA7第七頁，共八十八頁，2022年，8月28日二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類

1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號(hào)處理電源信號(hào)接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。8第八頁，共八十八頁，2022年，8月28日可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測(cè)量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A——電場(chǎng)E的振幅矢量；ω——光波的振動(dòng)頻率；φ——光相位；t——光的傳播時(shí)間?？梢?，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。

9第九頁，共八十八頁，2022年，8月28日傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

2、光纖傳感器的分類10第十頁，共八十八頁，2022年，8月28日（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器11第十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

3）拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象12第十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（2）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大。13第十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2）偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。14第十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日

4）相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。

15第十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日三、光纖傳感器的應(yīng)用

（一）溫度的檢測(cè)光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。1、遮光式光纖溫度計(jì)下圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯?duì)設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變

1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液2自聚焦透鏡3光纖4水銀16第十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，雙金屬片的變形量增大，帶動(dòng)遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計(jì)能測(cè)量10℃～50℃的溫度。檢測(cè)精度約為0.5℃。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動(dòng)的影響，且響應(yīng)時(shí)間較長，一般需幾分鐘。

光源接收熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)121遮光板2雙金屬片17第十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日2、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長λg的光將被半導(dǎo)體吸收,而高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長。電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為本征吸收。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時(shí),電子吸收光能從價(jià)帶躍遷入導(dǎo)帶,顯然,要發(fā)生本征吸收,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即因λ＝c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件h——普朗克常數(shù)；v——光頻率因此，對(duì)于波長大于λg的光，能透過半導(dǎo)體，而波長小于λg的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的本征吸收波長，圖為在室溫(20℃)時(shí),120μm厚的GaAs材料的透射率曲線。

18第十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的本征吸收波長約為880nm左右，半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同，Eg與溫度t的關(guān)系可表示為式中：Eg（0）——絕對(duì)零度時(shí)半導(dǎo)體的禁帶寬度；

α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(eV／K)；β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。8508009009501000010203040t=20℃波長λ/nmGaAs的光譜透射率曲線透射率(%)對(duì)于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K19第十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其透射率曲線將向長波方向移動(dòng)。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度半導(dǎo)體透射測(cè)量原理透射率波長20第二十頁，共八十八頁，2022年，8月28日（二）壓力的檢測(cè)

種類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。

1、采用彈性元件的光纖壓力傳感器利用彈性體的受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)，從而對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)。下圖為簡單的利用Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P21第二十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。但金屬材料的彈性模量有一定的溫度系數(shù)，因此要考慮溫度補(bǔ)償。若選用石英膜片，則可減小溫度的影響。膜片的安裝采用周邊固定，焊接到外殼上。對(duì)于不同的測(cè)量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之間為宜。對(duì)于周邊固定的膜片，在小撓度(y＜0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為R—膜片有效半徑；t—膜片厚度；

p—外加壓力；E－膜片材料的彈性模量；μ—為膜片的泊松比?？梢?，在一定范圍內(nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測(cè)位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

22第二十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖(a),這里采用了特殊結(jié)構(gòu)的光纖束，光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,如圖(b)。其中最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時(shí)，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等,即I1＝I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強(qiáng)增大,形成差動(dòng)輸出。

4

p>0P=0P<0(a)傳感器結(jié)構(gòu)

(b)探頭截面結(jié)構(gòu)(c)測(cè)量原理PI2I1I02(外圈)1(內(nèi)圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(輸入)23第二十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日可見，輸出光強(qiáng)比I2／Il與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。將上式兩邊取對(duì)數(shù)且滿足(Ap)2≤1時(shí),等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得到這表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70μm,包層厚度為3.5μm,纖芯和包層折射率分別為1.52和1.62,則該傳感器可獲得115dB的動(dòng)態(tài)范圍,線性度為0.25％。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可獲得不同的測(cè)量范圍。

兩束輸出光的光強(qiáng)之比為A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)；p——待測(cè)量壓力。24第二十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、光彈性式光纖壓力傳感器

晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)測(cè)量壓力的原理及傳感器結(jié)構(gòu)如圖。發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。

(b)傳感器結(jié)構(gòu)12345P(a)檢測(cè)原理P678910111光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡偏振光線偏振光橢圓偏振光25第二十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，下圖為另一種檢測(cè)方法的結(jié)構(gòu)。輸出光用偏振分光鏡分別檢測(cè)出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差／和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無關(guān)的輸出。該傳感器的測(cè)量范圍為103Pa～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速度。

輸出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驅(qū)動(dòng)123456I1I2PD1PD2光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)1光纖2起偏器3光彈性元件41/4波長板5偏振分光鏡6反射鏡

p26第二十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日（三）液位、流量、流速的檢測(cè)1、液位的檢測(cè)技術(shù)（1）球面光纖液位傳感器

12(a)探頭結(jié)構(gòu)(b))檢測(cè)原理空氣液體LEDPD光由光纖的一端導(dǎo)入,在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回來,由光纖的另一端導(dǎo)向探測(cè)器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率。被測(cè)介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強(qiáng)度越小。顯然,傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大。因此,該傳感器可用于液位報(bào)警。若以探頭在空氣中時(shí)的反射光強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時(shí)反射光強(qiáng)變化–6dB～–7dB,接觸油時(shí)變化–25dB～–30dB。27第二十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（2）斜端面光纖液位傳感器下圖為反射式斜端面光纖液位傳感器的兩種結(jié)構(gòu)。同樣，當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時(shí)，反射光強(qiáng)度差約在20dB以上。斜面反射式光纖液位傳感器(a)123(b)1、2光纖3棱鏡28第二十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（3）單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，將光纖的端部拋光成45o的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。同樣，若在不同的高度安裝多個(gè)探頭，則能連續(xù)監(jiān)視液位的變化。

單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)121光纖2耦合器29第二十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日上述探頭在接觸液面時(shí)能快速響應(yīng)，但在探頭離開液體時(shí)，由于有液滴附著在探頭上，故不能立即響應(yīng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變，如圖。將光纖端部的尖頂略微磨平，并鍍上反射膜。這樣，即使有液體附著在頂部，也不影響輸出跳變。進(jìn)一步的改進(jìn)是在頂部鍍反射膜外粘上一突出物，將附著的液體導(dǎo)引向突出物的下端。這樣，可以保證探頭在離開液位時(shí)也能快速地響應(yīng)。

改進(jìn)的光纖液位探頭30第三十頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、流量、流速的檢測(cè)（1）光纖渦街流量計(jì)

當(dāng)一個(gè)非流線體置于流體中時(shí)，在某些條件下會(huì)在液流的下游產(chǎn)生有規(guī)律的旋渦。這種旋渦將會(huì)在該非流線體的兩邊交替地離開。當(dāng)每個(gè)旋渦產(chǎn)生并瀉下時(shí)，會(huì)在物體壁上產(chǎn)生一側(cè)向力。這樣，周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個(gè)周期的壓力。若物體具有彈性，它便會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率近似地與流速成正比。即

式中：v——流體的流速；

d——物體相對(duì)于液流方向的橫向尺寸；

s——與流體有關(guān)的無量綱常數(shù)。因此，通過檢測(cè)物體的振動(dòng)頻率便可測(cè)出流體的流速。光纖渦街流量計(jì)便是根據(jù)這個(gè)原理制成的，其結(jié)構(gòu)如圖。

f＝sv／d31第三十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日紋穩(wěn)定。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí),輸出光斑亦發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于處于光斑中某個(gè)固定位置的小型探測(cè)器,光斑花紋的移動(dòng)反映為探測(cè)器接收到的輸出光強(qiáng)的變化。利用頻譜分析,即可測(cè)出光纖的振動(dòng)頻率。根據(jù)上式或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定得到流速值,在管徑尺寸已知的情況下，即可計(jì)算出流量。光纖渦街流量計(jì)特點(diǎn)：可靠性好,無任何可動(dòng)部分和聯(lián)接環(huán)節(jié),對(duì)被測(cè)體流阻小,基本不影響流速。但在流速很小時(shí),光纖振動(dòng)會(huì)消失,因此存在一定的測(cè)量下限。在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),光纖就發(fā)生振動(dòng),其振動(dòng)頻率近似與流速成正比。由于使用的是多模光纖,故當(dāng)光源采用相干光源(如激光器)時(shí),其輸出光斑是模式間干涉的結(jié)果。當(dāng)光纖固定時(shí),輸出光斑花光源頻譜分析記錄探測(cè)器123451夾具2密封膠3液體流管4光纖5張力載荷32第三十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（2）光纖多普勒流速計(jì)下圖為利用光纖多普勒計(jì)來測(cè)量流體流速的原理。當(dāng)待測(cè)流體為氣體時(shí)，散射光將非常微弱，此時(shí)可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W，λ=514.5nm）以提高信噪比。特點(diǎn)：非接觸測(cè)量，不影響待測(cè)物體的流動(dòng)狀態(tài)。

光纖多譜勒流量計(jì)結(jié)構(gòu)探測(cè)器頻譜分析儀He-Ne激光器123456781、3——分束器；2——反射鏡；4——透鏡；5——流體管道；6——窗口；7、8——光纖33第三十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)氣敏傳感器

接觸燃燒式氣敏元件金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元件氧化鋯氣敏元件工作原理、主要類型及應(yīng)用34第三十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日一、接觸燃燒式氣體傳感器

1、檢測(cè)原理

可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生反應(yīng)熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關(guān)?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(yīng)(燃燒)產(chǎn)生的反應(yīng)熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測(cè)定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測(cè)空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測(cè)元件，其壽命較短，所以，實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測(cè)元件的響應(yīng)特性。35第三十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測(cè)元件；F2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時(shí)，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測(cè)元件F1上發(fā)生氧化反應(yīng)(接觸燃燒)所需要的熱量。當(dāng)檢測(cè)元件F1與可燃性氣體接觸時(shí)，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測(cè)元件的溫度上升，電阻值相應(yīng)增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產(chǎn)生電位差E。

AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因?yàn)棣F很小，且RF1?R1=RF2?R2

36第三十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日這樣，在檢測(cè)元件F1和補(bǔ)償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內(nèi)，A，B兩點(diǎn)間的電位差E，近似地與ΔRF成比例。在此，ΔRF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應(yīng)熱)成比例的。即ΔRF可用下式表示如果令則有ρ—檢測(cè)元件的電阻溫度系數(shù)；ΔT—由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測(cè)元件的溫度增加值；ΔH—可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量；C—檢測(cè)元件的熱容量；Q—可燃性氣體的燃燒熱；m—可燃性氣體的濃度[％(Vol)]；α—由檢測(cè)元件上涂覆的催化劑決定的常數(shù)。37第三十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日ρ，C和α的數(shù)值與檢測(cè)元件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、表面處理方法等因素有關(guān)。Q是由可燃性氣體的種類決定。因而，在一定條件下，都是確定的常數(shù)。則A、B間的電位差E，并由此求得空氣中可燃性氣體的濃度。若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中當(dāng)可燃性氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其感應(yīng)特性曲線如圖。接觸燃燒式氣敏元件的感應(yīng)特性00.20.40.60.81.050100150輸出電壓/mV丙烷乙醇異丁烷丙酮環(huán)己烷氣體濃度(XLEL)E=k?m?b即A、B兩點(diǎn)間的電位差與可燃性氣體的濃度m成比例。如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測(cè)得38第三十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu)用高純的鉑絲,繞制成線圈,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚?1Ω～2Ω),一般應(yīng)繞10圈以上。在線圈外面涂以氧化鋁或氧化鋁和氧化硅組成的膏狀涂覆層,干燥后在一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體。將燒結(jié)后的小球,放在貴金屬鉑、鈀等的鹽溶液中,充分浸漬后取出烘干。然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚?使在氧化鋁(氧化鋁一氧化硅)載體上形成貴金屬觸媒層,最后組裝成氣體敏感元件。除此之外,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁、氧化硅等載體充分混合后配成膏狀,涂覆在鉑絲繞成的線圈上,直接燒成后備用。另外，作為補(bǔ)償元件的鉑線圈,其尺寸、阻值均應(yīng)與檢測(cè)元件相同。并且,也應(yīng)涂覆氧化鋁或者氧化硅載體層,只是無須浸漬貴金屬鹽溶液或者混入貴金屬觸媒粉體,形成觸媒層而已。

39第三十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日觸媒Al2O3載體Pt絲元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形圖接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖(a)元件的內(nèi)部示意圖40第四十頁，共八十八頁，2022年，8月28日二、半導(dǎo)體氣體傳感器氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測(cè)氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢(shì)壘模型。1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)

（1）氣敏元件的電阻值

將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ｒａ。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。測(cè)定固有電阻值Ｒａ時(shí),要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對(duì)于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測(cè)定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。41第四十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日（2）氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種

（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1—?dú)饷粼跐舛葹镃c的被測(cè)氣體中的阻值：RＣ2—?dú)饷粼跐舛葹镃2的被測(cè)氣體中的阻值。通常，C1＞C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出

Ra—?dú)饷粼跐崈艨諝庵械碾娮柚?；Rg—?dú)饷粼谝?guī)定濃度的被測(cè)氣體中的電阻值42第四十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。

（3）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為Va—?dú)饷粼跐崈艨諝庵泄ぷ鲿r(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg—?dú)饷粼谝?guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓Vgi—?dú)饷粼趇種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓43第四十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。

（6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間表示在工作溫度下,被測(cè)氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體時(shí)開始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時(shí)所需時(shí)間。44第四十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日（7）初期穩(wěn)定時(shí)間長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此,使氣敏元件恢復(fù)正常工作狀態(tài),需要一定的時(shí)間,稱為氣敏元件的初期穩(wěn)定時(shí)間。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間,稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長,其初期穩(wěn)定時(shí)間也越長。在一般條件下,氣敏元件存放兩周以后,其初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。

45第四十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日2、燒結(jié)型SnO2氣敏元件SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測(cè)可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號(hào)由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測(cè)量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。

46第四十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號(hào)SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)7100目不銹鋼網(wǎng)?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線分布47第四十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日三、氧化鋯氧氣傳感器固體電解質(zhì)是具有離子導(dǎo)電性能的固體物質(zhì)。一般認(rèn)為，固體物質(zhì)(金屬或半導(dǎo)體)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的是正、負(fù)離子?？墒?，在固體電解質(zhì)中，作為載流子傳導(dǎo)電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠(yuǎn)未達(dá)到熔融的溫度)具有氧離子傳導(dǎo)性。

純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在1100℃下，為正方晶系，2500℃下，為立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質(zhì)后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結(jié)構(gòu)，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質(zhì)的加入，在二氧化鋯晶格中產(chǎn)生氧空位，其濃度隨雜質(zhì)的種類和添加量而改變，其離子電導(dǎo)性也隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而變化。48第四十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日在二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔等添加物后,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變。尤其是在氧化鈣添加量為15％mol左右時(shí),離子電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。但是，由于二氧化鋯一氧化鈣固溶體的離子活性較低，要在高溫下，氣敏元件才有足夠的靈敏度。添加三氧化二釔的ZrO2－Y2O3固溶體，離子活性較高，在較低的溫度下，其離子電導(dǎo)都較大，如圖。因此，通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固體電解質(zhì)材料，稱為YSZ材料。51015201234Yb2O3Y2O3CaO氧化物添加量/%molZrO2中雜質(zhì)含量與電導(dǎo)關(guān)系離子電導(dǎo)lgα/Ω-1cm-149第四十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日ZrO2系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)與溫度關(guān)系56008001000120010-110-210-310-4123467t/℃離子電導(dǎo)/Ω-1cm-11添加8%molYb2O3

；2ZrO0.92SC2O30.04Yb2O30.04

3ZrO2；4添加10%molY2O3；5添加13%molCaO6添加15%molY2O3；7添加10%molCeO50第五十頁，共八十八頁，2022年，8月28日四、氣體傳感器的應(yīng)用

分為檢測(cè)、報(bào)警、監(jiān)控等幾種類型。1、電源電路一般氣敏元件的工作電壓不高(3V～10V)，其工作電壓，特別是供給加熱的電壓，必須穩(wěn)定。否則，將導(dǎo)致加熱器的溫度變化幅度過大，使氣敏元件的工作點(diǎn)漂移，影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。2、輔助電路由于氣敏元件自身的特性(溫度系數(shù)、濕度系數(shù)、初期穩(wěn)定性等)，在設(shè)計(jì)、制作應(yīng)用電路時(shí)，應(yīng)予以考慮。如采用溫度補(bǔ)償電路，減少氣敏元件的溫度系數(shù)引起的誤差；設(shè)置延時(shí)電路，防止通電初期，因氣敏元件阻值大幅度變化造成誤報(bào)；使用加熱器失效通知電路，防止加熱器失效導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象。下圖是一溫度補(bǔ)償電路51第五十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度熱敏電阻(R5)的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。BZ~U氣敏傳感器氖管蜂鳴器NTC電阻WR1R2R3R4R5R6SCR右圖為正溫度系數(shù)熱敏電阻(R2)的延時(shí)電路。剛通電時(shí)，其電阻值也小，電流大部分經(jīng)熱敏電阻回到變壓器，蜂鳴器(BZ)不發(fā)出報(bào)警。當(dāng)通電1～2min后，阻值急劇增大，通過蜂鳴器的電流增大，電路進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。

BZ氣敏傳感器PTC電阻R2R1R3R4BCR~UB蜂鳴器氖管52第五十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日3、檢測(cè)工作電路

這是氣敏元件應(yīng)用電路的主體部分。

下圖是設(shè)有串聯(lián)蜂鳴器的應(yīng)用電路。隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，足以推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。~220VBZ氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR53第五十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日下圖是差分式可燃性氣體檢測(cè)儀電路原理圖。

在此電路中，BG1、BG2的參數(shù)應(yīng)力求一致，最好選用差分對(duì)管。采用這種差分電路，檢測(cè)氣體的靈敏度可達(dá)100×10－6。

K1W11W31W41W21R3R2BG1BG2R4R5K23V6VμA差分式可燃性氣體檢測(cè)儀電路R1RQ54第五十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日下圖是家用煤氣(CO)安全報(bào)警電路。一部分是煤氣報(bào)警器，在煤氣濃度達(dá)到危險(xiǎn)界限前發(fā)生警報(bào)；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動(dòng)產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對(duì)人體無害的二氧化碳。IC1IC2JBG3~220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7煤氣安全報(bào)警器原理圖55第五十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)濕度傳感器精密儀器、半導(dǎo)體集成電路與元器件制造場(chǎng)所，氣象預(yù)報(bào)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機(jī)高分子感濕膜。有機(jī)高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。單晶半導(dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。

56第五十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日一、濕度表示法空氣中含有水蒸氣的量稱為濕度，含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。主要有質(zhì)量百分比和體積百分比、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度、露點(diǎn)（霜點(diǎn)）等表示法。

1、質(zhì)量百分比和體積百分比質(zhì)量為M的混合氣體中，若含水蒸氣的質(zhì)量為m，則質(zhì)量百分比為v／V×100％這兩種方法統(tǒng)稱為水蒸氣百分含量法。m／M×100％在體積為V的混合氣體中，若含水蒸氣的體積為v，則體積百分比為57第五十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度水蒸氣壓是指在一定的溫度條件下，混合氣體中存在的水蒸氣分壓(p)。而飽和蒸氣壓是指在同一溫度下，混合氣體中所含水蒸氣壓的最大值(ps)。溫度越高，飽和水蒸氣壓越大。在某一溫度下，其水蒸氣壓同飽和蒸氣壓的百分比，稱為相對(duì)濕度絕對(duì)濕度表示單位體積內(nèi)，空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量，其定義為m——待測(cè)空氣中水蒸氣質(zhì)量；V——待測(cè)空氣的總體積；ρv——待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度。如果把待測(cè)空氣看作是由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可得出：P：空氣中水蒸氣分壓；M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量R：理想氣體常數(shù)；T：空氣的絕對(duì)溫度。58第五十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

3、露（霜）點(diǎn)水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí)，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時(shí)，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對(duì)濕度為100％RH。該溫度，5010203040-1001020304050溫度/℃10%RH露點(diǎn)/℃90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH稱為空氣的露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。如果這一溫度低于0℃時(shí)，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點(diǎn)溫度。兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn)?？諝庵兴魵鈮涸叫?，露點(diǎn)越低，因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度。59第五十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日二、濕度傳感器的主要參數(shù)

1、濕度量程指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對(duì)濕度(0～100)％RH表示，它是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2、感濕特征量——相對(duì)濕度特性每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容等，通常用電阻比較多。以電阻為例，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕度傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線，簡稱阻濕特性。有的濕度傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大，這種為正特性濕敏電阻器，如Fe3O4濕敏電阻器。有的阻值隨著濕度的增加而減小，這種為負(fù)特性濕敏電阻器，如TiO2－SnO2陶瓷濕敏電阻器。對(duì)于這種濕敏電阻器，低濕時(shí)阻值不能太高，否則不利于和測(cè)量系統(tǒng)或控制儀表相連接。60第六十頁，共八十八頁，2022年，8月28日

3、感濕靈敏度簡稱靈敏度，又叫濕度系數(shù)。其定義是在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕度傳感器電參量的變化值或百分率。各種不同的濕度傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同，對(duì)于低濕型或高濕型的濕度傳感器，它們的量程較窄，要求靈敏度要很高。但對(duì)于全濕型濕度傳感器，并非靈敏度越大越好，因?yàn)殡娮柚档膭?dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利，所以靈敏度的大小要適當(dāng)。

61第六十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

4、特征量溫度系數(shù)反映濕度傳感器在感濕特征量——相對(duì)濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對(duì)濕度的誤差就越小。在環(huán)境溫度保持恒定時(shí)，濕度傳感器特征量的相對(duì)變化量與對(duì)應(yīng)的溫度變化量之比，稱為特征量溫度系數(shù)。ΔT——溫度25℃與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；R1(C1)——溫度25℃時(shí)濕度傳感器的電阻值(或電容值)；R2(C2)——另一規(guī)定環(huán)境溫度時(shí)濕度傳感器的電阻值(或電容值)。

電容溫度系數(shù)(%/℃)=電阻溫度系數(shù)(%/℃)=62第六十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

5、感濕溫度系數(shù)反映濕度傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀、實(shí)用的物理量。它表示在兩個(gè)規(guī)定的溫度下，濕度傳感器的電阻值(或電容值)達(dá)到相等時(shí)，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度之差與兩個(gè)規(guī)定的溫度變化量之比，稱為感濕溫度系數(shù)?；颦h(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。感濕溫度系數(shù)

ΔT——溫度25℃與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；H1——溫度25℃時(shí)濕度傳感器某一電阻值(或電容值)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度值；H2——另一規(guī)定環(huán)境溫度下濕度傳感器另一電阻值(或電容值)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度。下圖為感濕溫度系數(shù)示意圖。

(%RH/℃)=63第六十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日相對(duì)濕度/%H1H2H2感濕溫度系數(shù)示意圖相對(duì)濕度/%H1H2H2RCT2T2T2T225℃25℃(a)電阻型(b)電容型64第六十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日

6、響應(yīng)時(shí)間在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般是以相應(yīng)的起始和終止這一相對(duì)濕度變化區(qū)間的63％作為相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)，它是反映濕度傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。單位是s。也有規(guī)定從起始到終止90％的相對(duì)濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

65第六十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

7、電壓特性

當(dāng)用濕度傳感器測(cè)量濕度時(shí)，所加的測(cè)試電壓，不能用直流電壓。這是由于加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測(cè)試電壓采用交流電壓。右圖表示濕度傳感器的電阻與外加交流電壓之間的關(guān)系?？梢?，測(cè)試電壓小于5V時(shí)，電壓對(duì)阻——濕特性沒有影響。但交流電壓大于15V時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)濕度傳感器的阻——濕特性產(chǎn)生了較大影響，因而一般濕度傳感的使用電壓都小于10V。LgR/Ω0123456578420℃100Hz11%RH33%RH75%RH100%RHU/V66第六十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日電阻－頻率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω

8、頻率特性濕度傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓頻率的關(guān)系，如圖。在高濕時(shí)，頻率對(duì)阻值的影響很小，當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。對(duì)這種濕度傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率小于103Hz時(shí)，阻值不隨使用頻率而變化，故該濕度傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕度傳感器的使用頻率上限由實(shí)驗(yàn)確定。直流電壓會(huì)引起水分子的電解，因此，測(cè)試電壓頻率也不能太低。

67第六十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日三、電解質(zhì)濕度傳感器電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)。

氯化鋰濕度傳感器的結(jié)構(gòu)AB

B鈀絲

A涂有聚苯乙烯薄膜的圓筒電解質(zhì)氯化鋰濕度傳感器最為典型03060900.010.1110R/108Ω相對(duì)濕度/%①②③④⑤④1.0%LiCl⑤2.2%LiCl③0.5%LiCl②0.25%LiCl①PVAC氯化鋰濕度傳感器的阻—濕特性組合式氯化鋰的阻—濕特性03060900.010.1110相對(duì)濕度/%R/108Ω把不同感濕范圍的單片濕度傳感器組合起來,可制成相對(duì)濕度工作量程為20％～90％RH的濕度傳感器68第六十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日四、陶瓷濕度傳感器利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器。具有許多優(yōu)點(diǎn)：測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡單，成本低廉。

典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4－TiO2系。此外，還有TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系等。這類濕度傳感器的感濕特征量大多數(shù)為電阻。除Fe3O4外，都為負(fù)特性濕度傳感器，即隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增加，阻值下降。也有少數(shù)陶瓷濕度傳感器，它的感濕特性量為電容。

69第六十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日

1、結(jié)構(gòu)該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。這種多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔,氣孔直徑隨TiO2添加量的增加而增大。粒間氣孔與顆粒大小無關(guān),相當(dāng)于一種開口毛細(xì)管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,還有TiO2相等,感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護(hù)圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線70第七十頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、主要特性與性能

（1）電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對(duì)數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從107Ω下降到104Ω，即變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)。20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%R/Ω71第七十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（2）電阻—溫度特性是在不同的溫度環(huán)境下，測(cè)量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性。從圖可見，從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

20406080100103104105106107108相對(duì)濕度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻—溫度特性72第七十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH

（3）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時(shí)間小于10s。73第七十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日（4）穩(wěn)定性制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95％RH，溫度60℃，交流電壓5V，時(shí)間104h)；常溫常濕試驗(yàn)[濕度(10～90)％RH，溫度(–10℃～＋40℃)]；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣?加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。

74第七十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日五、高分子濕度傳感器用有機(jī)高分子材料制成的濕度傳感器，主要是利用其吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成了電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成了電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成了結(jié)露傳感器。

（一）電容式濕度傳感器

1、結(jié)構(gòu)高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。高分子薄膜上部電極下部電極75第七十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

2、感濕機(jī)理與性能電容式高分子濕度傳感器，其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過，水的介電系數(shù)比較大，室溫時(shí)約為79。感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大，當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化。隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加．所以根據(jù)電容量的變化可測(cè)得相對(duì)濕度。76第七十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日（2）響應(yīng)特性由于高分子薄膜可以做得極薄，所以吸濕響應(yīng)時(shí)間都很短，一般都小于5s，有的響應(yīng)時(shí)間僅為1s。（3）電容一溫度特性電容式高分子膜濕度傳感器的感濕特性受溫度影響非常小，在5℃～50℃范圍內(nèi),電容溫度系數(shù)約為0.06％RH/℃

相對(duì)濕度/%050100200250300350電容—濕度特性C/pF（f=1.5MHZ）（1）電容—濕度特性其電容隨著環(huán)境溫度的增加而增加,基本上呈線性關(guān)系。當(dāng)測(cè)試頻率為l.5MHz左右時(shí),其輸出特性有良好的線性度。對(duì)其它測(cè)試頻率,如1kHz、10kHz，盡管傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳?？赏饨愚D(zhuǎn)換電路,使電容—濕度特性趨于理想直線。

77第七十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（二）電阻式高分子膜濕度傳感器1、結(jié)構(gòu)聚苯乙烯