新型傳感器技術以及應用

新型傳感器技術以及應用姓名：葉斯布力學號：5131109051摘要：隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，許多新效應、新材料不斷被發(fā)現(xiàn)，新的加工制造工藝不斷發(fā)展和完善，這些都促進了新型傳感器的研究和開發(fā)。所謂新型傳感器是指近十幾年來研究開發(fā)出來的、已經(jīng)或正在走向實用化的傳感器。相對于傳統(tǒng)傳感器，新型傳感器技術含量高、功能強，涵蓋傳統(tǒng)傳感器較少涉及的領域。了解和學習這些新型傳感器有利于掌握新知識、新工藝，新材料和新應用。本章將介紹近年發(fā)展起來的新型傳感器，如集成溫度傳感器、磁性傳感器、光導纖維傳感器、圖像傳感器以及它們的應用。關鍵詞：新型傳感器；光纖傳感器；新型傳感器技術在信息時代里，隨著各種系統(tǒng)的自動化程度和復雜性的增加需要獲取的信息量越來越大，不僅對傳感器的精度可靠性和響應要求越來越高。還要求傳感器有標準輸出形式以便于和系統(tǒng)掛接。顯然，傳統(tǒng)傳感器因其功能差體積大，已很難再滿足要求而將被逐漸淘汰，向微型化，智能化，集成化方向發(fā)展已成為傳感器技術發(fā)展必然趨勢。光纖傳感器近年來，光纖憑借其損耗低，帶寬資源豐富，耐高壓抗電磁干擾等優(yōu)點已在電力通信網(wǎng)中占主導地位。目前采用分布式光纖傳感器進行溫度與應變的測量在國外已經(jīng)得到廣泛應用。在國內(nèi)采用分布式光纖傳感器對高壓電力線在線測溫對建筑，堤壩，橋梁，進行應變測量等，也受到了廣泛的關注。首先簡單分析幾種典型的光纖傳感器原理。磁性傳感器1842年焦耳發(fā)現(xiàn)，磁性材料在變化的磁場中其長度和體積會產(chǎn)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，又稱焦耳效應。傳統(tǒng)磁致伸縮材料有鐵、鎳等，稱為傳統(tǒng)磁致伸縮材料。由于磁致伸縮系數(shù)較小，功率密度不高，故應用面較窄O1984年左右，人們研制出磁致伸縮系數(shù)很大的磁性材料，稱為超磁致伸縮材料(GMM)，又稱為巨磁致伸縮材料或大磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料具有轉換效率高、驅動電壓低、體積小、不易老化等特點。與電致伸縮的壓電陶瓷不同之處是，它的勵磁頻率較低，工作于低頻區(qū)(10Hz?2000Hz)。超磁致

伸縮材料在液位測量、聲納、超聲加工、激振器等領域具有廣闊的應用前景。磁致伸縮液位傳感器圖1216所示的廣東康宇刪控儀表公司生產(chǎn)的勺采用磁玫伸爆原理制成的漣位計,<5圖：1216磁致伸貌液伉傳侮弄磁致伸縮液位傳感器由脈沖發(fā)生器、磁致伸縮線、回波信號處理單元、不銹鋼保護套管等部分組成，具有可靠性強、耐腐蝕、安裝方便等特點，廣泛應用在石油、化工、制藥、食品、飲料等各種液罐的液位計量和控制。磁致伸縮液位傳感器的結構比較簡單。在一根非磁性不銹鋼套管內(nèi)裝有一根繃緊的磁致伸縮線，磁致伸縮線的下端與不銹鋼套管底部相連，上端接到脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器發(fā)出強電流脈沖信號（每秒10個）給磁致伸縮線，作為起始脈沖，并開始計時。脈沖電流沿磁致伸縮線向下流動，根據(jù)右手定律，該電流將在磁致伸縮線四周產(chǎn)生場，與固定在非磁性不銹鋼浮子內(nèi)部的磁鐵1和磁鐵2形成的固定磁場相互作用，形成脈動磁場，磁致伸縮線在脈動磁場的作用下，由于磁致伸縮效

應，使磁致伸縮線產(chǎn)生扭動，并產(chǎn)生扭應力波。這個扭應力波以已知的速度V從浮子的位置沿磁致伸縮線向上傳送，到達液位計頂端的回波信號處理單元。在回波信號處理單元中，磁致伸縮線的扭動使信號檢出線圈與磁鐵3之間的磁阻產(chǎn)生脈動變化，在磁鐵3磁場的作用下，檢出線圈兩端感應出脈沖電流，作為終止脈沖。通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間t，產(chǎn)生圖c中的PWM寬度脈沖，再乘以扭應力波的傳播速度V，即可確定浮子的位置，如圖12 16a中的hl。由于磁浮子總是懸浮在液面上，從而可以確定被測液體的液位h，即h=h2h1（h2為已知的安裝高度）。光電傳感器光照射在物體上會產(chǎn)生一系列的物理或化學效應，例如植物的光合作用，化學反應中的催化作用，人眼的感光效應，取暖時的光熱效應以及光照射在光電元件上的光電效應等。光電傳感器（PhotoelectricTransducer）是將光信號轉換為電信號的一種傳感器。使用這種傳感器測量其他非電量（如轉速、濁度）時，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。此種測量方法具有反應快、非接觸等優(yōu)點，故在非電量檢測中應用較廣。本章簡單介紹光電效應、光電元件的結構和工作原理及特性，著重介紹光電傳感器的各種應用。光電傳感器屬于非接觸式測量，目前越來越多地用于生產(chǎn)的各領域。依被測物、光源、光電元件三者之間的關系，可以將光電傳感器分為下述四種類型.1） 光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)，如圖10 25a所示。典型的例子有光電高溫比色溫度計、光照度計、照相機曝光量控制等。2） 恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)，如圖1025b所示，典型例子如透明度計、濁度計等。3） 恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)，如圖1025c所示。典型的例子如用反射式光電法測轉速、測量工件表面粗糙度、紙張的白度等。4） 恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸，如圖1025d所示。典型的例子如振動測量、工件尺寸測量等。0 d)圖m-25光電傳感器的兒種形式光纖傳感器技術的應用光纖傳感器的定義很簡單，即用光纖作為功能材料的傳感器稱為光纖傳感器。在20世紀70年代中期，人們開始意識到光纖可以用來交換信息，無需任何中間級就能把待測量和光纖內(nèi)的光導聯(lián)系起來。自1977年美國海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃以來，光纖傳感器的概念在全世界許多實驗室里變?yōu)楝F(xiàn)實。隨著工作傳感器的研制，國際間的學術交流活動日益增多。從1983年起，國際光纖傳感器會議定期召開。光纖傳感器如此引人注目，主要是因為它有易與高度發(fā)展的電子裝置匹配的優(yōu)點。光纖傳感器的基礎原理是：光源經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光互相作用，使光的光學性質，如光的強度、波長(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，信號光再經(jīng)光纖送入光探測器、調(diào)解器而獲得被測參數(shù)。目前，光纖傳感器的分類方法一般有以下兩種。按光在光纖中被調(diào)制的原理分類，有光纖強度調(diào)制傳感器、光纖相位調(diào)制傳感器、光纖偏振型調(diào)制傳感器、光纖頻率傳感器。按測量對象分類，有光纖溫度傳感器、光纖位置傳感器、光纖流量傳感器、光纖力傳感器、光纖速度傳感器、光纖磁場傳感器、光纖電流傳感器、光纖電壓傳感器、光纖圖像傳感器和醫(yī)用光纖傳感器。下面對光纖電壓傳感器中偏振型光纖電壓傳感器的原理加以介紹。偏振型光纖電壓傳感器的原理如圖519（a）所示。它由Bil2iO2晶體、起偏器、檢偏器、光電檢測裝置和光纖組成。圖中起偏器是這種偏振型光纖電壓傳感器具體應用中的特例，更一般的情況是采用調(diào)制器來對光的傳輸特性做出某種改變，這種調(diào)制器的工作原理可參見圖519（b）,它可以根據(jù)多普勒光纖粒子運動或調(diào)制光的偏振態(tài)光強度遮擋等來對光纖中所傳輸?shù)墓膺M行某種形式的調(diào)制。圖S-19偏振型光纖電壓傳感器的原理在本例所示的光纖電壓傳感器中，是通過起偏器對光的偏振狀態(tài)進行調(diào)制的。使用中把晶體放在被測電壓（或電場）中，在被測電壓的電場作用下，晶體的折射率系數(shù)發(fā)生變化，從而使晶體發(fā)生了附加線性雙折射（泡克耳斯效應）并從入射光纖傳輸?shù)綑z偏器，檢偏器檢出偏振狀態(tài)相對于初始狀態(tài)的變化后，再通過出射光纖將這種變化信息（本例利用光學方法測出這種線性雙折射的大?。┹斔偷綑z測裝置，檢測裝置檢測出結果，并根據(jù)電壓和這種變化信息的關系輸出所對應的具體電壓值，從而求出被測電壓（或電場）的數(shù)值。強度型光纖傳感器這里以反射式光纖位移傳感器為例來介紹強度型光纖傳感器。反射式光纖位移傳感器具有結構簡單、設計靈活、性能穩(wěn)定、造價低廉、能適應惡劣環(huán)境等特點。其結構和工作原理如圖所示。

被割11松被割11松3)圖3-20反肘式光纖位移傳感器的結構和I：作原理

（a）結構筒圖；（bJI：作原理電化學傳感器技術氣體傳感器原理與應用氣體傳感器是一種電化學傳感器，常用的是電流型（安培型）氣體傳感器，通常由浸沒在液體電解液中的三個電極構成，如圖135所示，其中最主要的是工作電極。它通常是用一具有催化活性的金屬，例如鉑，將其涂復在一透氣但是憎水的膜上作成。被測量的氣體擴散透過多孔的膜在其上進行電化學氧化或還原反應。其反應的性質依工作電極的熱力學電位和分析氣體的電化學（氧化還原）性質而定。電化學反應中參加反應的電子，流向（還原）或流出（氧化）工作電極，通過外電路成為傳感器的輸出信號。為了氧化還原反應得以進行，工作電極的熱力學電位是一個極為重要的因素?；鶞孰姌O則是為了提供電解液中的工作電極具有一穩(wěn)定的電化學電位而設?；鶞孰姌O通常需要保護使之不暴露于樣氣中，這樣基準電極的熱力學電位就總是具有同一數(shù)值并且保持穩(wěn)定。此外，基準電極不允許有電流通過（否則將改變電位值）。測量電極只是一個完整的電化學電池所需要的第二電極，它的作用主要是允許電子進入或流出電解液。

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