第10章 新型傳感器及應(yīng)用

【教學(xué)目標】了解超聲波、磁敏、光線傳感器工作原理熟悉超聲波、磁敏、光線傳感器應(yīng)用掌握光纖位移傳感器的靜態(tài)、動態(tài)測試方法【教學(xué)重點】超聲波傳感器的測試電路光纖位移傳感器的靜態(tài)與動態(tài)測試【教學(xué)難點】超聲波、磁敏、光纖傳感器測試應(yīng)用第十章新型傳感器及應(yīng)用【教學(xué)內(nèi)容】超聲波傳感器及應(yīng)用超聲波及其物理特性超聲波探頭及耦合技術(shù)超聲波傳感器的應(yīng)用第十章新型傳感器及應(yīng)用【教學(xué)內(nèi)容】磁敏傳感器及應(yīng)用磁敏電阻磁敏二極管磁敏三極管磁敏式傳感器的應(yīng)用第十章新型傳感器及應(yīng)用【教學(xué)內(nèi)容】光纖傳感器及應(yīng)用光纖的結(jié)構(gòu)光纖傳感器的原理及分類光纖傳感器的應(yīng)用第十章新型傳感器及應(yīng)用510.1超聲波傳感器及應(yīng)用1超聲波及其物理特性2超聲波探頭及耦合技術(shù)3超聲波傳感器的應(yīng)用1超聲波及其物理特性超聲波傳感器是應(yīng)用超聲波的特性研制而成的傳感器，利用超聲波檢測技術(shù)，將被測量對象的信息，轉(zhuǎn)換成可用（主要是電信號）輸出信號。以超聲波作為檢測手段，在檢查過程中必須具備產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器或者超聲探頭。超聲波物體機械振動狀態(tài)的傳播形式是波，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波，低于16Hz的機械波，稱為次聲波。超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的機械波，其每秒的振動次數(shù)很高，超出了人耳聽覺的上限，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。1超聲波及其物理特性1超聲波及其物理特性其主要具備的特異性表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）傳播特性：超聲波的衍射本領(lǐng)較差，在均勻介質(zhì)中它能夠定向直線傳播，而且波長越短，這一特性就表現(xiàn)的越顯著。（2）功率特性：機械振動在傳播過程中要對媒介做功，如當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。由于超聲波頻率很高,所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。（3）空化作用：當超聲波在液體中傳播時，對媒介做功，使液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。隨著波的傳遞這些小空洞迅速脹大和閉合，導(dǎo)致液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，液體的溫度驟然升高，使兩種不相溶的液體(如水和油)發(fā)生乳化，并且加快溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。1超聲波及其物理特性物理特性超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當通過聲阻抗不同的介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。1超聲波及其物理特性（1）反射與折射：當超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長（稱大界面）時，產(chǎn)生反射與折射。進入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇到不同聲阻抗的介質(zhì)時，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。（2）散射與繞射：超聲在傳播時，遇到與超聲波波長近似或小于波長（小界面）的介質(zhì)時，產(chǎn)生散射與繞射。散射以小介質(zhì)為中心向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源，繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播。散射回聲強度與超聲入射角無關(guān)。1超聲波及其物理特性（3）超聲衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，聲強逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減，衰減系數(shù)經(jīng)常以dB/cm或10-3dB/mm為單位來表示。這種能量的衰減主要受到了聲波在媒介中的擴散、散射和吸收的影響，擴散衰減，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。（4）多普勒效應(yīng)：聲源和接收體作相對運動時，接收體在單位時間內(nèi)收到的振動次數(shù)（頻率），除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前（后）運動而多（少）接收到（距離/波長個）振動，即收到的頻率增加（減少）了。這種由于相對運動導(dǎo)致頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。1超聲波及其物理特性（5）機械效應(yīng)：超聲波在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替地壓縮和擴張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力變化將引起機械效應(yīng)。超聲波引起的介質(zhì)質(zhì)點運動，雖然產(chǎn)生的位移和速度不大，但是，與超聲振動頻率的平方成正比的質(zhì)點加速度卻很大，有時超過重力加速度的數(shù)萬倍。這樣的加速度足以對介質(zhì)造成強大的機械作用。（6）空化效應(yīng)：在流體動力學(xué)中指出，存在于液體中的微氣泡(空化核)在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將發(fā)生膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為聲空化。這種聲空化現(xiàn)象是超聲學(xué)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)。1超聲波及其物理特性（7）熱效應(yīng)：其產(chǎn)生有兩方面的原因，一、超聲波作用于介質(zhì)時有能量被介質(zhì)吸收。二、由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩，介質(zhì)間互相摩擦而發(fā)熱，這種能量會使固體、流體介質(zhì)溫度升高。超聲波的熱效應(yīng)在工業(yè)、醫(yī)療上都得到了廣泛應(yīng)用。1超聲波及其物理特性特點（1）超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。（2）超聲波可在各種不同媒質(zhì)中傳播，傳播足夠遠的距離。（3）超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息(診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng))。1超聲波及其物理特性超聲波探頭超聲波探頭是利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的轉(zhuǎn)換裝置，作為可逆的聲電轉(zhuǎn)換元件，起發(fā)射和接收高頻脈沖彈性波的作用。2超聲波探頭及耦合技術(shù)2超聲波探頭及耦合技術(shù)單晶直探頭2超聲波探頭及耦合技術(shù)雙晶直探頭

焦距范圍：5~40mm,頻率范圍：2.5~5MHz2超聲波探頭及耦合技術(shù)接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz2超聲波探頭及耦合技術(shù)空氣超聲探頭壓電式超聲波探頭的耦合技術(shù)壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，作為發(fā)射探頭使用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，其可又用作接收探頭。2超聲波探頭及耦合技術(shù)超聲波傳感器在工業(yè)中應(yīng)用廣泛如：超聲清洗、超聲波焊接、超聲波加工(超聲鉆孔、切削、研磨、拋光，超聲波金屬拉管、拉絲、軋制等)、超聲波處理(搪錫、凝聚、淬火，超聲波電鍍、凈化水質(zhì)等)、超聲波治療和超聲波檢測（超聲波測厚、檢漏，探傷、成像等）等。下面介紹幾種超聲波傳感器的檢測應(yīng)用。3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波測厚3超聲波傳感器的應(yīng)用脈沖回波法測厚方框圖超聲流量計3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲流量計結(jié)構(gòu)示意圖超聲多普勒流量計原理圖有聲楔的超聲多普勒流量計原理圖超聲波液位檢測與控制3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波液位檢測原理醫(yī)院回聲檢測3超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波在醫(yī)療上的應(yīng)用是通過向體內(nèi)發(fā)射超聲波(主要是縱波)，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來的超聲回波并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異進行診斷。超聲波在醫(yī)學(xué)上主要應(yīng)用與疾病的診斷，其診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。2810.2磁敏傳感器及應(yīng)用1磁敏電阻2磁敏二極管3磁敏三極管4磁敏式傳感器的應(yīng)用磁敏傳感器屬于非接觸測量，利用電、磁的相互關(guān)系，檢測位移、振動、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等物理量，由于在很多情況下，可采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁場，不需要另外附加驅(qū)動能源，因此這一類傳感器獲得極為廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體磁敏電阻1磁敏電阻半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。物理磁阻效應(yīng)是指當半導(dǎo)體沿長度方向通電時，在垂直于電流的寬度方向上施加一個磁場，半導(dǎo)體長度方向上就會發(fā)生電阻率增大的現(xiàn)象。幾何磁阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體磁敏電阻元件內(nèi)電流分布強磁性金屬薄膜磁敏電阻1磁敏電阻強磁性金屬是指具有高磁導(dǎo)率的金屬。處于磁場中的強磁性金屬，主要產(chǎn)生強制磁阻效應(yīng)和定向磁阻效應(yīng)。目前強磁性磁阻器件主要利用它的定向磁阻效應(yīng)。特別值得注意的是，在一定的磁場強度范圍內(nèi)，定向磁阻效應(yīng)所引起的電阻變化不受磁場強度的影響，僅僅與磁場方向有關(guān)。強磁性金屬磁敏電阻結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路強磁性電阻傳感器的應(yīng)用1磁敏電阻磁敏電阻可用于交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、磁通密度電壓變換器和位移電壓變換器等。磁敏二極管的主要特性2

磁敏二極管磁敏二極管的伏安特性磁敏二極管靈敏度測試磁敏二極管的溫度特性及其補償磁敏二極管受溫度影響較大，對于鍺磁敏二極管，在0～40℃溫度范圍，輸出電壓的溫度系數(shù)為-60mV/℃；對于硅磁敏二極管，在-20～120℃范圍，其輸出電壓的溫度系數(shù)為+10mV/℃，受溫度的影響較大。鍺磁敏二極管的磁靈敏度溫度系數(shù)為-1％/℃，在溫度高于60℃時，靈敏度很低，不能應(yīng)用；硅磁敏二極管的磁靈敏度溫度系數(shù)為-0.6％/℃，它在120℃時仍有較大的磁靈敏度。頻率特性磁敏二極管的頻率特性由注入載流子在“基區(qū)”被復(fù)合和保持動態(tài)平衡的弛豫時間所決定。因為半導(dǎo)體的弛豫時間很短，所以有較高的響應(yīng)頻率。鍺磁敏二極管的磁靈敏度截止頻率為2kHz，而硅管可達100kHz。磁敏三極管的主要特性3磁敏三極管磁敏三極管的伏安特性磁敏三極管的磁電特性磁敏三極管的溫度特性及其補償溫度會影響磁敏三極管的使用，實際使用時必須采用適當?shù)姆椒ㄟM行溫度補償。對于3ACM、3BCM等鍺磁敏三極管，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/℃；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6％/℃。所以，對于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通三極管來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。頻率特性載流子渡越基區(qū)的時間決定了長基區(qū)磁敏三極管的截止頻率。如3CCM型硅磁敏三極管對可變磁場的響應(yīng)時間約為0.4ms，截止頻率為2.5MHz；3BCM型鍺磁敏三極管對可變磁場的響應(yīng)時間為lms，截止頻率為1MHz左右。位移測量4磁敏式傳感器的應(yīng)用霍爾位移測量力（壓力）測量4磁敏式傳感器的應(yīng)用霍爾力傳感器磁敏三極管電位器4磁敏式傳感器的應(yīng)用無觸點電位器磁敏傳感器的發(fā)展4磁敏式傳感器的應(yīng)用（1）將硅集成電路技術(shù)應(yīng)用于磁敏傳感器，已經(jīng)出現(xiàn)了磁敏電阻電路、巨磁阻電路等多種功能性的集成磁傳感器。（2）InSb薄膜技術(shù)的開發(fā)成功，使霍爾器件及傳感器產(chǎn)量大增，成本大幅度下降。（3）強磁合金薄膜磁敏電阻器利用的是強磁合金薄膜中磁敏電阻各向異性效應(yīng)。（4）巨磁電阻多層膜的研究與開發(fā)。（5）雙芯多諧振蕩橋磁傳感器、非晶力矩傳感器、壓力傳感器、熱磁傳感器、非晶大巴克豪森效應(yīng)磁傳感器等。（6）Ⅲ－V族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)應(yīng)用。4710.3光纖傳感器及應(yīng)用1光纖的結(jié)構(gòu)2光纖傳感器的原理及分類3光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器是上個世紀70年代隨著光通技術(shù)發(fā)展而逐步形成的一門新技術(shù)，與傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)相比它具有不受電磁干擾、體積小、重量輕、可繞曲、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好便于微機連接和遙控。可應(yīng)用“位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)角、壓力、溫度、液位、流量、水聲、濁度、電流、磁場、電壓等物理量的測量。同時還能應(yīng)用于氣體(尤其是可燃性氣體)濃度等化學(xué)量的檢測，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也有廣闊的應(yīng)用前景。1光纖傳感器的結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)大多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。從結(jié)構(gòu)上看光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆,易斷裂,因此需要外加保護層，纖芯材料的主體是二氧化硅，里面摻極微量的其他材料，例如二氧化鍺、五氧化二磷等。2光纖傳感器的原理及分類光纖傳感器就是一種利用光纖反應(yīng)被測量變化關(guān)系的傳感器。當光纖受到一點很微小的外力作用時，就會產(chǎn)生微彎曲，而其傳光能力則會發(fā)生很大的變化。基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。（1）功能型傳感器功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制,使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化,再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào),從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是