傳感器第13章

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材傳傳 感感 器器（第第5版）版） 第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵時(shí)柵傳感器傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介第十三章第十三章傳感技術(shù)新發(fā)展傳感技術(shù)新發(fā)展普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材返回主目錄返回主目錄第十三章第十三章傳感技術(shù)新發(fā)展傳感技術(shù)新發(fā)展第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器一、原理及特點(diǎn)一、原理及特點(diǎn)MEMS(Micro Electric Mechanical System，MEMS)即為微機(jī)電系統(tǒng)，

2、即為微機(jī)電系統(tǒng)，一個(gè)完善的一個(gè)完善的MEMS，往往是集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和，往往是集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路，甚至接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)?？刂齐娐?，甚至接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。圖圖13-1 典型的典型的MEMS示意圖示意圖第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器MEMS傳感器具有一系列的優(yōu)點(diǎn)傳感器具有一系列的優(yōu)點(diǎn):1. 體積小，重量輕。體積小，重量輕。2. 能耗低。能耗低。3. 性能好。性能好。4. 易于批量生產(chǎn)，成本低。易于批量生產(chǎn)，成本低。5. 便于集成化和多功能化。便于集成化和多功能化。6. 提高傳感器的智能化水平。提高傳

3、感器的智能化水平。第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器二、加工技術(shù)二、加工技術(shù)硅具有極優(yōu)越的機(jī)械和電性能，因此微傳感器多由硅加工而成。硅具有極優(yōu)越的機(jī)械和電性能，因此微傳感器多由硅加工而成。主要的技工技術(shù)：主要的技工技術(shù)：1. 體微加工技術(shù)體微加工技術(shù)2. 表面微加工技術(shù)表面微加工技術(shù)3. 鍵合技術(shù)鍵合技術(shù)4. 光刻電鑄注塑技術(shù)光刻電鑄注塑技術(shù)(LIGA)第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器三、應(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例1. 熱電堆微傳感器熱電堆微傳感器熱電堆就是將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的一種溫度傳感器或紅外光熱電堆就是將多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的一種溫度傳感器或紅外光探測(cè)器。熱電堆的輸出電壓（輸出溫差電

4、動(dòng)勢(shì)）是多個(gè)熱電偶的輸出電探測(cè)器。熱電堆的輸出電壓（輸出溫差電動(dòng)勢(shì)）是多個(gè)熱電偶的輸出電壓之和。壓之和。為了提高靈敏度和響應(yīng)速度，熱電堆光電探測(cè)器往往采用薄膜來(lái)制為了提高靈敏度和響應(yīng)速度，熱電堆光電探測(cè)器往往采用薄膜來(lái)制作。作。熱電堆光電探測(cè)器通常都放置于真空中或者惰性氣體中。熱電堆光電探測(cè)器通常都放置于真空中或者惰性氣體中。第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器熱 電 偶 材 料 2黑 色 吸 收 體熱 電 偶 材 料 1膜 片熱 端冷 端圖圖13-2 熱電堆截面圖熱電堆截面圖引線熱敏電阻底座外殼黑色吸收體硅濾光窗圖圖13-3 熱電堆元件封裝圖熱電堆元件封裝圖第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器2

5、. 單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器圖圖13-4 單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)原理圖單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第一節(jié)第一節(jié) MEMS傳感器傳感器圖圖13-5 單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的制作工藝過(guò)程單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的制作工藝過(guò)程背面光刻KOH腐蝕正面光刻KOH腐蝕氣隙Si質(zhì)量梁支撐SiO2硅第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

6、一、一、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 匯聚節(jié)點(diǎn) 互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、 公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、WLAN 等 服務(wù)器 用戶訪問(wèn)管理 無(wú)線網(wǎng)關(guān) 監(jiān)測(cè)區(qū)域 傳感器節(jié)點(diǎn) 互聯(lián)網(wǎng) 圖圖13-6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)第十三章第十三章傳感技術(shù)新發(fā)展傳感技術(shù)新發(fā)展第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊用于信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與控制傳感器模塊用于信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，處理器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)各部分的工作，無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)交換控制消節(jié)點(diǎn)內(nèi)各部分的工作，無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)

7、行所需的能量。息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。圖圖13-7 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 上層應(yīng)用 物理層 傳輸控制 路由 數(shù)據(jù)鏈接 定位 時(shí)間同步 能量 安全 移動(dòng) 網(wǎng)絡(luò)管理 拓?fù)?QoS 圖圖13-8 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)二、二、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其節(jié)點(diǎn)的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其節(jié)點(diǎn)的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力有限，其設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是能量的高效利用，也是其區(qū)別與其他無(wú)線網(wǎng)有限，其設(shè)計(jì)的首

8、要目標(biāo)是能量的高效利用，也是其區(qū)別與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的根本特征。絡(luò)的根本特征。1.能量資源有限能量資源有限2.硬件資源有限硬件資源有限3.無(wú)中心無(wú)中心4. 自組織自組織5.多跳路由多跳路由6.動(dòng)態(tài)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)拓?fù)?. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量多節(jié)點(diǎn)數(shù)量多8.可靠性可靠性第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三、三、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響其性能和實(shí)用性，下面僅介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響其性能和實(shí)用性，下面僅介紹部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)。部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制2. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議3. 時(shí)間同步和目標(biāo)定位時(shí)間同步和目標(biāo)定位4. 硬件平臺(tái)硬

9、件平臺(tái)5. 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)四、四、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)微小、價(jià)格低廉、部署方便、隱蔽性高、可自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)微小、價(jià)格低廉、部署方便、隱蔽性高、可自主組網(wǎng)，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、智能交通和主組網(wǎng)，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、智能交通和倉(cāng)儲(chǔ)物流等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。倉(cāng)儲(chǔ)物流等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。1. 軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用2. 健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用3. 環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境監(jiān)測(cè)此外，在智能家居、智能交通、智能電網(wǎng)、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)等此外，在智能家居、智能交通、

10、智能電網(wǎng)、智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都開展了研究和技術(shù)推廣。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，將更領(lǐng)域都開展了研究和技術(shù)推廣。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，將更多地應(yīng)用于人類生活和社會(huì)各個(gè)方面。多地應(yīng)用于人類生活和社會(huì)各個(gè)方面。第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器是由我國(guó)科技人員發(fā)明的一種位移傳感器，它將空間位時(shí)柵傳感器是由我國(guó)科技人員發(fā)明的一種位移傳感器，它將空間位移轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)空間位移的測(cè)量，具備時(shí)間測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。移轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)空間位移的測(cè)量，具備時(shí)間測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。一、測(cè)量原理一、測(cè)量原理圖圖13-9 時(shí)柵傳感器測(cè)量原理時(shí)柵傳感器測(cè)量原理Vvxb S 靜止參考系（大地） Sa

11、0第十三章第十三章傳感技術(shù)新發(fā)展傳感技術(shù)新發(fā)展第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器在時(shí)刻在時(shí)刻Tbi被測(cè)點(diǎn)被測(cè)點(diǎn)b與參考點(diǎn)與參考點(diǎn)a之間沿圓周的位移之間沿圓周的位移x可以通過(guò)瞬時(shí)時(shí)刻可以通過(guò)瞬時(shí)時(shí)刻Tbi和和Tai之間的時(shí)間差反映出來(lái)之間的時(shí)間差反映出來(lái)式中式中Ti=Tbi-TaiS第第i次掃描到參考點(diǎn)次掃描到參考點(diǎn)b和被測(cè)和被測(cè)a點(diǎn)的時(shí)間之差，點(diǎn)的時(shí)間之差，i=1,2,3,。時(shí)間差時(shí)間差Ti可以用周期為可以用周期為t的高頻時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)的高頻時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)nt來(lái)表示，則公式來(lái)表示，則公式可表示為可表示為ixV T)(VtntVTVxti第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器二、磁場(chǎng)式時(shí)柵傳感器二、

12、磁場(chǎng)式時(shí)柵傳感器根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，又分為圓時(shí)柵和直線時(shí)柵兩大類，前者用于根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，又分為圓時(shí)柵和直線時(shí)柵兩大類，前者用于測(cè)量角位移，后者用于測(cè)量直線位移。測(cè)量角位移，后者用于測(cè)量直線位移。（一）工作原理（一）工作原理 A Z B C X x M V O Y 2 1 a b v 3 iA=Imsint iC=Imsin(t-240) iB=Imsin(t-120) A B C X Z Y 1定子定子 2定測(cè)頭定測(cè)頭b 3動(dòng)測(cè)頭動(dòng)測(cè)頭a圖圖13-10 圓時(shí)柵示意圖圓時(shí)柵示意圖第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器1定尺定尺 2定測(cè)頭定測(cè)頭b 3動(dòng)測(cè)頭動(dòng)測(cè)頭a圖圖13-11 直線時(shí)柵示意圖直

13、線時(shí)柵示意圖第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器(二二)信號(hào)處理方式信號(hào)處理方式圓時(shí)柵通過(guò)檢測(cè)動(dòng)、定測(cè)頭信號(hào)正向過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角位圓時(shí)柵通過(guò)檢測(cè)動(dòng)、定測(cè)頭信號(hào)正向過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移的測(cè)量，信號(hào)處理電路如圖移的測(cè)量，信號(hào)處理電路如圖13-12a所示。所示。圖圖13-12a 時(shí)柵信號(hào)處理電路時(shí)柵信號(hào)處理電路第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器ua和和ub首先接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為兩路方波信號(hào)首先接入整形電路處理，轉(zhuǎn)換為兩路方波信號(hào)Pa和和Pb，其信號(hào)，其信號(hào)關(guān)系如圖關(guān)系如圖13-12b所示，再將所示，再將Pa和和Pb輸入數(shù)字電路進(jìn)行處理，得到兩路信輸入數(shù)字電路進(jìn)行處理，得到兩路信號(hào)

14、上升沿的時(shí)間差號(hào)上升沿的時(shí)間差Ti和信號(hào)和信號(hào)Pb的周期的周期T，利用高頻時(shí)鐘插補(bǔ)得到，利用高頻時(shí)鐘插補(bǔ)得到Ti和和T，其中其中T用于計(jì)算磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度用于計(jì)算磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度V。微處理器根據(jù)式。微處理器根據(jù)式(13-1)計(jì)算處理后得計(jì)算處理后得到兩測(cè)頭之間的角位移到兩測(cè)頭之間的角位移x。圖圖13-12 b 時(shí)柵信號(hào)關(guān)系圖時(shí)柵信號(hào)關(guān)系圖第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器（三）特點(diǎn)（三）特點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量和高分辨力。容易實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量和高分辨力。抗干擾能力強(qiáng)，適用范圍廣?？垢蓴_能力強(qiáng)，適用范圍廣。對(duì)制造設(shè)備和加工工藝的要求低。對(duì)制造設(shè)備和加工工藝的要求低。第三節(jié)第三節(jié) 時(shí)柵傳感器時(shí)柵傳感器三、

15、應(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例1轉(zhuǎn)臺(tái)基體轉(zhuǎn)臺(tái)基體 2支架支架 3圓時(shí)柵定子圓時(shí)柵定子 4伺服電機(jī)伺服電機(jī) 5圓時(shí)柵動(dòng)測(cè)頭圓時(shí)柵動(dòng)測(cè)頭 6密封件密封件 7端蓋端蓋圖圖13-13 大尺寸中空數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)大尺寸中空數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介圖圖13-14 紅外熱像儀組成紅外熱像儀組成一、紅外熱像儀一、紅外熱像儀1. 工作原理工作原理第十三章第十三章傳感技術(shù)新發(fā)展傳感技術(shù)新發(fā)展第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介2. 分類分類根據(jù)工作溫度不同可分為低溫傳感器根據(jù)工作溫度不同可分為低溫傳感器(需用液氮、氖、氮致冷需用液氮、氖、氮致冷)、中溫、中溫傳感器傳感器(195-200k)和室溫傳感

16、器；和室溫傳感器；根據(jù)響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外傳感器；根據(jù)響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外傳感器；根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，可分為元型根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，可分為元型(單元單元)傳感器、多元陣列傳感器、多元陣列(鑲嵌鑲嵌)傳感器傳感器和成像傳感器；根據(jù)探測(cè)過(guò)程的機(jī)理，可分為熱敏傳感器和量子傳感器。和成像傳感器；根據(jù)探測(cè)過(guò)程的機(jī)理，可分為熱敏傳感器和量子傳感器。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介(1) 量子型紅外傳感器和熱型紅外傳感器量子型紅外傳感器和熱型紅外傳感器前者機(jī)理為敏感材料吸收紅外線的光量子能量，材料被激勵(lì)而釋放前者機(jī)理為敏感材料吸收紅外線的光量子能量，材料被激勵(lì)而

17、釋放電子，使材料電阻驟然減少，載流子而形成載有信號(hào)的電子流。電子，使材料電阻驟然減少，載流子而形成載有信號(hào)的電子流。后者利用被測(cè)物體熱輻射引起的敏感元件溫度變化，從而導(dǎo)致電阻后者利用被測(cè)物體熱輻射引起的敏感元件溫度變化，從而導(dǎo)致電阻或電動(dòng)勢(shì)、表面電荷密度等變化進(jìn)行測(cè)量的器件。或電動(dòng)勢(shì)、表面電荷密度等變化進(jìn)行測(cè)量的器件。(2) 光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)前者采用單元或多元前者采用單元或多元(元數(shù)有元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多甚至更多)光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探

18、測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介2. 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例圖圖13-15所示為所示為InfraTec公司生產(chǎn)的紅外熱像儀及其顯示結(jié)果，其紅公司生產(chǎn)的紅外熱像儀及其顯示結(jié)果，其紅外圖像解析度最高為外圖像解析度最高為1280X960像素，光譜范圍像素，光譜范圍7.514nm，熱靈敏度為，熱靈敏度為0.04，量程，量程-401200，在，在0100范圍內(nèi)內(nèi)測(cè)量誤差小于范圍內(nèi)內(nèi)測(cè)量誤差小于1.5，最高，最高采集速率為采集速率為60Hz。功耗小于。功耗小于3.5W，

19、因此無(wú)需制冷設(shè)備。，因此無(wú)需制冷設(shè)備。圖圖13-15 紅外熱像儀紅外熱像儀第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介圖圖13-17 紅外熱像儀診斷圖像紅外熱像儀診斷圖像圖圖13-16 電路故障診斷電路故障診斷第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介二、超導(dǎo)傳感器二、超導(dǎo)傳感器超導(dǎo)傳感器將超導(dǎo)體用于傳感器的敏感元件部分，將被測(cè)量如紅外超導(dǎo)傳感器將超導(dǎo)體用于傳感器的敏感元件部分，將被測(cè)量如紅外線、可見光、微波、磁場(chǎng)、溫度等的變化轉(zhuǎn)換為超導(dǎo)體電特性的變化，線、可見光、微波、磁場(chǎng)、溫度等的變化轉(zhuǎn)換為超導(dǎo)體電特性的變化，從而完成測(cè)量。從而完成測(cè)量。1. 超導(dǎo)紅外傳感器超導(dǎo)紅外傳感器更寬的響應(yīng)波段范圍。

20、更寬的響應(yīng)波段范圍。在紅外和可見光系統(tǒng)難以工作的霧、煙、塵環(huán)境中在紅外和可見光系統(tǒng)難以工作的霧、煙、塵環(huán)境中,可繼續(xù)正常工可繼續(xù)正常工作。作。列陣器件適合紅外熱成像系統(tǒng)。列陣器件適合紅外熱成像系統(tǒng)。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介2. 超導(dǎo)可見光傳感器超導(dǎo)可見光傳感器超導(dǎo)可見光傳感器多用超導(dǎo)陶瓷材料制成。若將絕緣薄膜夾置于兩超導(dǎo)可見光傳感器多用超導(dǎo)陶瓷材料制成。若將絕緣薄膜夾置于兩不同超導(dǎo)陶瓷之間，即使不加電壓也會(huì)有電流從超導(dǎo)陶瓷不同超導(dǎo)陶瓷之間，即使不加電壓也會(huì)有電流從超導(dǎo)陶瓷1流向超導(dǎo)陶瓷流向超導(dǎo)陶瓷2。該現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫遜結(jié)。該現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)

21、稱為約瑟夫遜結(jié)。若有光子入射，則在約瑟夫遜結(jié)中的電流也將發(fā)生變化。因此，通若有光子入射，則在約瑟夫遜結(jié)中的電流也將發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)量電流變化，可以檢測(cè)光信號(hào)大小，這就是可見光超導(dǎo)傳感器工作過(guò)測(cè)量電流變化，可以檢測(cè)光信號(hào)大小，這就是可見光超導(dǎo)傳感器工作原理。原理。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介3. 超導(dǎo)微波傳感器超導(dǎo)微波傳感器微波是波長(zhǎng)為微波是波長(zhǎng)為1m1mm的電磁波。的電磁波。特點(diǎn)：遇到各種障礙物易于反射；傳輸過(guò)程中受煙、火焰、灰特點(diǎn)：遇到各種障礙物易于反射；傳輸過(guò)程中受煙、火焰、灰塵、強(qiáng)光等的影響很?。唤橘|(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。塵、強(qiáng)光等的影響很??；介質(zhì)對(duì)微波

22、的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。以上特點(diǎn)構(gòu)成了微波檢測(cè)的基礎(chǔ)。以上特點(diǎn)構(gòu)成了微波檢測(cè)的基礎(chǔ)。原理：將絕緣薄膜夾置于兩超導(dǎo)體之間，即構(gòu)成了隧道結(jié)；若兩超原理：將絕緣薄膜夾置于兩超導(dǎo)體之間，即構(gòu)成了隧道結(jié)；若兩超導(dǎo)體之間存在電勢(shì)差，則在隧道結(jié)中產(chǎn)生電流。當(dāng)隧道結(jié)受到微波輻射導(dǎo)體之間存在電勢(shì)差，則在隧道結(jié)中產(chǎn)生電流。當(dāng)隧道結(jié)受到微波輻射時(shí)，其電流時(shí)，其電流電壓特性改變。因此，可以利用這個(gè)特性檢測(cè)微波，而且電壓特性改變。因此，可以利用這個(gè)特性檢測(cè)微波，而且具有超高靈敏性能，一般將用于測(cè)頻率為具有超高靈敏性能，一般將用于測(cè)頻率為10THz的微波信號(hào)。的微波信號(hào)。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介4

23、. 超導(dǎo)磁場(chǎng)傳感器超導(dǎo)磁場(chǎng)傳感器 超導(dǎo)環(huán) B0 Is B=0 圖圖13-18 超導(dǎo)磁場(chǎng)傳感器原理圖超導(dǎo)磁場(chǎng)傳感器原理圖當(dāng)超導(dǎo)環(huán)受到磁場(chǎng)作用時(shí)，當(dāng)超導(dǎo)環(huán)受到磁場(chǎng)作用時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)電流排斥磁場(chǎng)，超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)電流排斥磁場(chǎng)，環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)為零。超導(dǎo)電流環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)為零。超導(dǎo)電流Is只與只與外磁場(chǎng)強(qiáng)度外磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比。若測(cè)量出成正比。若測(cè)量出Is值的大小，則可確定磁場(chǎng)強(qiáng)度值的大小，則可確定磁場(chǎng)強(qiáng)度B值。須指出，電流值。須指出，電流Is并不與外并不與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度加磁場(chǎng)強(qiáng)度B有嚴(yán)格的正比關(guān)系，有嚴(yán)格的正比關(guān)系，而與磁通（而與磁通（ =B S）成正比，其）成正比，其中中S為超導(dǎo)環(huán)的面積。為超導(dǎo)環(huán)的面積。第四節(jié)第四節(jié) 其它傳感器簡(jiǎn)介其它傳感器簡(jiǎn)介5. 超導(dǎo)溫度傳感器超導(dǎo)溫度傳感器在低溫工程和低溫物理的研究中，常常會(huì)遇到測(cè)量精度要求較高和在低溫工程和低溫物理的研究中，常常會(huì)遇到測(cè)量精度要求較高和時(shí)間響應(yīng)小的場(chǎng)合，超導(dǎo)溫度傳感器可滿足此類要求。時(shí)間響應(yīng)小的場(chǎng)合，超導(dǎo)溫度傳感器可滿足此類要求。超導(dǎo)材料的電阻值從常導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)的過(guò)程是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完超導(dǎo)材料的電阻值從常導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)的過(guò)程是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的，該溫度范圍稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域。超導(dǎo)材料電阻的變化可用電成的，該溫度范圍稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域。超導(dǎo)材料電阻的