新型傳感器技術(shù)以及應(yīng)用

新型傳感器技術(shù)以及應(yīng)用姓名：葉斯布力學(xué)號(hào)：5131109051摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新效應(yīng)、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(jìn)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?qū)嵱没膫鞲衅?。相?duì)于傳統(tǒng)傳感器，新型傳感器技術(shù)含量高、功能強(qiáng)，涵蓋傳統(tǒng)傳感器較少涉及的領(lǐng)域。了解和學(xué)習(xí)這些新型傳感器有利于掌握新知識(shí)、新工藝，新材料和新應(yīng)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(dǎo)纖維傳感器、圖像傳感器以及它們的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：新型傳感器；光纖傳感器；新型傳感器技術(shù)在信息時(shí)代里，隨著各種系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和復(fù)雜性的增加需要獲取的信息量越來越大，不僅對(duì)傳感器的精度可靠性和響應(yīng)要求越來越高。還要求傳感器有標(biāo)準(zhǔn)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(shù)發(fā)展必然趨勢(shì)。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(diǎn)已在電力通信網(wǎng)中占主導(dǎo)地位。目前采用分布式光纖傳感器進(jìn)行溫度與應(yīng)變的測(cè)量在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)采用分布式光纖傳感器對(duì)高壓電力線在線測(cè)溫對(duì)建筑，堤壩，橋梁，進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量等，也受到了廣泛的關(guān)注。首先簡(jiǎn)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(chǎng)中其長(zhǎng)度和體積會(huì)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(yīng)。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(yīng)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(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)電壓低、體積小、不易老化等特點(diǎn)。與電致伸縮的壓電陶瓷不同之處是，它的勵(lì)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(cè)量、聲納、超聲加工、激振器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(jì),<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(hào)處理單元、不銹鋼保護(hù)套管等部分組成，具有可靠性強(qiáng)、耐腐蝕、安裝方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在石油、化工、制藥、食品、飲料等各種液罐的液位計(jì)量和控制。磁致伸縮液位傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(qiáng)電流脈沖信號(hào)（每秒10個(gè)）給磁致伸縮線，作為起始脈沖，并開始計(jì)時(shí)。脈沖電流沿磁致伸縮線向下流動(dòng)，根據(jù)右手定律，該電流將在磁致伸縮線四周產(chǎn)生場(chǎng)，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(chǎng)相互作用，形成脈動(dòng)磁場(chǎng)，磁致伸縮線在脈動(dòng)磁場(chǎng)的作用下，由于磁致伸縮效

應(yīng)，使磁致伸縮線產(chǎn)生扭動(dòng)，并產(chǎn)生扭應(yīng)力波。這個(gè)扭應(yīng)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(dá)液位計(jì)頂端的回波信號(hào)處理單元。在回波信號(hào)處理單元中，磁致伸縮線的扭動(dòng)使信號(hào)檢出線圈與磁鐵3之間的磁阻產(chǎn)生脈動(dòng)變化，在磁鐵3磁場(chǎng)的作用下，檢出線圈兩端感應(yīng)出脈沖電流，作為終止脈沖。通過測(cè)量起始脈沖與終止脈沖之間的時(shí)間t，產(chǎn)生圖c中的PWM寬度脈沖，再乘以扭應(yīng)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(cè)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(huì)產(chǎn)生一系列的物理或化學(xué)效應(yīng)，例如植物的光合作用，化學(xué)反應(yīng)中的催化作用，人眼的感光效應(yīng)，取暖時(shí)的光熱效應(yīng)以及光照射在光電元件上的光電效應(yīng)等。光電傳感器（PhotoelectricTransducer）是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。使用這種傳感器測(cè)量其他非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時(shí)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。此種測(cè)量方法具有反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，故在非電量檢測(cè)中應(yīng)用較廣。本章簡(jiǎn)單介紹光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性，著重介紹光電傳感器的各種應(yīng)用。光電傳感器屬于非接觸式測(cè)量，目前越來越多地用于生產(chǎn)的各領(lǐng)域。依被測(cè)物、光源、光電元件三者之間的關(guān)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(cè)物，被測(cè)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(jì)、光照度計(jì)、照相機(jī)曝光量控制等。2） 恒光源發(fā)射的光通量穿過被測(cè)物，一部分由被測(cè)物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測(cè)物的某些參數(shù)，如圖1025b所示，典型例子如透明度計(jì)、濁度計(jì)等。3） 恒光源發(fā)出的光通量投射到被測(cè)物上，然后從被測(cè)物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)速、測(cè)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(dá)光電元件的途中遇到被測(cè)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(cè)物的尺寸，如圖1025d所示。典型的例子如振動(dòng)測(cè)量、工件尺寸測(cè)量等。0 d)圖m-25光電傳感器的兒種形式光纖傳感器技術(shù)的應(yīng)用光纖傳感器的定義很簡(jiǎn)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(jì)70年代中期，人們開始意識(shí)到光纖可以用來交換信息，無需任何中間級(jí)就能把待測(cè)量和光纖內(nèi)的光導(dǎo)聯(lián)系起來。自1977年美國(guó)海軍研究所開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計(jì)劃以來，光纖傳感器的概念在全世界許多實(shí)驗(yàn)室里變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。隨著工作傳感器的研制，國(guó)際間的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)日益增多。從1983年起，國(guó)際光纖傳感器會(huì)議定期召開。光纖傳感器如此引人注目，主要是因?yàn)樗幸着c高度發(fā)展的電子裝置匹配的優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器的基礎(chǔ)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(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光互相作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)(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(hào)光，信號(hào)光再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器、調(diào)解器而獲得被測(cè)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(qiáng)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(cè)量對(duì)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(yīng)用中的特例，更一般的情況是采用調(diào)制器來對(duì)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(yùn)動(dòng)或調(diào)制光的偏振態(tài)光強(qiáng)度遮擋等來對(duì)光纖中所傳輸?shù)墓膺M(jìn)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(duì)光的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制的。使用中把晶體放在被測(cè)電壓（或電場(chǎng)）中，在被測(cè)電壓的電場(chǎng)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(yīng)）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(duì)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(xué)方法測(cè)出這種線性雙折射的大小）輸送到檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置檢測(cè)出結(jié)果，并根據(jù)電壓和這種變化信息的關(guān)系輸出所對(duì)應(yīng)的具體電壓值，從而求出被測(cè)電壓（或電場(chǎng)）的數(shù)值。強(qiáng)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(qiáng)度型光纖傳感器。反射式光纖位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、性能穩(wěn)定、造價(jià)低廉、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和I：作原理

（a）結(jié)構(gòu)筒圖；（bJI：作原理電化學(xué)傳感器技術(shù)氣體傳感器原理與應(yīng)用氣體傳感器是一種電化學(xué)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(gè)電極構(gòu)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(fù)在一透氣但是憎水的膜上作成。被測(cè)量的氣體擴(kuò)散透過多孔的膜在其上進(jìn)行電化學(xué)氧化或還原反應(yīng)。其反應(yīng)的性質(zhì)依工作電極的熱力學(xué)電位和分析氣體的電化學(xué)（氧化還原）性質(zhì)而定。電化學(xué)反應(yīng)中參加反應(yīng)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(hào)。為了氧化還原反應(yīng)得以進(jìn)行，工作電極的熱力學(xué)電位是一個(gè)極為重要的因素?；鶞?zhǔn)電極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(xué)電位而設(shè)?；鶞?zhǔn)電極通常需要保護(hù)使之不暴露于樣氣中，這樣基準(zhǔn)電極的熱力學(xué)電位就總是具有同一數(shù)值并且保持穩(wěn)定。此外，基準(zhǔn)電極不允許有電流通過（否則將改變電位值）。測(cè)量電極只是一個(gè)完整的電化學(xué)電池所需要的第二電極，它的作用主要是允許電子進(jìn)入或流出電解液。

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