1、第7章 其他传感器技术,第7章 其他传感器技术,7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介,红外技术在军事、工农业生产、医学、科学研究等方面的应用得到了快速的发展，红外技术的应用几乎普遍化，例如军事上的热成像系统、搜索跟踪系统、红外警戒系统，天文学上基于红外线的天体演化研究，医学上的红外诊断和辅助治疗，工农业生产中的温度探测及红外烘干等等。,7.1 红外传感器,7.1 红外传感器,7.1.1 红外检测的物理基础,红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。它的波长范围大致在0.761000m，工程上又把红外线所占据的波段分为近红外、中红外、远红外和极远红外。,除了太
2、阳能辐射红外线外，自然界任何物体只要它本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光，而且物体温度越高，发射的红外辐射能越多。物体在向周围发射红外辐射能的同时，也吸收周围物体发射的红外辐射能。由于各种物质内部的原子分子结构不同，它们所发射出的辐射频率也不相同，这些频率所覆盖的范围也即称为红外光谱。由实验可知，物体辐射的电磁波中，其峰值幅射波长m与物体自身的绝对温度T成反比，即有：,m=2897/T (m) （7-1）,7.1.1 红外检测的物理基础,图7-2为不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了峰值辐射波长m与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着温度的升高其峰值波长向短波方向移动。,7
3、.1.1 红外检测的物理基础,7.1.2 红外探测（传感）器,主动式,被动式,利用红外辐射源对被测物进行辐射，通过被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，物体自身或红外光将发生变化。,被测物本身就是红外辐射源，检测其红外辐射能实现温度测量，或通过物体各个点辐射能大小生成的热像图，进行无损探伤等。,凡是能把红外辐射量转变成另一种便于测量的物理量（如电量等）的器件都可称为红外探测器。红外检测从原理上可分为主动式和被动式两种。,红外检测系统,无论是利用物体的红外辐射特性还是物体对红外的反射、吸收、透射等来实现红外检测，构成的检测系统中一般包含有红外源、传输红外的光学系统和接收红外的探测器，以及信号调理
4、等组成部分。红外探测器是红外传感器或红外检测的核心，是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。,探测器的基本类型,热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量相关物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。根据吸收红外辐射能后探测器物理参数的变化，可以将热探测器分为四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。其中，热释电型探测器探测率最高，频率响应最宽，也是目前用得最广的红外传感器。,热探测器,1,探测器的基本类型,利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常见的光子效应有外光电效应、光生
5、伏特效应、光电磁效应、光电导效应。相应的，光探测器主要包括，利用外光电效应而制成的光电子发射探测器；利用内光电效应制成的光电导探测器；利用阻挡层光电效应制成的光生伏特探测器；利用光磁电效应制成的光磁探测器。,光探测器,2,热探测器不需要冷却,热探测器对各种波长都能响应,热探测器响应时间比光子探测器长,热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关,热探测器的特点,探测器的基本类型,红外检测技术的应用,从红外检测原理知，利用红外的反射、透射、吸收特性可实现气体成分分析、厚度测量、无损探伤等，利用其辐射特性，可检测辐射体的温度，或建立红外报警系统。,7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感
6、器7.4 传感新技术简介,第7章 其他传感器技术,7.2 超声波传感器,超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础、在各行各业都得到使用的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声检测、超声探伤和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。,7.2 超声波传感器,7.2.1 超声检测的物理基础,振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在162104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2104Hz的机械波，称为超声波，如图7-3所示。频率在310831011Hz之间的波，称为微波
7、。,纵波,横波,表面波,质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播,质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体介质中传播,质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播,超声波的波形及其传播速度,超声波的波形及其传播速度,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在074时，声速随温度的升高而增加，在74时达到最大值，大于74后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声
8、速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为9001900m/s。,波的反射和折射,声波从一种介质传播到另一种介质时，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称为声波的反射和折射。如图7-4所示。,（7-2）,波型的转换,当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图7-5所示。,式中，为入射角，1、 2为纵波与横波的反射角， 、 为纵波与横波的折射角； cL、cL1、cL2分别为入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度，cs1、cs2分别为反射介质与折
9、射介质内的横波速度。 如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和表面波。（1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在 （2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。,各种波型均符合几何光学中的反射定律：,（7-3）,波型的转换,式中，P0、I0分别为声源处的声压和声强，P、I分别为距声源处的声压和声强，为衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。在平面波的情况下，距离声源处的声压和声强的衰减规律如下：,超声波的衰减,（7-4）,（7-5）,超声波检测中，首先要把超声波发射出去，然后再把
10、超声波接收回来，变换成电信号，完成这一工作的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。 超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。,7.2.2 超声波传感器及应用,超声波探头,1,超声波探头,图7-6为压电式探头结构图，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。,超声波检测技术的应用,穿透法探伤,反射法（脉冲回波法）探伤,根据超声波穿透工件后，能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。,根据声波在工件中反射的情况不同而探测工件内部的情形。,7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介,第7章 其他传
11、感器技术,7.3 光纤传感器,光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,7.3 光纤传感器,7.3.1 光纤传感器基础,如图7-8所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套以增加机械强度。,光纤结构及传光原理,设有一段光纤，它的两个端面均为光滑的平面，如图7-9所示。当光线射入一个端面并与光纤轴线成i角
12、时，在端面发生折射进入光纤后，又以i角入射至纤芯与包层的界面，这时光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。,当入射角 i小于临界角 c时，光线就不会透射出界面，而全部被反射。这就是光纤传光的工作基础。,依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有,光纤结构及传光原理,(7-6),(7-7),若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，由式（7-7）可有：,(7-8),(7-11),光纤的分类,阶跃型和梯度型光纤,多模光纤和单模光纤,阶跃型光纤：纤芯的折射率分布均匀，不随半径而变化；梯度型光纤：纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。,通常纤芯直径较粗时，能传播几百个
13、以上的模，而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。,7.3.2 光纤传感器,光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。,光纤传感器的分类,光纤传感器的应用,光纤角速度传感器，又名光纤陀螺，它是一种由单模
14、光纤做光通路的萨格奈克（Sagnac）干涉仪。该干涉仪由光源、分束板、反射镜和光纤环组成。光在A点入射，并被分束板分成等强的两束。反射光a进入光纤环沿着圆形环路逆时针方向传播。透射光b被反射镜反射回来后又被分束板反射，进入光纤环沿着圆形环路顺时针方向传播。这两束光绕行一周后，又在分束板处汇合。,其中l=2R，表示光纤环的周长。相位差与干涉条纹的光强之间存在确定的函数关系，通过用光电检测器对干涉条纹光强进行检测，可以实现对旋转角速率的测量。,两束光的光程差L与输入角速度成正比。通过测量两束光之间的相位差即相移即可获得被测角速度。两束光之间的相移为：,光纤传感器的应用,（7-23）,7.1 红外传
15、感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介,第7章 其他传感器技术,7.4 传感新技术简介,7.4.1 微波传感器,微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有电磁波的性质。基于微波而发展起来的微波传感器是继超声波、激光、红外等传感器之后的一种非接触式传感器。它不仅用于无线通讯，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的应用。微波是波长为1m1mm的电磁波。可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同。,微波的特点,遇到各种障碍物易于反射,可定向辐射微波的装置容易制造,绕射能力差,传输特性好,介质对微波的吸收与介电常数成比
16、例,7.4.1 微波传感器,微波传感器分类,反射式微波传感器,遮断式微波传感器,反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来检测被测物的位置、厚度等参数。,遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置、厚度与含水量等参数。,微波传感器的应用,微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行厚度测量的。如图7-11所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。,一
17、般情况，微波传输过程的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经检波器C检波后，输出为零；若两臂行程长度不同，则两路微波因相位角不同，经叠加后不能相互抵消，经检波器检波后便有不平衡信号输出。,微波传感器的应用,(7-24),7.4.2 核辐射传感器,核辐射传感器是核辐射检测仪表的重要组成部分，它是利用放射性同位素在蜕变成另一元素时发出射线这一特性来进行相关物理量的检测。利用核辐射可以精确、迅速地检测各种参数，如线位移、角位移、转速、液位、材料的成分、厚度以及覆盖层厚度等的检测，核辐射检测具有非接触、无损检测
18、等优点，特别在无损探伤等方面具有重要的应用。,7.4.3 生物传感器,生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的、用以检测与识别生物体内的化学成分及其变化的传感器。生物或生物物质主要指酶、微生物、抗体等。生物传感器由生物敏感膜和变换器构成，被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，利用相应的变换器将其转换成量化的、可传输和处理的电信号。,生物传感器的分类,按所用生物活性物质的不同，可以将生物传感器分为五大类，即：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器和细胞传感器。依据所用变换器器件的不同，可将生物传感器分为：生
19、物电极、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器和介体生物传感器。,生物活性材料固定化技术,使用生物材料作生物敏感膜，必须研究如何使生物活性材料固定在载体（或称基质）上，这种结合技术称为固定化技术。在研制传感器时，关键是把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。常用的载体有三大类：（1）丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子；（2）胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等天然高分子；（3）陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物。,生物活性材料固定化技术,将生物活性材料封闭在双层滤膜之间，形象地称为夹心法。此方法操作简单，不需要任何化学处理，固定生物量大，响应速度快，重复性好。,夹心法
20、,共价连接法,交联法,吸附法,包埋法,生物活性材料固定化技术,用非水溶性固相载体物理吸附或离子结合，使蛋白质分子固定化的方法。载体种类较多，如活性炭、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。,夹心法,共价连接法,交联法,吸附法,包埋法,生物活性材料固定化技术,把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。此方法一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小。缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较困难。,夹心法,共价连接法,交联法,吸附法,包埋法,生物活性材料固定化技术,使生物活性分子通过共价键与固相载体结合的方法。此方法结合牢固，生物活性分子不易脱落，载体不易被生物降解，使用寿命长。缺点
21、是固定化麻烦，酶活性可能因发生化学修饰而降低。,夹心法,共价连接法,交联法,吸附法,包埋法,生物活性材料固定化技术,依靠双功能团试剂使蛋白质结合到惰性载体或蛋白质分子彼此交联成网状结构。这种方法广泛用于酶膜和免疫分子膜制作，操作简单，结合牢固。,夹心法,共价连接法,交联法,吸附法,包埋法,生物传感器的应用,酶传感器是由酶敏感膜和化学器件构成的，利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。葡萄糖酶传感器的敏感膜为葡萄糖氧化酶，它固定在聚乙烯酰胺凝胶上，其电化学器件为阳电极Pt和阴电极Pb，中间溶液为强碱溶液，并在阳电极表面覆盖一层透氧气的聚四氟乙烯膜，形成封闭式氧电极。,生物传感器的应用,当测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而产生耗氧（过氧化氢H2O2），通过选择性透气膜，H2O2在Pt电极上氧化，产生阳极电流。该阳极电流与葡萄糖含量成正比，由此便可以测量出葡萄糖溶液的浓度。,
