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1、第 7章 其他傳感器技術(shù) 第 7章 其他傳感器技術(shù) 7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡介 紅外技術(shù)在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、 科學(xué)研究等方面的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展， 紅外技術(shù)的應(yīng)用幾乎普遍化，例如軍事上的 熱成像系統(tǒng)、搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外警戒系統(tǒng)， 天文學(xué)上基于紅外線的天體演化研究，醫(yī)學(xué) 上的紅外診斷和輔助治療，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的 溫度探測及紅外烘干等等。 7.1 紅外傳感器 7.1.1 紅外檢測的物理基礎(chǔ) 7.1.2 紅外探測（傳感）器 7.1 紅外傳感器 7.1.1 紅外檢測的物理基礎(chǔ) 紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光。它 的波長范圍大致在 0.

2、76 1000m，工程上又把 紅外線所占據(jù)的波段分為 近紅外、中紅外、遠紅 外 和 極遠紅外 。 除了太陽能輻射紅外線外，自然界任何物體只要它本身具 有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光，而且物 體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多。物體在向周圍發(fā)射 紅外輻射能的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能。 由于各種物質(zhì)內(nèi)部的原子分子結(jié)構(gòu)不同，它們所發(fā)射出的 輻射頻率也不相同，這些頻率所覆蓋的范圍也即稱為紅外 光譜。由實驗可知， 物體輻射的電磁波中，其峰值幅射波 長 m與物體自身的絕對溫度 T成反比 ，即有： m=2897/T (m) （ 7-1） 7.1.1 紅外檢測的物理基礎(chǔ) 圖 7-2為不同

3、溫度的光譜輻射分布曲線，圖中虛線表示了峰 值輻射波長 m與溫度的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，隨著 溫度的升高其峰值波長向短波方向移動。 7.1.1 紅外檢測的物理基礎(chǔ) 7.1.2 紅外探測（傳感）器 主動式 被動式 利用紅外輻射源對被測物進行輻射，通過被測物對紅 外光進行吸收、反射和透射后，物體自身或紅外光將 發(fā)生變化。 被測物本身就是紅外輻射源，檢測其紅外輻射能實 現(xiàn)溫度測量，或通過物體各個點輻射能大小生成的 熱像圖，進行無損探傷等。 凡是能把紅外輻射量轉(zhuǎn)變成另一種便于測量的物理量（如 電量等）的器件都可稱為紅外探測器。 紅外檢測從原理上可分為 主動式 和 被動式 兩種。 紅外檢測系統(tǒng) 無論是

4、利用物體的紅外輻射特性還是物體對 紅外的反射、吸收、透射等來實現(xiàn)紅外檢測， 構(gòu)成的檢測系統(tǒng)中一般包含有 紅外源 、傳輸 紅外的 光學(xué)系統(tǒng) 和接收紅外的 探測器 ，以及 信號調(diào)理 等組成部分。 紅外探測器是紅外傳 感器或紅外檢測的核心 ，是利用紅外輻射與 物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外 輻射的。 探測器的基本類型 熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測 器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物 理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量相關(guān)物理參數(shù)的變化來確 定探測器所吸收的紅外輻射。 根據(jù)吸收紅外輻射能后探測器物理參數(shù)的變化，可以將 熱探測器分為四類： 熱釋電型、熱敏電阻型、熱電

5、偶型和 氣體型 。其中， 熱釋電型探測器探測率最高，頻率響應(yīng)最 寬，也是目前用得最廣的紅外傳感器。 熱探測器 1 探測器的基本類型 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器。常 見的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電磁效應(yīng)、 光電導(dǎo)效應(yīng)。相應(yīng)的，光探測器主要包括，利用外光電效 應(yīng)而制成的 光電子發(fā)射探測器 ；利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的 光 電導(dǎo)探測器 ；利用阻擋層光電效應(yīng)制成的 光生伏特探測器 ； 利用光磁電效應(yīng)制成的 光磁探測器 。 光探測器 2 熱探測器不需要冷卻 熱探測器對各種波長都能響應(yīng) 熱探測器響應(yīng)時間比光子探測器長 熱探測器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關(guān) 熱探測器的特點 探測器

6、的基本類型 紅外檢測技術(shù)的應(yīng)用 從紅外檢測原理知，利用紅外的反射、 透射、吸收特性 可實現(xiàn)氣體成分分析、 厚度測量、無損探傷 等，利用其輻射特 性， 可檢測輻射體的溫度，或建立紅外 報警系統(tǒng) 。 7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡介 第 7章 其他傳感器技術(shù) 7.2 超聲波傳感器 超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機械及 材料學(xué)為基礎(chǔ)、在各行各業(yè)都得到使用的通 用技術(shù)之一。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于 冶金、船舶、機械、醫(yī)療等各個工業(yè)部門的 超聲清洗、超聲焊接、超聲檢測、超聲探傷 和超聲醫(yī)療等方面，并取得了很好的社會效 益和經(jīng)濟效益。 7.2.1 超聲檢

7、測的物理基礎(chǔ) 7.2.2 超聲波傳感器及應(yīng)用 7.2 超聲波傳感器 7.2.1 超聲檢測的物理基礎(chǔ) 振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在 16 2 104Hz之間，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 ；高于 2 104Hz的機械波，稱為 超聲波 ，如圖 7-3所示。頻 率在 3 108 3 1011Hz之間的波，稱為 微波 。 縱波 橫波 表面波 質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一 致的波，它能在固體、液體和氣體 介質(zhì)中傳播 質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向的 波，它只能在固體介質(zhì)中傳播 質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著 介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加

8、而迅速 衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?超聲波的波形及其傳播速度 超聲波的波形及其傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。以水 為例，當蒸餾水溫度在 0 74 時，聲速隨溫度的升高 而增加，在 74 時達到最大值，大于 74 后，聲速隨 溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強等也會引起聲速 的變化。 在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定 的關(guān)系：通?？烧J為 橫波聲速為縱波的一半，表面波聲 速為橫波聲速的 90%。氣體中縱波聲速為 344m/s，液 體中縱波聲速為 900 1900m/s。 波的反射和折射 聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩個介 質(zhì)的分界面上一部分聲波被

9、反射，另一部分透射過界 面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱 為聲波的反射和折射。如圖 7-4所示。 2 1 sin sin c c （ 7-2） 波型的轉(zhuǎn)換 當聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界 面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發(fā)生橫波 的反射和折射，如圖 7-5所示。 式中， 為入射角， 1、 2為縱波與橫波的反射角， 、 為縱波與橫 波的折射角； cL、 cL1、 cL2分別為入射介質(zhì)、反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度， cs1、 cs2分別為反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度。 如果第二介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波，而不會產(chǎn)生橫波和表面波。 （ 1）縱波全反射：折射波中

10、便只有橫波存在 （ 2）橫波全反射：介質(zhì)的分界面上只傳播表面波。 各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律： s i ns i ns i ns i ns i n 22 2 1 1 1 SLSLL ccccc （ 7-3） 波型的轉(zhuǎn)換 式中 ， P0、 I0分別為聲源處的聲壓和聲強 ， P、 I分別為 距聲源 處的聲壓和聲強 ， 為衰減系數(shù) ， 單位為 Np/cm （ 奈培 /厘米 ） 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸 衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素 有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源 處的聲壓和聲強 的衰減規(guī)律如下： 超聲波的衰減 0 xxP P e 20 xxI I

11、 e （ 7-4） （ 7-5） 超聲波檢測中，首先要把超聲波發(fā)射出去，然后再 把超聲波接收回來，變換成電信號，完成這一工作的 裝置就是 超聲波傳感器 ，也稱為超聲波換能器或超聲 波探頭。 超聲波探頭按其作用原理可分為 壓電式、磁致伸 縮式、電磁式 等，其中以 壓電式 最為常用。 7.2.2 超聲波傳感器及應(yīng)用 超聲波探頭 1 超聲波探頭 圖 7-6為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，它主要由壓 電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線 等組成。 超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用 穿透法探傷 反射法（脈沖回波法）探傷 根據(jù)超聲波穿透工件后，能量的變化狀況來判斷工 件內(nèi)部質(zhì)量的方法。 根據(jù)聲波在工件中反射的情況不同而探測工件

12、內(nèi)部 的情形。 7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡介 第 7章 其他傳感器技術(shù) 7.3 光纖傳感器 光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、 壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、 磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃 度、 pH值等 70多個物理量的測量，且具有十 分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。 7.3.1 光纖傳感器基礎(chǔ) 7.3.2 光纖傳感器 7.3 光纖傳感器 7.3.1 光纖傳感器基礎(chǔ) 如圖 7-8所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖 芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的 石英玻璃制成。纖芯的折射率 n1大于包層的折射率 n2， 光

13、纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外 面還常有一層保護套以增加機械強度。 光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理 設(shè)有一段光纖，它的兩個端面均為光滑的平面， 如圖 7-9所示。當光線射入一個端面并與光纖軸線成 i 角時，在端面發(fā)生折射進入光纖后，又以 i角入射至 纖芯與包層的界面，這時光線有一部分透射到包層， 一部分反射回纖芯。 當入射角 i小于臨界角 c時，光線就不會透射出界面， 而全部被反射。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。 依據(jù)光折射和反射的 斯涅爾 (Snell)定律 ，有 光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理 01s in s ininn 12s in s ininn (7-6) (7-7) 若光在纖芯和包層的界面上發(fā)

14、生全反射，由 式（ 7-7）可有： 2 1 sin c nn (7-8) 22 12 0 1a r c si n( ) ic nnn (7-11) 光纖的分類 階躍型和梯度型光纖 多模光纖和單模光纖 階躍型光纖：纖芯的折射率分布均勻，不隨半徑而變化； 梯度型光纖：纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由 大漸小，至界面處與包層折射率一致。 通常纖芯 直徑較粗 時，能傳播幾百個以上的模，而 纖芯 很細 時，只能傳播一個模。前者稱為 多模光纖 ，后者稱為 單模光纖 。 7.3.2 光纖傳感器 光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是 功能型傳感器 (Function Fiber Optic Sensor)

15、，又稱 FF型光纖傳感器；另 一類是 非功能傳感器 (Non-Function Fiber Optic Sensor)， 又 NF型光纖傳感器。 前者是利用光纖本身的特性 ，把光纖作為敏感元件； 后者是 利用其他敏感元件感受被測量的變化 ，光纖僅作為光的傳輸介 質(zhì)，用以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此，也稱 傳光型光纖傳感器。 光纖傳感器的分類 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖角速度傳感器，又名光纖陀螺， 它是一種由單模光纖做光通路的薩 格奈克（ Sagnac）干涉儀。 該干涉儀由光源、分束板、反射鏡 和光纖環(huán)組成。光在 A點入射，并 被分束板分成等強的兩束。反射光 a 進入光纖環(huán)沿著圓形環(huán)路逆

16、時針方 向傳播。透射光 b被反射鏡反射回 來后又被分束板反射，進入光纖環(huán) 沿著圓形環(huán)路順時針方向傳播。這 兩束光繞行一周后，又在分束板處 匯合。 其中 l=2R， 表示光纖環(huán)的周長 。 相位差與干涉條紋的 光強之間存在確定的函數(shù)關(guān)系 ， 通過用光電檢測器對干 涉條紋光強進行檢測 ， 可以實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角速率的測量 。 兩束光的光程差 L與輸入角速度 成正比。通過測量兩 束光之間的相位差即相移即可獲得被測角速度。兩束光 之間的相移 為： 光纖傳感器的應(yīng)用 24 RlL c （ 7-23） 7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡介 第 7章 其他傳感器技術(shù)

17、7.4.1 微波傳感器 7.4.2 核輻射傳感器 7.4.3 生物傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡介 7.4.1 微波傳感器 微波是介于紅外與無線電波之間的電磁輻射，具有 電磁波的性質(zhì)?；谖⒉ǘl(fā)展起來的微波傳感器是 繼超聲波、激光、紅外等傳感器之后的一種非接觸式 傳感器。它不僅用于無線通訊，而且在雷達、導(dǎo)彈、 遙感等方面也有著重要的應(yīng)用。 微波是波長為 1m 1mm的電磁波。可以細分為三 個波段： 分米波、厘米波、毫米波 。微波 既具有電磁 波的性質(zhì)，又與普通的無線電波及光波不同 。 微波的特點 遇到各種障礙物易于反射 可定向輻射微波的裝置容易制造 繞射能力差 傳輸特性好 介質(zhì)對微波的吸收與介

18、電常數(shù)成比例 7.4.1 微波傳感器 微波傳感器分類 反射式微波傳感器 遮斷式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的 微波功率或經(jīng)過的時間間隔來檢測被測物的位置、 厚度等參數(shù)。 遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線接收到的 微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有 無被測物或被測物的位置、厚度與含水量等參數(shù)。 微波傳感器的應(yīng)用 微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被 反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行厚度測量的。 如圖 7-11所示，在被測金屬物體上下兩表面各安裝一個終端器。 被測物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關(guān)系，當被 測物體厚度增加時，微

19、波傳輸?shù)男谐涕L度便減小 。 一般情況，微波傳輸過程的行程長度的變化 非常微小。為了精確地測量出這一微小變化，通 常采用微波自動平衡電橋法。若測量臂與參考臂 行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)檢波器 C檢 波后，輸出為零；若兩臂行程長度不同，則兩路 微波因相位角不同，經(jīng)疊加后不能相互抵消，經(jīng) 檢波器檢波后便有不平衡信號輸出。 微波傳感器的應(yīng)用 ( ) ( )B A A B AS L L L L L h h (7-24) 7.4.2 核輻射傳感器 核輻射傳感器是核輻射檢測儀表的重要組 成部分，它是利用放射性同位素在蛻變成另 一元素時發(fā)出射線這一特性來進行相關(guān)物理 量的檢測。 利用核輻射可以精確、迅速

20、地檢 測各種參數(shù) ，如線位移、角位移、轉(zhuǎn)速、液 位、材料的成分、厚度以及覆蓋層厚度等的 檢測，核輻射檢測具有 非接觸、無損檢測 等 優(yōu)點，特別在無損探傷等方面具有重要的應(yīng) 用。 7.4.3 生物傳感器 生物傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成的、用 以檢測與識別生物體內(nèi)的化學(xué)成分及其變化的傳感器。 生物或生物物質(zhì)主要指 酶、微生物、抗體 等。 生物傳感器由生物敏感膜和變換器構(gòu)成，被測物質(zhì) 經(jīng)擴散作用進入生物敏感膜層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生 物學(xué)反應(yīng)（物理、化學(xué)變化），產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象 或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，利用相應(yīng)的變換器將其轉(zhuǎn)換成 量化的、可傳輸和處理的電信號。 生物傳感器的分類 按所用生物活性物

21、質(zhì)的不同，可以將生物傳感器分 為五大類，即： 酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感 器、組織傳感器 和 細胞傳感器 。 依據(jù)所用變換器器件的不同，可將生物傳感器分為： 生物電極、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生 物傳感器、壓電晶體生物傳感器 和 介體生物傳感器 。 生物活性材料固定化技術(shù) 使用生物材料作生物敏感膜，必須研究如何使生物活性材料 固定在載體（或稱基質(zhì)）上，這種結(jié)合技術(shù)稱為固定化技術(shù)。 在研制傳感器時，關(guān)鍵是把生物活性材料與載體固定化成為生 物敏感膜。 常用的載體有三大類：（ 1）丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系 聚合物等合成高分子；（ 2）膠原、右旋糖酐、纖維素、淀粉等 天然高分子；（

22、 3）陶瓷、不銹鋼、玻璃等無機物。 生物活性材料固定化技術(shù) 將生物活性材料封閉在雙層 濾膜之間，形象地稱為夾心 法。 此方法操作簡單，不需要任 何化學(xué)處理，固定生物量大 ，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。 夾心法 共價連接法 交聯(lián)法 吸附法 包埋法 生物活性材料固定化技術(shù) 用非水溶性固相載體物理吸 附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分 子固定化的方法。 載體種類較多，如活性炭、 硅膠、玻璃、纖維素、離子 交換體等。 夾心法 共價連接法 交聯(lián)法 吸附法 包埋法 生物活性材料固定化技術(shù) 把生物活性材料包埋并固定 在高分子聚合物三維空間網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)基質(zhì)中。 此方法一般不產(chǎn)生化學(xué)修飾 ，對生物分子活性影響較小 。缺點是分子量

23、大的底物在 凝膠網(wǎng)格內(nèi)擴散較困難。 夾心法 共價連接法 交聯(lián)法 吸附法 包埋法 生物活性材料固定化技術(shù) 使生物活性分子通過共價鍵 與固相載體結(jié)合的方法。 此方法結(jié)合牢固，生物活性 分子不易脫落，載體不易被 生物降解，使用壽命長。缺 點是固定化麻煩，酶活性可 能因發(fā)生化學(xué)修飾而降低。 夾心法 共價連接法 交聯(lián)法 吸附法 包埋法 生物活性材料固定化技術(shù) 依靠雙功能團試劑使蛋白質(zhì) 結(jié)合到惰性載體或蛋白質(zhì)分 子彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 這種方法廣泛用于酶膜和免 疫分子膜制作，操作簡單， 結(jié)合牢固。 夾心法 共價連接法 交聯(lián)法 吸附法 包埋法 生物傳感器的應(yīng)用 酶傳感器是由酶敏感膜和化學(xué)器件構(gòu)成的，利用酶 的特性可以制造出高靈敏度、選擇性好的傳感器。 葡萄糖酶傳感器的敏感膜為葡萄糖氧化酶，它固定 在聚乙烯酰胺凝膠上，其電化學(xué)器件為陽電極 Pt和陰 電極 Pb，中間溶液為強堿溶液，并在陽電極表面覆蓋 一層透氧氣的聚四氟乙烯膜，形成封閉式氧電極。 生物傳感器的應(yīng)用 當測量時，葡萄糖酶傳感器插入到被測葡萄糖溶 液中，由于酶的催化作用而產(chǎn)生耗氧（過氧化氫 H2O2），通過選擇性透氣膜， H2O2在 Pt電極上氧化， 產(chǎn)生陽極電流。該陽極電流與葡萄糖含量成正比，由 此便可以測量出葡萄糖溶液的濃度。