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1、第13章几种新型传感器现在学习的是第1页，共36页l随着技术的发展和新材料的出现，各种新型传感器层出不穷。与传统传感器相比，新型传感器的典型特征是微型化、数字化、智能化、网络化。各种新型传感器被广泛应用于生物、医学、环保化学、工业过程控制和汽车制造等领域。现在学习的是第2页，共36页一一 非晶态合金传感器非晶态合金传感器 非晶态合金是一种新型功能材料，它具有丰富而明显的物理效应。现在非晶态合金广泛应用于各种物理检测领域。非晶态合金具有下面两种主要敏感功能：1非晶态合金的磁机转换功能 非晶态合金的磁机变换功能主要指其将机械量转换成磁学量的功能，也包括磁场对非晶态合金力学性能的影响。磁弹性效应是非
2、晶态合金实现磁机转换的核心。典型的磁弹性效应有磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应等，前者多应用于超声波发生元件；后者是众多机械量、力学量和磁场传感器敏感机理的基础。利用该效应可以检测的物理量包括磁场、应力应变、扭矩、冲击、声音、压力、加速度等等。现在学习的是第3页，共36页l非晶态合金，非晶态合金，自然界的各种物质的微观结构自然界的各种物质的微观结构可以按其组成原子的排列状态分为两大类：有可以按其组成原子的排列状态分为两大类：有序结构和无序结构。晶体是典型的有序结构，序结构和无序结构。晶体是典型的有序结构，而气体、液体和非晶态固体属于无序结构。非而气体、液体和非晶态固体属于无序结构。非晶态固体材料又
3、包括非晶态无机材料晶态固体材料又包括非晶态无机材料(如玻璃如玻璃)、非晶态聚合物和非晶态合金非晶态聚合物和非晶态合金(又称金属玻璃又称金属玻璃)等等类型。类型。现在学习的是第4页，共36页 2非晶态合金的磁电变换功能 非晶态合金的磁电变换功能主要指它将磁场变化转换成电量的功能。根据不同的转换途径，其中主要物理效应包括电磁感应效应和磁阻效应等。前者可以制成检测转速、微小交变电流等物理量的无源传感器，其中漏电保护器中的电流互感器是我国当前非晶态合金材料应用的一个重点；后者可以用来制造磁泡存储器中的磁场传感器，它具有电阻率温度系数小、耐辐射等优点，因此比其他敏感材料更能胜任某些特殊环境下的检测任务。
4、现在学习的是第5页，共36页脉冲感应型磁场传感器 脉冲感应型磁场传感器的基本组成单元有三部分，即脉冲电流源、带有非晶态合金磁心的检测线圈和感应电压检出器，如图所示。现在学习的是第6页，共36页 脉冲电流源向检测线圈提供一个受控的窄脉冲电流，对非晶态合金磁心进行周期性的磁化。同时，非晶态合金磁心也是敏感元件，它感受被测磁场的变化，将这种变化调制到磁化状态上去。当检测线圈两端的激励电流为零时（即窄脉冲的下降沿），利用电磁感应效应把被测磁场变化转化成感应电压。感应电压检出器则把线圈所产生的感应电压的峰值取出来，向外输出。现在学习的是第7页，共36页非晶态合金膜片式压力传感器 该传感器利用非晶态合金的
5、磁致伸缩效应与逆磁致伸缩效应制成。磁致伸缩效应既磁性体在外加磁场作用下发生机械形变；反之，外力作用下的机械形变会改变该磁性体的磁化状态。图示为非晶态合金膜片。膜片周围固定在方形框上。上面装有驱动磁头D1和检测磁头D2。D1产生正弦交变磁场，使膜片产生同频率的机械形变。同时，该机械形变在D2端表现为交变的磁化状态，D2通过一定方法（例如将非晶态合金膜片作为电感传感器的磁心）将此交变磁化状态转换为正弦电压信号。若垂直于膜片加静态压强p，则膜片弯曲，膜片的磁化状态因此发生改变。D2所检测电压幅值Em与膜片所受压强p有线性关系。现在学习的是第8页，共36页二二 超导体传感器超导体传感器 1 超导红外传
6、感器超导红外传感器 当红外辐射照射到超导体上时，其导电率发生变化。这样，根据超导体导电率的变化，可以检测红外辐射能量。超导红外探测器与传统红外探测器相比具有明显优势：更宽的响应波段范围。在红外和可见光系统难以工作的雾、烟、尘环境中,可继续正常工作。列阵器件适合红外热成像系统。相对于低温超导，高温超导具有更为广阔的应用前景。高温超导红外探测器是红外至毫米波段的优良接收器，它可用于诸多领域：军事上，作为红外（尤其是远红外）亚毫米波行扫描仪，远红外激光器的接收器件，红外前视系统，热像仪（用于大于20m至亚毫米波段的成像），用于精密制导、火控、红外；民用上，用于低温测温仪、光谱仪、天文探测，特别是天文
7、卫星对外层空间的探测、长波地物辐射波谱检测、托克马克离子体电子温度测量等。现在学习的是第9页，共36页一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度1911年，荷兰科学家卡末林昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（268.95）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导超导电电性性，此温度称为临界温度。迄今为止，科学界公认的最高超导临界温度是138K 现在学习的是第10页，共36页 2 超导可见光传感器超导可见光传感器 超导可见光传感器多用超导陶瓷材料制成。若将绝缘薄膜夹
8、置于两不同超导陶瓷之间，即使不加电压也会有电流从超导陶瓷1流向超导陶瓷2。该现象称为约瑟夫逊效应，该结构称为约瑟夫逊结。若有光子入射，则在约瑟夫逊结中的电流也将发生变化。因此，通过测量电流变化，可以检测光信号大小，这就是可见光超导传感器工作原理。现在学习的是第11页，共36页 3 超导微波传感器超导微波传感器 微波是波长为1m1mm的电磁波。微波相对于光波和红外线等电磁波具有下列特点：遇到各种障碍物易于反射；传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例。以上特点构成了微波检测的基础。超导微波检测的原理如下：将绝缘薄膜夹置于两超导体之间，即构成了隧道结；若
9、两超导体之间存在电势差，则在隧道结中产生电流。当隧道结受到微波辐射时，其电流电压特性改变。因此，可以利用这个特性检测微波，而且具有超高灵敏性能，一般将用于测频率为10THz的微波信号。现在学习的是第12页，共36页 4 超导磁场传感器超导磁场传感器 图示为超导磁场传感器原理图。当超导环受到磁场作用时，超导体内部超导电流排斥磁场，环内磁场为零。超导电流Is只与外磁场强度B成正比。若测量出Is值的大小，则可确定磁场强度B值。须指出，电流Is并不与外加磁场强度B有严格的正比关系，而与磁通（=BS）成正比，其中S为超导环的面积。现在学习的是第13页，共36页 5 超导温度传感器超导温度传感器 在低温工
10、程和低温物理的研究中，常常会遇到测量精度要求较高和时间响应小的场合，超导温度传感器可满足此类要求。超导材料的电阻值从常导转变为超导的过程是在一个温度范围内完成的，该温度范围称为超导转变温度区域。超导材料电阻的变化可用电压信号精确检出，故其灵敏度很高。利用它的这种有利特性，并适当调节超导转变温度范围的宽度可以制成不同量程的高精度温度传感器。现在学习的是第14页，共36页三三 液晶传感器液晶传感器 液晶受电场、磁场、热能及声能等作用时，能引起双折射性、二色性、旋光性等光学效应，利用这些效应，可以制成各种液晶传感器。l1888年，奥地利叫莱尼茨尔的科学家，合成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。把
11、它的 l固态晶体加热到145时，便熔成液体，只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175时，它似乎再次熔化，变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶。它好比是既不象马，又不象驴的骡子,所以有人称它为有机界的骡子 现在学习的是第15页，共36页1 液晶电磁场传感器液晶电磁场传感器 液晶电磁场传感器的工作原理如图所示。若将经过垂直排列处理的液晶玻璃（使其分子成垂直排列）放在一块集成电路板上，当给电路通电工作时，有电流流过的地方，液晶分子由于受到电磁场的作用，立即变为无规则排列，这些地方可以透过光线变亮；没有流过电流的地方难以透过光线仍然
12、为暗。利用这个特性，可以对集成电路板质量进行检测，也可对绝缘膜有无缺陷作检查。现在学习的是第16页，共36页2 液晶电压传感器液晶电压传感器 液晶电压传感器工作原理为：经过垂直排列处理的液晶分子，在外加电压作用下，其分子排列向水平排列转换，而且转换分子的数量随外加电压的大小而变化，光线仅仅能通过液晶分子水平排列的那部分。因此，可以通过测量透光液晶容器的长度来确定外加电压状况。3 液晶超声波传感器液晶超声波传感器 当超声波射在液晶容器上时，液晶的光学性能发生变化。因此，可以将超声波图像转换成可见光图像。在超声源和液晶器件之间放置要成像的物体，在液晶器上，受到超声辐射和未受超声辐射部分的分子排列不
13、同，因而在液晶器件上能显示出可见光的物体轮廓图像。现在学习的是第17页，共36页4 液晶温度传感器液晶温度传感器 如图所示，由He-Ne激光器发出单色光，通过光纤投射到液晶上，液晶的反射光又通过接受光纤照射到光电管上。若入射光强为固定不变的，则反射光强是液晶温度的函数，从而实现了温度电压的转换。若使液晶与被测物体表面接触，则可根据输出电压确定被测物表面温度。为了补偿光源不稳定及其他环境因素的影响，传感器中增设一束参比光纤，其射入同一光源的单色光，出射光照射到另一光电管上。两光电管性能相同，它们的输出分别接到差动放大器的两个输入端，差动放大器输出电压信号与被测温度成一定关系。现在学习的是第18页
14、，共36页现在学习的是第19页，共36页四四 薄膜传感器薄膜传感器1 薄膜应变电阻传感器薄膜应变电阻传感器 合金薄膜传感器的基本结构如图所示。首先，在弹性基底上溅射一层介质层(如Al2O3层)，再溅射敏感层(如Ni-Cr层)；然后在其上蒸发一层金属，用光刻法刻出电极端，在电极端用热压法焊上金丝作为电极引线；整个芯片密封在传感器壳体中，接入转换电路（如惠斯登电桥）。当传感器承受压力时，Ni-Cr应变片承受应变后，电阻值产生变化，接入惠斯登电桥中，电桥失衡，产生输出电压。现在学习的是第20页，共36页 该传感器具有制作工艺环节少、稳定性和灵敏系数较高、量程很大等优点，现已制成了大量程称重、加速度、
15、压力传感器等。现在学习的是第21页，共36页2 薄膜热敏传感器薄膜热敏传感器 当薄膜材料吸收红外辐射或受热源直接加热后，将会导致薄膜材料温度特性的变化，而测量这种变化就可以作为红外辐射或热源能量的度量。最常用的热敏传感器就是根据薄膜的电阻随温度变化的性质而进行测量的。如果温度变化是由吸收红外辐射构成的，这种传感器就称为辐射热传感器；如果温度变化是由直接接触造成的，这种传感器可以通过淀积一层红外吸收膜转变成薄膜辐射热传感器。该传感器的敏感元件(电阻元件)是用具有高温度电阻率系数的材料制成的薄膜。现在学习的是第22页，共36页3 薄膜气敏传感器薄膜气敏传感器 薄膜气敏传感器的工作原理类似于烧结型气
16、敏传感器，都是利用吸附被测气体分子从而改变自身导电能力的特性制成的。需指出，吸附不同气体后其导电能力变化趋势不同。例如，吸附O2、NO2等氧化性气体后电阻升高，吸附H2、CO等还原性气体后则电阻降低。被吸附的氧分子又可再吸附还原性气体的分子。为了进一步提高薄膜气敏传感器性能，近年来，使用添加剂，特别是使用稀土添加剂之后，气敏元件的性能得到了显著改善。当气体与固体催化剂接触时，气体可以在催化剂表面发生吸附现象，且化学吸附比物理吸附更重要。因反应物在催化剂表面上化学吸附成为活化吸附态，从而降低反应活化能，提高反应速度，控制反应方向。现在学习的是第23页，共36页4 薄膜磁敏传感器薄膜磁敏传感器 薄
17、膜磁敏传感器的工作原理是建立在磁性金属薄膜的磁阻效应基础上 的。其电阻的大小随薄膜的霍尔迁移率H及磁通密度B之积的平方而变化。在磁阻薄膜的应用中，最先得到重视的是制成磁阻磁头，用来读取高密度磁记录信号。因为在高密度磁记录条件下，对应于每个记录位的磁通量是十分微弱的。如果用常规的电感式磁头读取信息，信噪比已经不能满足要求，若用薄膜磁阻磁头读取信息，其输出电压与转速无关，这是读取高密度磁记录信号的理想手段。为了检测或控制旋转物理量转速、角度、位置而使用旋转编码器。目前广泛使用的是光编码器，这种器件在长期使用过程中耐油污、粉尘的能力差。加上它的结构复杂，难于小型化，功耗亦大，目前正在被磁性编码器取代
18、。磁性编码器由磁阻传感器和多极磁鼓构成，结构简单、安装方便、成本便宜、功耗低、使用寿命长。现在学习的是第24页，共36页5 压电薄膜传感器压电薄膜传感器 PVDF(Poly Vinyli Dence Floride)是一种有机高分子功能材料，其化学名称为聚偏二氟乙烯。PVDF材料可用热成形法加工成膜状、管状和粒状,其中以薄膜状用得较多。PVDF薄膜厚度约为几十微米，具有优良的柔性及压电特性，可用来代替压电陶瓷制作机器人的触觉传感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了触觉传感器，用于分析人手指纹的形状与功能，打破了传统的制作单触觉传感器的局限。用普通橡胶制成有指纹状及有许多小凸点的两种表皮，将其
19、放在PVDF薄膜上形成触觉兼滑觉的复合传感器，当机器人的手爪（传感器）表面开始接触物体时，接触阶跃性应力使PVDF产生电荷，经电荷放大器，变为触觉信号。而工件相对于传感器表层滑动时，摩擦力变化引起传感器表层的诱导振动，该诱导振动使PVDF产生交变电压信号。现在学习的是第25页，共36页五五 微机械传感器微机械传感器 微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。其中，用微机械加工技术制作的传感器称为微机械传感器。大部分微机械传感器都用半导体硅制作，不仅因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到很高的加工精度
20、。现在学习的是第26页，共36页现在学习的是第27页，共36页现在学习的是第28页，共36页1 微机械压力传感器微机械压力传感器 从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前，压阻式压力传感器的精度可达0.05%0.01，年稳定性达0.1/F.S，温度误差为0.0002，耐压可达几百兆帕，过电压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。微机械压力传感器的发展集中在高灵敏度的压力传感器和高温工作的压力传感器两个方面。利用SiO2上淀积的多晶硅或利用硅-硅直
21、接结合再减薄形成的单晶硅膜加工出介质隔离的力敏电阻，力敏电阻之间由SiO2隔离，而SiO2下面的硅材料仍可以用微机械加工形成硅膜结构。这样就制成了微机械高温压力传感器。目前这种压力传感器已有商品出售。现在学习的是第29页，共36页2 微机械加速度传感器微机械加速度传感器 硅微加速度传感器主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。例如电容式微机械加速度传感器，其基本机械结构、工作原理与第四章中力平衡式电容传感器基本相同，由于质量块的位移很小，消除了因质量块的位移而引起的非线性，器件的精度可以做得很高。现在学习的是第30页，共36页3 微机械角速度传感器微机械角速度传感器 由于微机械加工技术难于
22、加工高速转子这样由于微机械加工技术难于加工高速转子这样复杂的结构，因此实际上所有的微机械陀螺的复杂的结构，因此实际上所有的微机械陀螺的设计都放弃了传统陀螺中采用的转子结构而采设计都放弃了传统陀螺中采用的转子结构而采用适宜于用微机械加工的振子结构。微机械振用适宜于用微机械加工的振子结构。微机械振子式陀螺的原理比压力传感器或加速度传感器子式陀螺的原理比压力传感器或加速度传感器更为复杂而多样化。更为复杂而多样化。现在学习的是第31页，共36页 悬臂梁式振子陀螺的基本部分为一根正方形截面的长硅梁，其一端固定。我们取正方形截面的两个边的方向为X和Y轴，梁的长度方向为Z轴。那么，这个硅梁存在有两个正交的基
23、本振动模式，即沿X方向的振动和沿Y方向的振动。通过外来激励（压电的或静电力的作用）使硅梁在X方向产生恒定的振动。在此状态下，如果硅梁有一个以Z方向为轴的转动，则由于哥氏力的作用，会在硅梁中激发出Y方向的振动，其振幅的大小与沿Z轴转动的角速度成正比。因此只要用电容法或其他方法测出Y方向振动的振幅就可以得到角速度的信息。现在学习的是第32页，共36页六六 智能传感器智能传感器 微处理器（或微计算机）和传感器相结合，产生了功能更强大的智能传感器，是传感器发展的主要趋势之一。1 传感器智能化传感器智能化 传感器与微处理器结合可以通过以下两种途径来实现：一是采用微处理器或微型计算机系统以强化和提高传统传
24、感器的功能。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成电路智能传感器。因此，传感器智能化经历了非集成化智能传感器和集成化智能传感器两个主要阶段。现在学习的是第33页，共36页l微型计算机或微处理器是智能式传感器的核心。传感器的信号经过一定的硬件电路处理后、以数字信号的形式进入计算机。而计算机可以根据内存中的程序，实现对测量过程的各种控制、逻辑判断和数据处理，以及信息传输等功能，从而使传感器获得智能功能。具体主要包括控制功能、数据处理功能和数据传输功能等。现在学习的是第34页，共36页2 光电式智能压力传感器光电式智能压力传感器
25、 图示为一种智能压力传感器。它是以微处理器为基础的智能传感器，能测量流体压力，并输出对应的模拟信号和数字信号。它独特的温度和静态误差修正功能使其能满足苛刻的使用环境。它具有DE通信协议、可与集散控制系统和智能现场通信器实现双向数字通信，消除了模拟信号传输误差，方便了传感器的调试、校验和故障诊断。现在学习的是第35页，共36页3 智能红外传感器智能红外传感器 常见红外传感器的很多功能如温度补偿、输出特性线性化、利用同步检波提取交流信号峰值等，主要依靠硬件电路实现，这样不仅电路非常复杂，而且仪器稳定性差，难以提高测量准确度。为了克服上述存在的问题，与微处理器结合的智能红外传感器应运而生。另外，在实际测量中，背景中的杂乱回波往往将目标信号淹没。如果用普通的传感器进行测量，这些杂乱的信号也要经过读出、放大和A/D转换，最后再经过数字信号处理。而智能传感器可在聚焦平面进行模拟信号处理，从而避免不必要的操作。图示为一种应用于军事探测的智能红外传感器原理框图。该传感器采用微处理器完成了温度补偿、输出特性线性化、A/D转换、结果显示等功能。现在学习的是第36页，共36页