现代检测技术-期中作业传感器

01温度传感器概述0203NTC温度传感器荧光温度传感器03.1荧光测温机理03.2

荧光系统分解说明03.3锁相检测技术01温度传感器概述01温度传感器概述温度传感器是能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。它是温度测量仪表的 部分。接触式温度传感器的检测部分与被

测对象有良好的接触，又称温度计。一般测量精度较高。在一定的测温

范围内，温度计也可测量物体的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。。01接触式它的敏感元件与被测对象互不

接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化

迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分

布。非接触测温优点：测量上

限不受感温元件耐温程度的限

制，因而对最高可测温度原则

上没有限制。分类02非接触式01温度传感器概述双金属片式传感器金属膨胀原理设计的传感器双金属杆和金属管传感器金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成，随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高，引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号随着温度升高，金属管长度增加，而不膨胀

钢杆的长度并不增加，这样由于位置的改变，金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来，这种线性膨胀可以转换成一个输出信号01温度传感器概述电阻传感液体和气体的变形曲线设计的传感器热电偶传感在温度变化时，液体和气体同样会相应产生体积的变化。多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化，这样产生位置的变化输出（电位计、感应偏差、挡流板等等）。金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型：正温度系数（温度升高=阻值增加，温度降低=阻值减少），负温度系数（温度升高=阻值减少，温度降低=阻值增加）热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以

称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大 5～40微伏/℃之间。01温度传感器概述ntc热敏电阻传感器热电阻温度传感器数字温度传感器02NTC温度传感器NTC是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的,这些金属氧化物材料都具有半导体性质，温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在

100~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面．优点高精度高稳定性响应速度快优良的抗热冲击性原理利用NTC热敏电阻在一定的测

量功率下，电阻值随着温度上升而迅速下降。利用这一特性,可将NTC热敏电阻通过测量其电阻值来确定相应的温度，从而达到检测和控制温度的目的。缺点阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；02

NTC温度传感器NTC热敏电阻的特性可以表示为：式中：RT、RT0分别为温度为T和T0时的电阻值，B为NTC热敏电阻的材料常数。因此当温度变化时，热敏电阻阻值的变化将导致测量电路的输出电压变化，其关系可表示为式中：UT、UT0分别为温度为T和T0时的测量电路的输出电压值。根据上面两式得到测量电路的输出电压值与被测温度的关系为02

NTC温度传感器数字温度计、培养箱、皮肤传感器、透析设备、呼吸器烘箱、微波炉、洗衣机、烘干机、洗碗机、空调器、冰箱一般使用圆片、玻璃封装薄片用于温度检测和控制气流医疗应用家电应用汽车应用温度补偿或者使用玻璃封装薄片进行温度使用精密薄片或玻璃珠组合件来检测飞机、卫星、地面 、载人轨道飞行器的温度电信应用军事应用03荧光

型温度传感器03荧光温度传感器荧光光纤温度传感器机理及特性分析荧光

检测方法荧光

温度传感系统的设计锁相放大技术荧光温度传感器机理及特性分析荧光的产生机理某些物质在受到放射线、紫外光、可见光等的照射激发后，发出可见光，这一过程称为荧光，能发射荧光的物质称为荧光物质。荧光物质可以被多种形式的能量激发，例如由外来光波。激发荧光物质产生荧光的为光致荧光；由电场能量激发的为电致发光；由机械能激发的为摩擦发光；由化学反应的能量激发的为化学发光。光致发光是荧光测温法的工作机理，包括光的吸收、激发、激发态分子的去活化三个过程。荧光温度传感器机理及特性分析测温机理在荧光测温实验中，激发电子从激发态返回基态，的能量引起荧光材料发光。在一定温度范围内，荧光材料的荧光强度和荧光寿命之间有一定的温度相关性，这种温度相关性便是荧光测温法的机理。荧光材料在激励光照射下发出荧光，激励光停止照射后，激发态寿命决定荧光发光的持续时间。荧光强度随时间t成指数规律衰减，如下式：式中I0是t=0时的荧光强度；τ为荧光 ，是荧光按指数方式衰减的时间常数，即荧光强度从I0减小到I0/e的时间长度。

tI

I

0

e荧光温度传感器机理及特性分析荧光衰减时间与温度有如下关系式：xT1

eE

/

kTR

R

eE

/

kT

(T

)

其中，Rs，RT，K，△E为常数，T为热力学温度。从上式可知，荧光

是温度的单值函数。一般情况下，随着温度的升高，荧光 会减小，不同的荧光 对应不同的温度，所以可通过测量荧光

测出温度。利用该方法的优点是：测量的温度只与荧光 有关，而与其余参量无关。荧光 测量方法1.积分法1

et2/τB

D荧光 测量方法1.积分法：为了提高测量荧光的精度，提出了积分的方法，其原理为：当荧光到某一设定值时，利用积分技术让信号在两个固定时间t1和t2内积分，采样两个积分值A和B。积分噪声与直流偏移以相同的时间间隔采样为C和D，因此荧光t可根据下式测量：A

C

1

et1/τ2.最小二乘法：

根据荧光强度衰减指数曲线，找到一条与被测信号方差最小的标准指数曲线代替原曲线，利用新的曲线求取荧光

，这便是最小二乘拟合法的原理。根据最小二乘法的数学定义，可得到拟合后的指数曲线方程，如下式：1

2

02

01S

2

S

2

S

S

S

Sexp[

y(t)]

I

(t)

exp(T1S1

T0

S2

)

exp(T0

S1

T1S0

)率P和光子流量R的关系如下:P

R荧光 测量方法3.频域法：激励光激励荧光材料发出荧光，当利用正弦信号调制激励光的光强时，得出的荧光信号也是正弦调制，并且滞后于激励光一个相位。若正弦信号频率为w用来调制激励光，则荧光响应信号为：vf

vA

sin(t

)荧光

与滞后的相位有一定的关系：tg

2f4.时间相关单光子 ：在弱光检测中,如果所探测光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。当光微弱到一定程度的时候,光的量子特性便开始显现出来。假设用单位时间通过的光子数R表示光子流量,用光功P表示光流强度(单位时间通过的光能量),则单色光的光功荧光 型光纤温度传感系统的设计图1反射式测温系统框图图2透射式测温系统框图荧光 型光纤温度传感系统的设计光源

光纤探测

数据器荧光 型光纤温度传感系统的设计可用作敏感元件的荧光材料有很多种，根据不同的需要，可选择不同种类的荧光物质，这意味着荧光激发光谱不同，所采用的激励光源也不相同。通常作为荧光温度传感系统的光源有发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和氙灯等。在荧光光纤测温系统中，激发光源的选择应遵循以下原则：光源的光谱范围应包括荧光材料的最佳激发波长；发光强度足够大；稳定性好；易与光纤耦合；光源的选择例如LED作为激励光源，LED不仅满足以上要求，并且还有输出特性线性好、体积小、价格低、易于控制、低压下即可工作等诸多优点。荧光 型光纤温度传感系统的设计光源驱动电路的设计荧光 型光纤温度传感系统的设计选择光纤时应满足以下要求：对波长范围确定的激发光和荧光的传输效率较高。塑料光纤和石英光纤是广泛采用的两类光纤，对于紫外光来说，石英光纤的传输效率相比塑料光纤要高，但是塑料光纤的芯径却可以比石英光纤大很多，即传输的激励光强度更大。荧光 型光纤温度传感系统的设计荧光材料受到激励光照射发出荧光信号，这些荧光信号必须被实时、准确的检测出来，这就需要响应快、灵敏度高、稳定性好的光电探测器，将光信号转换为电信号，然后进行进一步处理。光电探测器的选择光电探测器的选择在选择荧光光纤温度传感系统的光电探测器时，应遵循下列几点原则：对检测的荧光波长具有较高的光谱灵敏度；响应速度较快；长期稳定性较好；良好的线性度。一般来说，采用PN结或者PIN结光电二极管作为荧光光纤温度传感系统的探测器。这两种器件的主要优点是线性工作范围大、响应快、耗电少、量子效率高、方便和噪声长、体积小、使用。荧光 型光纤温度传感系统的设计该探测器包含一个光电二极管和一个放大器，封装在一个低剖面的外壳中，有效探测波长为340-1100nm，可调放大倍数为10dB-70dB。荧光 型光纤温度传感系统的设计荧光光纤温度传感系统构建实验中采用通过Labview编写程序，AO口输出脉冲，用此信号驱动LED产生光信号，从而激励荧光物质发出荧光，荧光信号通过光电探测器后输入设备，

从而达到

荧光信号的目的。数据采集系统锁相法检测荧光

理论基础微弱信号检测一类为在噪声中利用锁相技术和光源调制提取有效被测信息，即荧光

锁相探测（PLD）方法。微弱信号检测方法一类为高灵敏度光电探测器与弱电流放大电路的结合,通过抑制噪声提高信噪比。荧光

锁相探测方法是目前广泛应用于荧光测量的技术。锁相放大器通过互相关运算直接滤掉非同频信号,从而达到去除噪声、改善检测信噪比的目的。PLD系统的调制信号可选择脉冲信号或者正弦波信号，因为激励光源发出的矩形脉冲比正弦脉冲包含的能量更大，荧光响应的信噪比更高，且脉冲调制更简单、更易实现。基于荧光的光纤温度传感技术具有诸多优点，例如荧光与光强无关，结构简单、测温范围大等。但是由于受到光纤数值孔径的限制，探测器检测到的荧光信号非常微弱，荧光的精确测量十分。为了提高系统的信噪比，必须采用微弱信号检测技术。0201锁相法检测荧光理论基础上图是一个单参考脉冲调制锁相探测系统图。压控振荡器（VCO）输出脉冲 信号作为激励信号，激励光受到

脉冲周期性地调制，受激发出的荧光信号随激励光变化。将激励信号延迟时间αT得到参考信号，将参考信号与荧光信号混合，并将该混合信号依次通过低通滤波器与积分器，最后用于控制压控振荡器的振荡频率，使得压控振荡器趋于一个稳定的频率输出。通过测量这个稳定的频率即可获得荧光

。信号延迟比的选择α取值不同时，y与x关系

x是由公式x=T/τ定义的，当α取值不同时，y与x的关系也不相同，上图所示，其中y是约去kVA0所得的值。采用PLD系统测量荧光 ，是一种较直接、测量精度高的方法，准确定位 锁相信号的参数--信号延迟比α是基于脉冲调制锁相放大技术的关键。荧光响应的直流分量可表示为：TV

TT2ff,2A0A01

et

/eV

Tt/(2)/2

2tv)(vVA0

A0

0,

t

1

et

/eVt

/并且v

f

v

f

(

t

n

),

n

1,2,3,

低通滤波器的输出y为：4y

kVA0[14

x

(1

1

e

x

/2

)]

fx(,)2ex信号延迟比选择的理论分析与仿真计算T随y变化而变化，直到y=0，周期T不再变化，系统进入锁存态。此时：y=0，若α取定，x0值也确定。通过测定T可求出荧光

τ，进而可求出待测的温度值。将用关系程序仿真，得到α-x2ex4x

/

2)]

0x

1

ey

kVA0[1

4

(1系统误差主要来自两方面：一是系统的噪声振幅△y，二是相位延迟飘移率△α，分别用

1/Sy和Sx表示。Sx0

x

d

(x0

/

x0

)

1

dx0y

0dy

dySy

dt

x

dxx

x0τ相对改变的Sy为PSD输出y对测量的荧光灵敏度，Sx为xo相对α的灵敏度。2200yAx

2

x0

x01