现代传感器介绍

现代传感器介绍第1页/共44页引言传感器技术是仿生学的一部分，向大自然以及人类自身学习是仿生学永恒的主题，也是仿生传感技术的发展方向。传感器技术正式问世是在20世纪中期，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。传感器作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。传感器技术与通信技术和计算机技术已成为现代信息技术的三大支柱，是信息产业的重要基础。转换器件敏感元件转换电路电学量敏感元件传感器的能量转换过程第2页/共44页目录一、光纤传感器二、生物传感器三、超声波传感器四、红外线传感器五、微波传感器六、智能传感器七、超导传感器第3页/共44页光纤传感器光纤——光导纤维，是由石英、玻璃、塑料等光折射率高的介质材料制成的极细的纤维，是一种理想的光传输线路。光纤传感器（FiberOpticSensor，FOS）兴起于20世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。第4页/共44页光纤结构

光纤通常由纤芯、包层、保护套及组成。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径约为5～150mm。包层的材料也是玻璃或塑料等，直径为100－200um。但纤芯的折射率n1稍大于包层的折射率n2。保护套起保护光纤的作用。较长的光纤又称为光缆。第5页/共44页光纤的传光原理在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。第6页/共44页光纤传感器是基于光导纤维的新型传感器。光纤传感器除光纤外还应包括光源、传感头、光探测器和信号处理电路等几部分。光纤传感器的基本组成第7页/共44页光纤传感器的应用

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。

光纤耦合器标志孔传输光纤出射光纤电路板标志检测第8页/共44页遮断型光纤光电开关第9页/共44页光纤传感器在医学上的应用光纤内窥镜光学纤维胃镜第10页/共44页光纤传感器在工业上的应用光纤温度传感器第11页/共44页生物传感器生物传感器(biosensor)：以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感基元，对目标被测物具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被测物的浓度。是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。第12页/共44页生物传感器的原理被分析物扩散进入固定化生物敏感膜，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器放大并输出，便可知道待测物浓度。待分析物生物敏感膜化学量或物理量变化换能器可定量加工的电信号第13页/共44页生物传感器的应用第14页/共44页生物传感器的应用指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人人不同、指指相异）。根据指纹学理论，将两个指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为1/1050。因此，至今找不出两个指纹完全相同的人。15指纹识别的过程指纹图像的获取第15页/共44页生物传感器的应用

故葡萄糖浓度测试方法有三种：①测耗量Ｏ２

②测Ｈ２Ｏ２生成量③测由葡萄糖酸而产生的ＰＨ变化。

葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２葡萄糖传感器第16页/共44页免疫传感器基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随ＰＨ值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。3室注入含有抗体的盐水抗体与固定化抗原膜上的抗原相结合膜表面吸附抗体膜带电状态变化1、2室内的电极产生电位差第17页/共44页红外传感器

红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100μm。任何温度高于热力学零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线。与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点：(1)环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；(2)被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；(3)靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；(4)红外系统的体积小、质量轻、功耗低。

近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广泛应用。军事领域的应用主要包括：(1)侦查、搜索和预警；(2)探测和跟踪；(3)全天候前视和夜视；(4)武器瞄准；(5)红外制导导弹；(6)红外成像相机；(7)水下探潜、探雷技术。在民用工程领域的应用主要是：(1)在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；(2)在地下矿井测温和测气中的应用；(3)红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。第18页/共44页红外传感器的原理红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种传感器，也常称为红外探测器。它是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。

红外光子传感器的工作原理是基于光电效应。其主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但红外光子传感器一般需在低温下才能工作，故需要配备液氦、液氮制冷设备。此外，光子传感器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。

红外热传感器的工作是利用辐射热效应。探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子传感器的峰值探测率低，响应速度也慢得多。但热传感器光谱响应宽而且平坦，响应范围可扩展到整个红外区域，并且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。第19页/共44页红外传感器的应用温度的测量方法可分为接触式测温和非接触式测温两类，测温传感器种类繁多红外测温是一种比较先进的测温方法，主要特点是：

(1)红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量。(2)红外测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可定温。反应时间一般都在毫秒级甚至微秒级。(3)红外测温灵敏度高，因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外探测器即可迅速地检测出来。(4)红外测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。测量准确度可达到0.1℃，甚至更小。(5)红外测温范围广泛，可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。红外温度测量方法，几乎可以应用于所有温度测量场合。第20页/共44页

激光仅用于瞄准红外传感器的外形第21页/共44页红外线辐射温度计用于食品温度测量集成IC温度测量红外传感器的应用第22页/共44页利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）红外温度检测分析仪红外制冷故障诊断第23页/共44页超声波传感器机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强

声波频率的界限划分第24页/共44页蝙蝠能发出和听见超声波。第25页/共44页超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。2023/4/1826超声波雾化器

超声波加湿器第26页/共44页超声波传感器的应用超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。2023/4/1827便携式超声波探鱼器第27页/共44页超声波测量液位和物位原理

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

第28页/共44页多普勒效应

前进方向的频率升高!

如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f就可得到运动速度。第29页/共44页超声波多普勒测量车速第30页/共44页超导传感器

一、

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：①更宽的响应波段范围。②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。③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：①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，用于精密制导、火控、红外；②民用上，用于低温测温仪、光谱仪、天文探测，特别是天文卫星对外层空间的探测等。第31页/共44页

二、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。无人机上搭载的摄像设备就集成了可见光和红外传感器，满足战场需要。第32页/共44页

三、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；②传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；③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。第33页/共44页四、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。磁超导型核磁共振仪第34页/共44页智能传感器智能传感器的定义

目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。

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智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框图如图示。第36页/共44页37

世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能。最近，该公司还相继开发出ST3000－900/2000等系列的新产品，使之功能进一步完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在全世界的销量已突破50万只，深受广大用户的青睐。

第37页/共44页智能传感器的功能（1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还

能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。

（3）具有双向通信功能，能直接与微处理器（μP）或单片机（μC）通信。

(4）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。第38页/共44页智能传感器的特点

1、高精度智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。2、宽量程智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。3、可靠性