现代测试技术先进传感器技术

现代测试技术先进传感器技术第1页/共30页第二章、先进传感技术

现代检测技术第2页/共30页第一节、传感器基础绪论第3页/共30页人类认识客观世界的过程传感器基础第4页/共30页转换电路物理信息化学信息生物信息电信号敏感元件传感器传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传感器的基本组成传感器基础第5页/共30页传感器基础几种传感器温度传感器超声波传感器光电传感器加速度传感器气体烟雾传感器第6页/共30页传感器基础谐振筒压力传感器光纤电流传感器光纤位移传感器电磁式电压互感器几种传感器第7页/共30页第二节、先进传感技术第8页/共30页电子耳蜗仿生眼电子鼻仿生传感器几种传感器第9页/共30页2.1新型传感效应一、光电效应用弧光灯照射擦得很亮的不带电的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），现象：验电器指针出现张角；当验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电第10页/共30页1900年，德国物理学家普朗克在研究热辐射的规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不连续，是一份份的，理论计算的结果才能跟实验事实相符。能量量子化：每一份能量叫一个能量子，记做：hv，h=6.63X10-34J·S,普朗克常量，v为电磁波的频率。普朗克的观点与困惑爱因斯坦光电效应方程

爱因斯坦（1879—1955）爱因斯坦在普朗克研究的基础上，根据能量守恒定律,提出“光量子”概念。简称光子。他认为每一个光子的能量为E=hv，h叫普朗克常量，v为光的频率。光电效应第11页/共30页1、产生光电效应的条件如锌板用紫外线照射，能产生光电效应，用黄光照射则不能产生光电效应。实验结论任何一种金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应，低于这个频率的光，无论光强怎样大，照射时间多长，也不能产生光电效应。如图所示装置，不同单色光照射相同金属，有的光照射可以发生光电效应，有的光照射则不可以；发生光电效应所需的入射光的最小频率截止频率取决于金属自身光电效应规律光电效应第12页/共30页2、最大初动能

光电效应中从金属中出来的电子，有的从金属表面直接飞出，有的从内部出来沿途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。VV甲如右图（其中单色光的入口C用石英窗），用来测定光电子的最大初动能。当图中电流表G读数为零时，伏特表V中的读数U*e就是光电子最大初动能。光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光的频率增大而增大。光电效应第13页/共30页3、爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程：Ekαν0-Wν0逸出功和截止频率的关系极限波长和截止频率的关系由v=λf得光电效应有力地证明了光具有粒子性hv=1/2mv2+AA叫逸出功：金属内的电子吸收了一个光子的能量hv之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需要做的功光电效应第14页/共30页4、光电管及其应用

光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等技术装置里。构造图：作用：光电效应能把光信号转变为电信号（而且几乎同步）。如图，改变光的强弱就会从电流表中读数变化得到电流的强弱。光电效应第15页/共30页压电式传感器是一种有源的（发电型）双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。晶体的这一性质称为压电性。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向（逆）压电效应。（电致伸缩效应）

测量动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。二、压电效应2.1新型传感效应第16页/共30页1、压电材料石英晶体性能非常稳定，机械强度高，转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。绝缘性能也相当好。但价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。石英晶体压电效应第17页/共30页

锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。压电系数大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸铅中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。压电陶瓷：锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）压电效应第18页/共30页聚偏二氟乙烯（PVDF,）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、柔性好，不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVDF—PZT)。压电效应压电聚合物第19页/共30页压电半导体材料如ZnO、CdS、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。压电效应第20页/共30页由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。压电加速度传感器原理图2、压电传感器压电效应加速度传感器第21页/共30页压电传感器-声表面波（SAW)传感器声表面波（SAW)传感器表面波传感器是基于超生表面波振荡器的频率随着被测物理量的变化而改变，从而实现被测量的一种新型传感器。根据目前对声表面波器件的研究结果，用声表面波器件可以做成测量机械应变、应力、微小位移、作用力以及温度等参数的传感器;声表面波器件是由电压材料基片和沉淀在基片上不同功能的叉指换能器组成。频率输出,很容易转换成数字形式;第22页/共30页可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器压电效应3、压电传感器典型应用第23页/共30页高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）压电效应第24页/共30页玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于20kHz）的振动。将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴位置玻璃打碎报警装置压电效应第25页/共30页将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。交通监测压电效应第26页/共30页27是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”三、巨磁电阻效应2.1新