现代测试技术先进传感器技术.ppt

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中国石油大学信息与控制工程学院现代测试技术现代测试技术2011.10中国石油大学信息与控制工程学院第二章、先进传感技术第二章、先进传感技术现代检测技术中国石油大学信息与控制工程学院第一节、传感器基础第一节、传感器基础绪论中国石油大学信息与控制工程学院人类认识客观世界的过程人类认识客观世界的过程传感器基础中国石油大学信息与控制工程学院转换电路转换电路电信号电信号敏感元件敏感元件传感器（传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义是：

）的定义是：

“能够感受规定的被测量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的基本组成传感器基础中国石油大学信息与控制工程学院传感器基础几种传感器几种传感器温度传感器温度传感器超声波传感器超声波传感器光电传感器光电传感器加速度传感器加速度传感器气体烟雾传感器气体烟雾传感器中国石油大学信息与控制工程学院传感器基础谐振筒压力谐振筒压力传感器传感器光纤电流传感器光纤电流传感器光纤位移传光纤位移传感器感器电磁式电压互电磁式电压互感器感器几种传感器几种传感器中国石油大学信息与控制工程学院第二节、先进传感技术第二节、先进传感技术中国石油大学信息与控制工程学院电子耳蜗电子耳蜗仿生眼仿生眼电子电子鼻鼻仿生传感器仿生传感器几种传感器中国石油大学信息与控制工程学院2.1新型传感效应一、光电效应一、光电效应用弧光灯照射擦得很亮的用弧光灯照射擦得很亮的不带电的锌板，不带电的锌板，（注意用注意用导线与不带电的验电器相导线与不带电的验电器相连）连），现象：

验电器指针现象：

验电器指针出现张角；出现张角；当当验电器张角验电器张角增大到约为增大到约为3030度时，再度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。

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表明锌板在射线照射下失去电子而带正电中国石油大学信息与控制工程学院n19001900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。

事实相符。

n能量量子化：

每一份能量叫一个能量子，记做：

能量量子化：

每一份能量叫一个能量子，记做：

hvhv，h=6.63X10-h=6.63X10-34J34JS,S,普朗克常量，普朗克常量，vv为电磁波的频率。

为电磁波的频率。

普朗克的观点与困惑普朗克的观点与困惑爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦（爱因斯坦（1879187919551955）n爱因斯坦在普朗克研究的基础上，根爱因斯坦在普朗克研究的基础上，根据能量守恒定律据能量守恒定律,提出提出“光量子光量子”概念。

概念。

简称光子。

他认为每一个光子的能量为简称光子。

他认为每一个光子的能量为EE=hv=hv，hh叫普朗克常量，叫普朗克常量，vv为光的频率。

为光的频率。

光电效应中国石油大学信息与控制工程学院n11、产生光电效应的条件、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。

实实验验结结论论任何一种金属，都有一个任何一种金属，都有一个截止频率截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频，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，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。

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；发生光电效发生光电效应所需的入应所需的入射光的最小射光的最小频率频率截止频率取决于截止频率取决于金属自身金属自身光电效应规律光电效应规律光电效应中国石油大学信息与控制工程学院n22、最大初动能、最大初动能光电效应中从金属中出来的电子，有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，因此电途与其它粒子碰撞，损失部分能量，因此电子速度会有差异，子速度会有差异，直接从金属表面飞出的速直接从金属表面飞出的速度最大，其动能为最大初动能。

度最大，其动能为最大初动能。

VV甲如右图（其中单色光的入口如右图（其中单色光的入口CC用石英窗），用石英窗），用来测定光电子的最大初动能。

当图中用来测定光电子的最大初动能。

当图中电流表电流表GG读数为零时，伏特表读数为零时，伏特表VV中的读数中的读数UU*ee就是光电子最大初动能。

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。

率增大而增大。

光电效应中国石油大学信息与控制工程学院n33、爱因斯坦光电效应方程、爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程：

爱因斯坦光电效应方程：

Ek0-W0逸出功和截止频率的关系逸出功和截止频率的关系极限波长和截止频率的关系极限波长和截止频率的关系由由v=fv=f得得光电效应有力地证明了光具有粒子性光电效应有力地证明了光具有粒子性hv=1/2mv2+AAA叫逸出功：

金属内的电子吸收了一个光子的能叫逸出功：

金属内的电子吸收了一个光子的能量量hvhv之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需要做的功需要做的功光电效应中国石油大学信息与控制工程学院n44、光电管及其应用、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。

光纤通信等技术装置里。

构造图：

构造图：

作用：

作用：

光电效应能把光信号转变为光电效应能把光信号转变为电信号（而且几乎同步）。

如图，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改变光的强弱就会从电流表中读数变化得到电流的强弱。

变化得到电流的强弱。

光电效应中国石油大学信息与控制工程学院压电式传感器是一种有源的（发电型）双向机电传感器。

它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。

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当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时缩时,在其表面上会产生电荷在其表面上会产生电荷（束束缚电荷缚电荷）,）,这种效应称为压电效应。

这种效应称为压电效应。

晶体的这一性质称为压电性。

压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，这种效场的作用下要发生形变，这种效应称为反向（逆）压电效应。

应称为反向（逆）压电效应。

（电致伸缩效应）（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。

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、压电效应二、压电效应2.1新型传感效应中国石油大学信息与控制工程学院n11、压电材料、压电材料石英晶体性能非常稳定，机械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、强度高，转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高率高、动态特性好、工作温度高达达550550（压电系数不随温度而（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达改变）、工作湿度高达100%100%、稳、稳定性好。

绝缘性能也相当好。

定性好。

绝缘性能也相当好。

但价格昂贵，且压电系数比压但价格昂贵，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。

标准仪器或要求较高的传感器中。

石英晶体石英晶体压电效应中国石油大学信息与控制工程学院锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3PbTiO3和和PbZrO3PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O3O3。

压电系数大，居里温度在压电系数大，居里温度在300300以上，各项机电参数受温度影响以上，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微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZTPZT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最广泛的压电材料。

的压电材料。

压电陶瓷：

锆钛酸铅系压电陶瓷（压电陶瓷：

锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）压电效应中国石油大学信息与控制工程学院聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF,PVDF,）是目前发现的）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种薄膜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。

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、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，制成混合复还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料合材料（PVDF（PVDFPZT）PZT）。

压电效应压电聚合物压电聚合物中国石油大学信息与控制工程学院压电半导体材料压电半导体材料如如ZnOZnO、CdSCdS、CdTeCdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。

此外用时间短等优点。

此外用ZnOZnO作为表面声波振荡器的压电材料，作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。

可测取力和温度等参数。

压电效应中国石油大学信息与控制工程学院由质量块、压电元件和支座组成。

由质量块、压电元件和支座组成。

支支座座与与待待测测物物刚刚性性地地固固定定在在一一起起。

当当待待测测物物运运动动时时,支支座座与与待待测测物物以以同同一一加加速速度度运运动动,压压电电元元件件受受到到质质量量块块与与加加速速度度相相反反方方向向的的惯惯性性力力的的作作用用,在在晶晶体体的的两两个个表表面面上上产产生生交交变变电电荷荷（电压电压）。

当当振振动动频频率率远远低低于于传传感感器器的的固固有有共共振振频频率率时时,传传感感器器的的输输出出电电荷荷（电电压压）与作用力成正比。

与作用力成正比。

压电加速度传感器原理图压电加速度传感器原理图n22、压电传感器、压电传感器压电效应加速度传感器加速度传感器中国石油大学信息与控制工程学院压电传感器-声表面波（SAW）传感器声表面波（声表面波（SAW）SAW）传感器传感器表面波传感器是基于超生表面波振荡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，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、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应力、微小位移、作用力以及温度等参数的传感器数的传感器;声表面波器件是由电压材料基片和沉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。

淀在基片上不同功能的叉指换能器组成。

频率输出频率输出,很容易转换成数字形式很容易转换成数字形式;中国石油大学信息与控制工程学院可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板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式脚踏报警器压电效应n33、压电传感器典型应用、压电传感器典型应用中国石油大学信息与控制工