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1、压电传感器、光纤传感器及其在测量中的应用,张春阳2012.5.10,第一部分：传感器简介第二部分：压电传感器第三部分：光纤传感器,内容,1、传感器的定义： 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。2、传感器的组成： 传感器由敏感元器件（感知元件）、转换器件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源。,一、传感器概念,第一部分：传感器简介,3、传感器的分类,传感器的分类主要依靠敏感原件的种类来区分。 敏感原件品种繁多就其感知外界信息的原理来讲，可分为物
2、理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类,4、常见类型,湿敏传感器气敏传感器温度传感器声敏传感器压电传感器（如力敏传感器）光纤传感器,视频,工作原理： 湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发生化而制成的测湿元件，从而将湿度转变电信号，感知空气中湿度的变化。,1、湿敏传感器,湿敏元件,自动加湿器,二、常用传感器工作原理及应用,2、气敏传感器 工作原理： 声表面波器件之波速和频率会
3、随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。 它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。,烟雾报警器,酒精测试仪,工作原理： 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形
4、成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。,电子温度计,空调,3、温度传感器,工作原理：将声音震动信号转化到电容上，再转化为电流信号或是讲震动转化为磁场信号，再转化为电信号。,声控灯,电话,声敏传感器,4、声敏传感器,工作原理：压力传感器主要利用弹性材料的形变和位移来检测外界信号的变化，并将其转换为电信号。如硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。,电子秤,表面张力测试仪,5、压力传感器,工作原理：光敏电阻的阻值会随光照射程度的不同而产生变化，在一个闭合的电路中，电阻阻值的大小会影响电流的大小，从而将光这种外部信号转化为电信号。,6、光敏传感器,
5、太阳能电池,第二部分：压电传感器,1、原理2、应用,一、压电传感器的工作原理,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,一、压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力
6、F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；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、压电材料的分类及特性,压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 1、压电晶体（如上述的石英晶体）； 2、 经过极化处理的 压电陶瓷；3、高分子压电材料。,（一）石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形,石英晶体切片及
7、封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,（二）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。,压电陶瓷外形,直流电场E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,(a)极化处理前,(b)极化处理中,(c)极化处理后,压电陶瓷的极化效应,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,（三）高分子压电薄膜及拉制,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,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,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,压电式传感器的测量电路（一）等效电路 当压电传
8、感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为,q,q,电极,压电晶体,Ca,(b),(a),压电传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,（二） 测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的输出高阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱
9、信号。 前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 1、电压放大器,图（b）中，等效电阻R为,Fm作用力的幅值,压电元件所受作用力,C=Cc+Ci,而,等效电容为,若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为,Um电压幅值,由图(b)可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为,2、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路CF与RF。由图可知i的表
10、达式为：,（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,二、压电式传感器的应用,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相
11、位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,视频播放 -铅笔制造工艺,第三部分：光纤传感器,光纤与传光原理光强调制光纤传感器相位调制光纤传感器偏振态调制光纤电流传感器,基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质： 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 n2 ）。,1、光纤与传光原理,光纤的结构,1.1 光纤的结构和分类,光纤的分类 (1) 按纤芯和包层材料性质分类： 玻璃光纤和塑料光纤 (2) 按折射率分布分类： 阶跃折射率型和梯度折射率型 阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变；
12、但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，如图所示。,光纤传光原理主要是基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角减小到某一角度c时，光线全部反射。 只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。,10.1.2 光纤的传光原理,由斯涅尔（Snell）定律：,就能产生全反射。 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质(n1、n2)决定的，与光纤的几何尺寸无关,若满足,即,光纤传感器除了
13、光导纤维外，还必须有光源和光探测器，另外还有一些光无源器件。光源：相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤：传输媒质，负责信号的传输；传感头：感知外界信息，相当于调制器；光探测器：负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理系统：还原外界信息，相当于解调器。光无源器件,1.4 光纤传感器中的元器件,1.5 光纤传感器的原理,光纤传感器由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，从而使光信号变为电信号
14、，最后经信号处理得到所期待的被测量。,1.5 光纤传感器的原理,光纤传感器由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，从而使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,1-5光纤传感器的基本结构原理,光纤强度调制传感器的原理图,光纤温度传感器 光纤速度传感器 光纤加速度传感器 光纤浓度传感器 光纤电流传感器 光纤流速传感器等,3. 按被测物理量分类,应用1：球面光纤液位传感器,光由光纤的一端导入,
15、在球状对折端部一部分光透射出去,而另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。因此,该传感器可用于液位报警。若以探头在空气中时的反射光强度为基准，则当接触水时反射光强变化6dB7dB,接触油时变化25dB30dB。,应用2：数控机床中的应用 -光纤速度传感器,与传统加速度传感器相比, 光纤加速度传感器不但具有抗电磁干扰的独特优点, 而且体积小、 质量轻、 动态范围宽、 准确度高、 能在恶劣环境下工作, 因此光纤加速度传感器的研究受到高度重视,各种光纤加速度传感器不断涌现。,光纤加速传感器则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。,优点：,视频 -数控机床,谢谢！,
