幾種新型傳感器課件

幾種新型傳感器隨著技術的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，各種新型傳感器層出不窮。與傳統(tǒng)傳感器相比，新型傳感器的典型特征是微型化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化。各種新型傳感器被廣泛應用于生物、醫(yī)學、環(huán)?；瘜W、工業(yè)過程控制和汽車制造等領域。一非晶態(tài)合金傳感器非晶態(tài)合金是一種新型功能材料，它具有豐富而明顯的物理效應。現(xiàn)在非晶態(tài)合金廣泛應用于各種物理檢測領域。

非晶態(tài)合金具有下面兩種主要敏感功能：1．非晶態(tài)合金的磁—機轉換功能非晶態(tài)合金的磁—機變換功能主要指其將機械量轉換成磁學量的功能，也包括磁場對非晶態(tài)合金力學性能的影響。磁彈性效應是非晶態(tài)合金實現(xiàn)磁—機轉換的核心。典型的磁彈性效應有磁致伸縮效應與逆磁致伸縮效應等，前者多應用于超聲波發(fā)生元件；后者是眾多機械量、力學量和磁場傳感器敏感機理的基礎。利用該效應可以檢測的物理量包括磁場、應力應變、扭矩、沖擊、聲音、壓力、加速度等等。脈沖感應型磁場傳感器脈沖感應型磁場傳感器的基本組成單元有三部分，即脈沖電流源、帶有非晶態(tài)合金磁心的檢測線圈和感應電壓檢出器，如圖所示。脈沖電流源向檢測線圈提供一個受控的窄脈沖電流，對非晶態(tài)合金磁心進行周期性的磁化。同時，非晶態(tài)合金磁心也是敏感元件，它感受被測磁場的變化，將這種變化調制到磁化狀態(tài)上去。當檢測線圈兩端的激勵電流為零時（即窄脈沖的下降沿），利用電磁感應效應把被測磁場變化轉化成感應電壓。感應電壓檢出器則把線圈所產(chǎn)生的感應電壓的峰值取出來，向外輸出。非晶態(tài)合金膜片式壓力傳感器該傳感器利用非晶態(tài)合金的磁致伸縮效應與逆磁致伸縮效應制成。磁致伸縮效應既磁性體在外加磁場作用下發(fā)生機械形變；反之，外力作用下的機械形變會改變該磁性體的磁化狀態(tài)。圖示為非晶態(tài)合金膜片。膜片周圍固定在方形框上。上面裝有驅動磁頭D1和檢測磁頭D2。D1產(chǎn)生正弦交變磁場，使膜片產(chǎn)生同頻率的機械形變。同時，該機械形變在D2端表現(xiàn)為交變的磁化狀態(tài)，D2通過一定方法（例如將非晶態(tài)合金膜片作為電感傳感器的磁心）將此交變磁化狀態(tài)轉換為正弦電壓信號。若垂直于膜片加靜態(tài)壓強p，則膜片彎曲，膜片的磁化狀態(tài)因此發(fā)生改變。D2所檢測電壓幅值Em與膜片所受壓強p有線性關系。2超導可見光傳感器超導可見光傳感器多用超導陶瓷材料制成。若將絕緣薄膜夾置于兩不同超導陶瓷之間，即使不加電壓也會有電流從超導陶瓷1流向超導陶瓷2。該現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應，該結構稱為約瑟夫遜結。若有光子入射，則在約瑟夫遜結中的電流也將發(fā)生變化。因此，通過測量電流變化，可以檢測光信號大小，這就是可見光超導傳感器工作原理。3超導微波傳感器微波是波長為1m1mm的電磁波。微波相對于光波和紅外線等電磁波具有下列特點：①遇到各種障礙物易于反射；②傳輸過程中受煙、火焰、灰塵、強光等的影響很?。虎劢橘|對微波的吸收與介質的介電常數(shù)成比例。以上特點構成了微波檢測的基礎。超導微波檢測的原理如下：將絕緣薄膜夾置于兩超導體之間，即構成了隧道結；若兩超導體之間存在電勢差，則在隧道結中產(chǎn)生電流。當隧道結受到微波輻射時，其電流—電壓特性改變。因此，可以利用這個特性檢測微波，而且具有超高靈敏性能，一般將用于測頻率為10THz的微波信號。4超導磁場傳感器圖示為超導磁場傳感器原理圖。當超導環(huán)受到磁場作用時，超導體內部超導電流排斥磁場，環(huán)內磁場為零。超導電流Is只與外磁場強度B成正比。若測量出Is值的大小，則可確定磁場強度B值。須指出，電流Is并不與外加磁場強度B有嚴格的正比關系，而與磁通（=BS）成正比，其中S為超導環(huán)的面積。三液晶傳感器液晶受電場、磁場、熱能及聲能等作用時，能引起雙折射性、二色性、旋光性等光學效應，利用這些效應，可以制成各種液晶傳感器。1液晶電磁場傳感器液晶電磁場傳感器的工作原理如圖所示。若將經(jīng)過垂直排列處理的液晶玻璃（使其分子成垂直排列）放在一塊集成電路板上，當給電路通電工作時，有電流流過的地方，液晶分子由于受到電磁場的作用，立即變?yōu)闊o規(guī)則排列，這些地方可以透過光線變亮；沒有流過電流的地方難以透過光線仍然為暗。利用這個特性，可以對集成電路板質量進行檢測，也可對絕緣膜有無缺陷作檢查。2液晶電壓傳感器液晶電壓傳感器工作原理為：經(jīng)過垂直排列處理的液晶分子，在外加電壓作用下，其分子排列向水平排列轉換，而且轉換分子的數(shù)量隨外加電壓的大小而變化，光線僅僅能通過液晶分子水平排列的那部分。因此，可以通過測量透光液晶容器的長度來確定外加電壓狀況。3液晶超聲波傳感器當超聲波射在液晶容器上時，液晶的光學性能發(fā)生變化。因此，可以將超聲波圖像轉換成可見光圖像。在超聲源和液晶器件之間放置要成像的物體，在液晶器上，受到超聲輻射和未受超聲輻射部分的分子排列不同，因而在液晶器件上能顯示出可見光的物體輪廓圖像。四薄膜傳感器1薄膜應變電阻傳感器

合金薄膜傳感器的基本結構如圖所示。首先，在彈性基底上濺射一層介質層(如Al2O3層)，再濺射敏感層(如Ni-Cr層)；然后在其上蒸發(fā)一層金屬，用光刻法刻出電極端，在電極端用熱壓法焊上金絲作為電極引線；整個芯片密封在傳感器殼體中，接入轉換電路（如惠斯登電橋）。當傳感器承受壓力時，Ni-Cr應變片承受應變后，電阻值產(chǎn)生變化，接入惠斯登電橋中，電橋失衡，產(chǎn)生輸出電壓。該傳感器具有制作工藝環(huán)節(jié)少、穩(wěn)定性和靈敏系數(shù)較高、量程很大等優(yōu)點，現(xiàn)已制成了大量程稱重、加速度、壓力傳感器等。3薄膜氣敏傳感器薄膜氣敏傳感器的工作原理類似于燒結型氣敏傳感器，都是利用吸附被測氣體分子從而改變自身導電能力的特性制成的。需指出，吸附不同氣體后其導電能力變化趨勢不同。例如，吸附O2、NO2等氧化性氣體后電阻升高，吸附H2、CO等還原性氣體后則電阻降低。被吸附的氧分子又可再吸附還原性氣體的分子。為了進一步提高薄膜氣敏傳感器性能，近年來，使用添加劑，特別是使用稀土添加劑之后，氣敏元件的性能得到了顯著改善。當氣體與固體催化劑接觸時，氣體可以在催化劑表面發(fā)生吸附現(xiàn)象，且化學吸附比物理吸附更重要。因反應物在催化劑表面上化學吸附成為活化吸附態(tài)，從而降低反應活化能，提高反應速度，控制反應方向。4薄膜磁敏傳感器薄膜磁敏傳感器的工作原理是建立在磁性金屬薄膜的磁阻效應基礎上的。其電阻的大小隨薄膜的霍爾遷移率H及磁通密度B之積的平方而變化。在磁阻薄膜的應用中，最先得到重視的是制成磁阻磁頭，用來讀取高密度磁記錄信號。因為在高密度磁記錄條件下，對應于每個記錄位的磁通量是十分微弱的。如果用常規(guī)的電感式磁頭讀取信息，信噪比已經(jīng)不能滿足要求，若用薄膜磁阻磁頭讀取信息，其輸出電壓與轉速無關，這是讀取高密度磁記錄信號的理想手段。為了檢測或控制旋轉物理量—轉速、角度、位置而使用旋轉編碼器。目前廣泛使用的是光編碼器，這種器件在長期使用過程中耐油污、粉塵的能力差。加上它的結構復雜，難于小型化，功耗亦大，目前正在被磁性編碼器取代。磁性編碼器由磁阻傳感器和多極磁鼓構成，結構簡單、安裝方便、成本便宜、功耗低、使用壽命長。5壓電薄膜傳感器PVDF(PolyVinyliDenceFloride)是一種有機高分子功能材料，其化學名稱為聚偏二氟乙烯。PVDF材料可用熱成形法加工成膜狀、管狀和粒狀,其中以薄膜狀用得較多。PVDF薄膜厚度約為幾十微米，具有優(yōu)良的柔性及壓電特性，可用來代替壓電陶瓷制作機器人的觸覺傳感器。例如已采用PVDF作敏感材料制作了觸覺傳感器，用于分析人手指紋的形狀與功能，打破了傳統(tǒng)的制作單觸覺傳感器的局限。用普通橡膠制成有指紋狀及有許多小凸點的兩種表皮，將其放在PVDF薄膜上形成觸覺兼滑覺的復合傳感器，當機器人的手爪（傳感器）表面開始接觸物體時，接觸階躍性應力使PVDF產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器，變?yōu)橛|覺信號。而工件相對于傳感器表層滑動時，摩擦力變化引起傳感器表層的誘導振動，該誘導振動使PVDF產(chǎn)生交變電壓信號。1微機械壓力傳感器從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造。從敏感膜結構來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。目前，壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%～0.01％，年穩(wěn)定性達0.1％/F.S，溫度誤差為0.0002％，耐壓可達幾百兆帕，過電壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上，并能進行大范圍下的全溫補償。微機械壓力傳感器的發(fā)展集中在高靈敏度的壓力傳感器和高溫工作的壓力傳感器兩個方面。利用SiO2上淀積的多晶硅或利用硅-硅直接結合再減薄形成的單晶硅膜加工出介質隔離的力敏電阻，力敏電阻之間由SiO2隔離，而SiO2下面的硅材料仍可以用微機械加工形成硅膜結構。這樣就制成了微機械高溫壓力傳感器。目前這種壓力傳感器已有商品出售。2微機械加速度傳感器硅微加速度傳感器主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。例如電容式微機械加速度傳感器，其基本機械結構、工作原理與第四章中力平衡式電容傳感器基本相同，由于質量塊的位移很小，消除了因質量塊的位移而引起的非線性，器件的精度可以做得很高。六智能傳感器微處理器（或微計算機）和傳感器相結合，產(chǎn)生了功能更強大的智能傳感器，是傳感器發(fā)展的主要趨勢之一。1傳感器智能化傳感器與微處理器結合可以通過以下兩種途徑來實現(xiàn)：一是采用微處理器或微型計算機系統(tǒng)以強化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能。二是借助于半導體技術把傳感器部分與信號預處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器。因此，傳感器智能化經(jīng)歷了非集成化智能傳感器和集成化智能傳感器兩個主要階段。微型計算機或微處理器是智能式傳感器的核心。傳感器的信號經(jīng)過一定的硬件電路處理后、以數(shù)字信號的形式進入計算機。而計算機可以根據(jù)內存中的程序，實現(xiàn)對測量過程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，以及信息傳輸?shù)裙δ?，從而使傳感器獲得智能功能。具體主要包括控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)傳輸功能等。2光電式智能壓力傳感器圖示為一種智能壓力傳感器。它是以微處理器為基礎的智能傳感器，能測量流體壓力，并輸出對應的模擬信號和數(shù)字信號。它獨特的溫度和靜態(tài)誤差修正功能使其能滿足苛刻的使用環(huán)境。它具有DE通信協(xié)議、可與集散控制系統(tǒng)和智能現(xiàn)場通信器實現(xiàn)雙向數(shù)字通信，消除了模擬信號傳輸誤差，方便了傳感器的調試、校驗和故障診斷。3智能紅外傳感器常見紅外傳感器的很多功能如溫度補償、輸出特性線性化、利用同步檢波提取交流信號峰值等，主要依靠硬件電路實現(xiàn)，這樣不僅電路