第12章-新型傳感器課件

檢測技術與自動化儀表12新型傳感器河南理工大學精品課程檢測技術與自動化儀表12新型傳感器河南理工大學精品課程概述

從20世紀80年代以來，基于新型傳感效應、新型敏感材料、新加工工藝的各種新型傳感器陸續(xù)出現(xiàn)，各種實用型器件也在不斷涌現(xiàn)和改善之中。新型傳感器如生物傳感器、微波傳感器、超聲波傳感器、機器人傳感器等等，已經(jīng)成為當今信息技術中信息獲取的重要器件，在各種特定環(huán)境和特殊要求下，發(fā)揮巨大的作用。概述從20世紀80年代以來，基于新型傳感效應、新12.1生物傳感器一、基本概念生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對特定種類化學物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應的分析裝置。它是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測與監(jiān)控方法,也是對物質(zhì)在分子水平上進行快速和微量分析的方法。12.1生物傳感器一、基本概念生物傳感器通常是指由一種生工作原理生物傳感器的工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?，再?jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。12.1生物傳感器工作原理生物傳感器的工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定生物（1）將化學變化轉(zhuǎn)變成電信號例,酶催化特定物發(fā)生反應,從而使特定生成物的量有所增減.用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器。（2）將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號固定化的生物材料與相應的被測物作用時常伴有熱的變化。這類生物傳感器的工作原理是把反應的熱效應借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化。12.1生物傳感器（1）將化學變化轉(zhuǎn)變成電信號例,酶催化特定物發(fā)生反應,從而（3）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?/p>

例如，過氧化氫酶,能催化過氧化氫發(fā)光,因此如設法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,再和光電流測定裝置相連,即可測定過氧化氫含量。還有很多細菌能與特定底物發(fā)生反應,產(chǎn)生熒光。也可以用這種方法測定底物濃度.上述三原理的生物傳感器共同點：都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學反應,將反應后所產(chǎn)生的化學或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行測量,這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式.12.1生物傳感器（3）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柪?，過氧化氫酶,能催化（4）直接產(chǎn)生電信號方式這種方式可以使酶反應伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。12.1生物傳感器（4）直接產(chǎn)生電信號方式這種方式可以使酶反應伴隨的電子轉(zhuǎn)移、二、生物傳感器分類

1、根據(jù)輸出信號的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型、代謝型或催化型;2、根據(jù)信號轉(zhuǎn)換器可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等3、根據(jù)生物分子識別元件上的敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細胞及細胞器傳感器。12.1生物傳感器二、生物傳感器分類1、根據(jù)輸出信號的產(chǎn)生方式,可分為

被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料的分子結(jié)構和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學性質(zhì)等的變化。反應式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR生物親合型傳感器12.1生物傳感器被測物質(zhì)與分子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用

底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應形式可表示為

S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

代謝型傳感器12.1生物傳感器代謝型傳感器12.1生物傳感器生物傳感器的分類12.1生物傳感器生物傳感器的分類12.1生物傳感器三、組成部分一是生物分子識別元件(感受器),是具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細胞、細胞器、細胞膜、酶、抗體、核酸、有機物分子等);二是信號轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學電極(如電位、電流的測量)、光學檢測元件、熱敏電阻、場效應晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復合物(或光、熱等)通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?、光信號?從而達到檢測的目的。12.1生物傳感器三、組成部分一是生物分子識別元件(感受器),是具有分子識別能敏感器件（分子識別元件）12.1生物傳感器敏感器件（分子識別元件）12.1生物傳感器四、生物傳感器優(yōu)點(1)根據(jù)生物反應的特異性和多樣性,理論上可以制成測定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測定范圍廣泛(2)一般不需進行樣品的預處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時一般不需另加其他試劑,使測定過程簡便迅速,容易實現(xiàn)自動分析(3)體積小、響應快、樣品用量少,可以實現(xiàn)連續(xù)在位檢測12.1生物傳感器四、生物傳感器優(yōu)點(1)根據(jù)生物反應的特異性和多樣性,理論上(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復多次使用(5)準確度高,一般相對誤差可達到1%以內(nèi)(6)可進行活體分析(7)傳感器連同測定儀的成本遠低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信息12.1生物傳感器(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復多次使用12.11.食品分析五、應用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗食品鮮度的檢測12.1生物傳感器1.食品分析五、應用食品成分分析12.1生物傳感器2.環(huán)境監(jiān)測水質(zhì)分析：一個典型應用是測定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測BOD需5天，且操作復雜。1977年Karube等首次報道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達17天；廢氣或環(huán)境大氣的監(jiān)測：可用于測定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場效應晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測定12.1生物傳感器2.環(huán)境監(jiān)測水質(zhì)分析：一個典型應用是測定生化需氧量（BOD）3.生物醫(yī)學臨床應用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術生產(chǎn)藥物時，將生物傳感器用于生化反應的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。12.1生物傳感器3.生物醫(yī)學臨床應用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液4.軍事應用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學武器、生物武器威脅下進行的戰(zhàn)爭。偵檢、鑒定和檢測是進行有效化學戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測化學戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。如煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器能在10s內(nèi)偵檢出10-9濃度級的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。

12.1生物傳感器4.軍事應用現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學武器、生物武環(huán)境廢水BOD分析儀12.1生物傳感器環(huán)境廢水BOD分析儀12.1生物傳感器手掌型葡萄糖分析儀12.1生物傳感器手掌型葡萄糖分析儀12.1生物傳感器發(fā)酵罐主機計算機SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)12.1生物傳感器發(fā)酵罐主機計算機SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)12.112.2微波傳感器一、微波概述

微波是波長為1mm～1m的電磁波，可以細分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對波長較長的電磁波。微波特點：①定向輻射的裝置容易制造；②遇到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特性好，傳輸過程中受影響很??；⑤介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。

12.2微波傳感器一、微波概述微波是二、微波傳感器的原理和組成

1、微波傳感器的測量原理及分類微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。

12.2微波傳感器二、微波傳感器的原理和組成1、微波傳感器的測量原理及分類（1）反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數(shù)的。12.2微波傳感器（1）反射式微波傳感器12.2微波傳感器

微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。（1）微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構成微波振蕩器。構成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應管。2、微波傳感器的組成12.2微波傳感器微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管（管長為10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構。常用的天線如圖所示，其中有喇叭形天線（圖（a）、（b））、拋物面天線（圖（c）、（d））、介質(zhì)天線與隙縫天線等。（a）扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線12.2微波傳感器由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管（管長為10（2）微波檢測器

電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通常可用半導體PN結(jié)，而對于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導材料的約瑟夫遜結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構成的隧道結(jié)元件。

2、微波傳感器的組成（2）微波檢測器2、微波傳感器的組成

微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點：①有極寬的頻譜（波長=1.0mm-1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時間常數(shù)小，反應速度快，可以進行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；3、微波傳感器的特點12.2微波傳感器微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點：④測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控；⑤微波無顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問題是零點漂移和標定尚未得到很好的解決。其次，使用時外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。12.2微波傳感器④測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，從三、微波傳感器的應用1、微波液位傳感器

微波液位計

12.2微波傳感器三、微波傳感器的應用1、微波液位傳感器微波液位計12.水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶極子會形成定向排列。當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復取向，不斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體下圖給出了測量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無水酒精，T2放置被測樣品。相位與衰減測定儀（PT、AT）分別反復接通兩電路（T1和T2）輸出，自動記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定樣品酒精的含水量。2、微波濕度傳感器12.2微波傳感器下圖給出了測量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行測厚的。微波測厚儀原理如圖所示，在被測金屬物體上下兩表面各安裝一個終端器。微波信號源發(fā)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A、上傳輸波導管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測物體上表面上，微波在被測物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導管、環(huán)行器A、下傳輸波導管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導管回到環(huán)行器A。因此被測物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關系，當被測物體厚度增加時，微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。3、微波測厚儀12.2微波傳感器3、微波測厚儀12.2微波傳感器微波測厚儀原理圖3、微波測厚儀12.2微波傳感器微波測厚儀原理圖3、微波測厚儀12.2微波傳感器一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L度的變化非常微小。為了精確地測量出這一微小變化，通常采用微波自動平衡電橋法，前面討論的微波傳輸行程作為測量臂，而完全模擬測量臂微波的傳輸行程設置一個參考臂（圖右部）。若測量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長度不同，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號輸出。此不平衡差值信號經(jīng)放大后控制可逆電機旋轉(zhuǎn)，帶動補償短路器產(chǎn)生位移，改變補償短路器的長度，直到兩臂行程長度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機停止轉(zhuǎn)動為止。3、微波測厚儀12.2微波傳感器一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L度的變化非常微小。為了精

微波無損檢測是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。

4、微波無損檢測12.2微波傳感器4、微波無損檢測12.2微波傳感器

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導致心臟停止跳動。聲波的分類12.3超聲波傳感器

1.次聲波次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不2.可聞聲波美妙的音樂可使人陶醉。頻率在16~20KHz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波12.3超聲波傳感器2.可聞聲波美妙的音樂可使人陶醉。頻率在16~203.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。高于20KHz的機械波，稱為超聲波12.3超聲波傳感器3.超聲波蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。高于20KHz的機械波，一、超聲波物理基礎

頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。12.3超聲波傳感器一、超聲波物理基礎頻率高于20kHz的機械振動波稱為超聲波縱波縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器縱波縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液橫波橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；12.3超聲波傳感器橫波橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)表面波表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?2.3超聲波傳感器表面波表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑コ暡ǖ膫鞑ニ俣扰c介質(zhì)密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；Ba——絕對壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。超聲波的傳播12.3超聲波傳感器超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關。超在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。12.3超聲波傳感器傳播速度在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，特別是不透光的固體能穿透幾十米；當超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換。超聲波為直線傳播方式，頻率越高繞射越弱，但反射越強，利用這種性質(zhì)可以制成超聲波測距傳感器。超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這一特點使得超聲波應用變得非常簡單，可以通過測量波的傳播時間，測量距離、厚度等。12.3超聲波傳感器超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，特別是不透光的固體聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；x——聲波與聲源間的距離；α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。超聲波的衰減12.3超聲波傳感器聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關。吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導進行熱交換，導致聲能的損耗。12.3超聲波傳感器聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。二、超聲波傳感器（換能器）

超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。

12.3超聲波傳感器二、超聲波傳感器（換能器）超聲波換能器又稱超

超聲波傳感器使用時的兩種形式：反射式、直射式c)反射式ＲＸＴＸＴＸＲＸa）兼用型ＴＸＲＸ專用型

直射式發(fā)射探頭（TX）接收探頭（RX）工作方式12.3超聲波傳感器c)反射式ＲＸＴＸＴＸa）兼用型ＴＸＲＸ專用型等效電路C’CLR等效電路電感性電容性頻率frfafr:L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率電抗特性超聲波傳感器可等效為一個RLC的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中頻率低的fr：L、C、R產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率；頻率高的fa：L、C、C’產(chǎn)生的并聯(lián)諧振頻率超聲波傳感器在串聯(lián)諧振頻率時阻抗最小。12.3超聲波傳感器等效電路C’CLR等效電路電感性頻率frfafr:L、C各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。保護膜接插件12.3超聲波傳感器各種超聲波探頭常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑接觸式斜探頭

壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件12.3超聲波傳感器接觸式斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz12.3超聲波傳感器各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1-5MHz12.3超聲超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。12.3超聲波傳感器超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片將數(shù)百伏的超聲電脈沖加空氣超聲探頭12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器空氣超聲探頭外形12.3超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應用

當超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報警器、接近開關等。超聲發(fā)射器與接收器置于同側(cè)的屬于反射型，反射型可用于接近開關、測距、測液位或物位、金屬探傷以及測厚等。

12.3超聲波傳感器三、超聲波傳感器的應用當超聲發(fā)射器1、超聲波流量計12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波先到達T11、超聲波流量計12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波測量流量原理分類

時間差法測量流量原理：

在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。12.3超聲波傳感器測量流量原理分類時間差法測量流量原理：12.3超聲波F1發(fā)射的超聲波到達F2的時間較短時間差法測量流量原理：12.3超聲波傳感器F1發(fā)射的超聲波到達F2的時間較短時間差法測量流量原理：F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。F2F1頻率差法測量流量原理

12.3超聲波傳感器F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開頻率差法測量流量原理

12.3超聲波傳感器頻率差法測量流量原理

12.3超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計的使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）12.3超聲波傳感器同側(cè)式超聲波流量計的使用（參考北京菲波儀表有限公司資料）超聲波流量計現(xiàn)場使用12.3超聲波傳感器超聲波流量計現(xiàn)場使用12.3超聲波傳感器2、超聲波多普勒測量車速12.3超聲波傳感器2、超聲波多普勒測量車速12.3超聲波傳感器多普勒效應

前進方向的頻率升高如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應。測出f就可得到運動速度。12.3超聲波傳感器多普勒效應前進方向的頻率升高如果波源和觀察者之間有相超聲波多普勒測量風速風

風引起超聲波的頻率變大或變小12.3超聲波傳感器超聲波多普勒測量風速風風引起超聲波的3.超聲波測距

空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測物時，被反射回來，并被另一只空氣超聲探頭所接收。測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以空氣的聲速（340m/s），就是超聲脈沖在被測距離所經(jīng)歷的路程，除以2就得到距離。

12.3超聲波傳感器3.超聲波測距空氣超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，到達被測發(fā)射驅(qū)動電路：

由反向器①②組成RC振蕩器經(jīng)門電路完成功率放大，經(jīng)CP耦合傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號。超聲波傳感器發(fā)射基本電路超聲波傳感器測距基本電路主要由

振蕩發(fā)射電路、檢測電路兩部分組成：振蕩器頻率調(diào)整12.3超聲波傳感器發(fā)射驅(qū)動電路：超聲波傳感器發(fā)射基本電路超聲波傳感器測距基超聲波傳感器接收電路檢測電路：

超聲波信號極微弱，需要增益高的放大電路用于檢測反射波，輸出的高頻信號電壓接檢波、放大、開關電路輸出或報警。100倍放大12.3超聲波傳感器超聲波傳感器接收電路檢測電路：100倍放大12.3超超聲波測距模塊：最大距離600cm，最小距離2cm

功放40KHzOSC

定時器前置放大檢波平方放大輸出VCC12V三位顯示器被測物發(fā)送，由555構成多諧振蕩器，RC電路產(chǎn)生40KHz等幅波放大送功放輸出；接收，放大、檢波，信號處理根據(jù)被測物體的基準距離設定反射脈沖時間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時間。定時器控制觸發(fā)電路和門電路。12.3超聲波傳感器超聲波測距模塊：最大距離600cm，最小距離2cm功放44、超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動脈沖，超聲脈沖到達試件底面時，被反射回來，并被另一只壓電晶片所接收。只要測出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時間t，再乘以被測體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測件中所經(jīng)歷的來回距離，再除以2，就得到厚度：12.3超聲波傳感器4、超聲波測厚雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動手持式超聲波測厚儀12.3超聲波傳感器手持式超聲波測厚儀12.3超聲波傳感器某超聲波測厚儀指標

顯示方法∶128*32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000-9999m/s

測量周期：2次/秒

自動關機時間：90秒

電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72小時

使用溫度：-10°C-40°C

存儲溫度：-20°C-70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含電池）12.3超聲波傳感器某超聲波測厚儀指標顯示方法∶128*32LCD超聲波測厚石料測厚12.3超聲波傳感器超聲波測厚石料測厚12.3超聲波傳感器超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚12.3超聲波傳感器超聲波手持式測厚混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚12.3雙晶超聲波測厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測厚探頭12.3超聲波傳感器雙晶超聲波測厚探頭12.3超聲波傳感器5、測量液位和物位

在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。

12.3超聲波傳感器5、測量液位和物位在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)超聲波測液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測量超聲波在空氣中傳播測量單換能器從發(fā)射到接收的時間：t=2h/C傳感器到液面的距離：h=ct/2雙換能器經(jīng)過的路程：2S=ct液位高度：C：超聲波在介質(zhì)中傳播速度12.3超聲波傳感器超聲波測液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測量超聲波超聲波測量液位和物位喇叭形超聲發(fā)生器12.3超聲波傳感器超聲波測量液位和物位喇叭形超聲6、超聲防盜報警器

圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接收電路。發(fā)射器發(fā)射出頻率f=40kHz左右的超聲波。如果有人進入信號的有效區(qū)域，相對速度為v，從人體反射回接收器的超聲波將由于多普勒效應，而發(fā)生頻率偏移f。

12.3超聲波傳感器6、超聲防盜報警器圖中的上半部分為發(fā)射電路，下7、無損探傷

對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗對象為前提，所以得到廣泛應用。無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法等。

12.3超聲波傳感器7、無損探傷對缺陷的檢測手段有破壞性試驗和無損探傷磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測頭夾持在被測工件上，通以數(shù)百安培的電流，工件中將產(chǎn)生磁場，工件表面的裂紋可因磁粉的不均勻分布而顯示出來。12.3超聲波傳感器磁粉檢測法磁懸液磁粉檢測儀將磁懸液噴灑在工件表面，將磁粉檢測X光探傷

將x光發(fā)生器對準被測位置，將感光片貼在物體背面，人離開后通上高壓電，再將感光片沖洗出影像，即可觀察到缺陷。12.3超聲波傳感器X光探傷將x光發(fā)生器對準被測位置，將感光片貼在物12.4機器人傳感器

“Ｒobot”一詞源出自捷克語“robota”，意謂“強迫勞動”。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個名為《洛桑萬能機器人公司》的劇本,他把在洛桑萬能機器人公司生產(chǎn)勞動的那些家伙取名“Robot”,漢語音譯為“羅伯特”，捷克語意為“奴隸”——薩佩克把機器人的地位確定為只管埋頭干活、任由人類壓榨的奴隸，它們存在的價值只是服務于人類。一個極其偶然的原因,機器人開始有了知覺,它們不堪忍受人類的統(tǒng)治,向人類發(fā)動攻擊,最后徹底毀滅了人類?！皺C器人”的名字也正式由此而生。12.4機器人傳感器“Ｒobot”一詞源出自捷能踢球的機器人12.4機器人傳感器能踢球的機器人12.4機器人傳感器對運動的球類有正確反應的機器人能打網(wǎng)球的機器人機器人足球比賽12.4機器人傳感器對運動的球類有正確反應的機器人能打網(wǎng)球的機器人機器人足球比賽能行走的機器人12.4機器人傳感器能行走的機器人12.4機器人傳感器服務機器人機器人伴舞機器人奏樂12.4機器人傳感器服務機器人機器人伴舞機器人奏樂12.4機器人傳感器可愛的小機器人能上臺階并避開障礙物的機器人能自己站起來的機器人12.4機器人傳感器可愛的小機器人能上臺階并避開障礙物的機器人能自己站起來的機器排爆機器人我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人也加入了公安部隊的行列。12.4機器人傳感器排爆機器人我國沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人也加入了公安消防機器人

消防機器人作為特種消防設備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學檢驗和火場偵察。它的應用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。12.4機器人傳感器消防機器人消防機器人作為特種消防設備可代替消防

機器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應導航控制等功能。12.4機器人傳感器機器人輪椅主要12.4機器人傳感器軍事機器人我國引進的排爆機器人進攻型機器人12.4機器人傳感器軍事機器人我國引進的排爆機器人進攻型機器人12.4機器人傳工業(yè)機器人核工業(yè)機器人汽車噴漆機器人12.4機器人傳感器工業(yè)機器人核工業(yè)機器人汽車噴漆機器人12.4機器人傳感器機器人的手12.4機器人傳感器機器人的手12.4機器人傳感器機械手在汽車加工中的應用機械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機器人的雛形。12.4機器人傳感器機械手在汽車加工中的應用機械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，激光焊接機械手12.4機器人傳感器激光焊接機械手12.4機器人傳感器機器人大腦——主板機器人思想——程序機器人感知——傳感器機器人手腳——馬達機器人骨架——機械結(jié)構機器人食物——電池1.機器人的組成12.4機器人傳感器機器人大腦——主板1.機器人的組成12.4機器人傳感器2.傳感器在機器人中的應用機器人是由計算機控制的復雜機器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時可以不依賴人的操縱。機器人傳感器在機器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類的知覺功能和反應能力。

12.4機器人傳感器2.傳感器在機器人中的應用機器人是由計算機控制的給機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設計機器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機器人傳感器應當完全取決于機器人的工作需要和應用特點。12.4機器人傳感器給機器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設計

機器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器是以機器人本身的坐標軸來確定其位置。它安裝在機器人自身中用來感知機器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機器人的行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，使機器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應能力。外界檢測傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺等傳感器。12.4機器人傳感器機器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類為得到更擬人的觸覺傳感器，進行“人工皮膚”的研究，實際上也是一種由單個觸覺傳感器按一定形狀(如矩陣)組合在一起的陣列式觸覺傳感器。這種傳感器的密度較大、體積較小、精度較高，特別是接觸材料本身就是敏感材料，這些都是其它結(jié)構的觸覺傳感器很難達到的。“人工皮膚”傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。12.4機器人傳感器為得到更擬人的觸覺傳感器，進行“人工皮膚”的研究，實際上也目前的“皮膚”觸覺傳感器的研究主要在兩個方面：一是選擇更為合適的敏感材料，現(xiàn)有的材料主要有導電橡膠、壓電材料、光纖等；二是將集成電路工藝應用到傳感器的設計和制造中，使傳感器和處理電路—體化，得到大規(guī)?；虺笠?guī)模陣列式觸覺傳感器。如圖12.22所示，為PVF2陣列式觸覺傳感器。12.4機器人傳感器目前的“皮膚”觸覺傳感器的研究主要在兩個方面：一是選擇更為合PVF2陣列式觸覺傳感器

1—電氣接線2—PVF2膜3—識別對象4—底座盒5—印刷電路板12.4機器人傳感器PVF2陣列式觸覺傳感器

1—電氣接線2—PVF2膜3—機器人要抓住屬性未知的物體時，必須確定自己最適當?shù)奈樟δ繕酥担虼诵铏z測出握力不夠時所產(chǎn)生的物體滑動。利用這一信號，在不損壞物體的情況下，牢牢抓住物體，為此設計的滑動檢測器，叫做滑覺傳感器。12.4機器人傳感器機器人要抓住屬性未知的物體時，必須確定自己最適當?shù)奈樟δ繕酥翟搨鞲衅鞯闹饕考且粋€如同棋盤一樣，相間地用絕緣材料蓋住的小導體球。球表面的任意兩個地方安上接觸器。接觸器觸頭接觸面積小于球面上露出的導體面積。球與被握物體相接觸，無論滑動方向如何，只要球—轉(zhuǎn)動，傳感器就會產(chǎn)生脈沖輸出。應用適當?shù)募夹g，球的尺寸可以變得很小，減小球的尺寸和傳導面積可以提高檢測靈敏度。12.4機器人傳感器該傳感器的主要部件是一個如同棋盤一樣，相間地用絕緣材料蓋住的1-被夾持物體

2-觸點

3—柔軟覆層球形滑覺傳感器12.4機器人傳感器1-被夾持物體2-觸點3—柔軟覆層12.4機器人傳一、智能式傳感器的概述智能式傳感自20世紀70年代初出現(xiàn)以來，隨著微處理器技術的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。為制造高性能傳感器，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術與傳感器技術相結(jié)合來彌補不足。計算機技術使傳感器技術發(fā)生了巨大變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強大的智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。

12.5智能傳感器一、智能式傳感器的概述12.5智能傳感器二、智能傳感器的功能和構成

無論是傳感器的智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機的兼具檢測信息和處理信息功能的傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。和傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下功能：①具有邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能?？蓪z測數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。②具有自診斷、自校準功能?？稍诮油娫磿r進行開機自檢，可在工作中進行運行自檢，并可實時自行診斷測試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。

12.5智能傳感器二、智能傳感器的功能和構成12.5智能傳感器

③具有自適應、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。④具有組態(tài)功能。可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。⑤具有記憶、存儲功能?？蛇M行檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，加快了信息的處理速度。⑥具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計算機直接聯(lián)機，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。12.5智能傳感器③具有自適應、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測物理量計算機軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟件對信息檢測過程進行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。智能式傳感器系統(tǒng)一般構成框圖如圖所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計算機，可以是單片機、單板機，也可以是微型計算機系統(tǒng)。12.5智能傳感器計算機軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由智能傳感器的結(jié)構框圖12.5智能傳感器智能傳感器的結(jié)構框圖12.5智能傳感器