傳感器原理及應(yīng)用課件

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緒論0.1傳感器的基本概念與物理定律0.2傳感器的構(gòu)成法0.3傳感器的分類及要求0.4傳感器的作用和地位0.5傳感器開發(fā)的新趨勢0.1傳感器的基本概念與物理定律0.1.1傳感器的概念:能把特定的被測量信息(物理量化學(xué)量生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號的器件或裝置0.1.2傳感器的物理定律(1)守恒定律:主要有能量、動量等；(2)場的定律：動力場的運(yùn)動定律、電磁場的感應(yīng)定律等；(3)物質(zhì)定律：虎克定律、歐姆定律等；(4)統(tǒng)計(jì)法則：微觀與宏觀聯(lián)系的物理法則。0.2傳感器的構(gòu)成法

一般根據(jù)被測對象轉(zhuǎn)換原理使用環(huán)境及性能要求等具體情況而定,典型構(gòu)成法有:(1)自源型：僅含有轉(zhuǎn)換元件，不需外加能源，直接從被測量吸取能量并轉(zhuǎn)換成電量，但能量較弱，如熱電偶、壓電器件等。0.2傳感器的構(gòu)成法(一)

(2)帶激勵源型：輔助能源作激勵（電源、磁源），磁電式、霍耳傳感器等。0.2傳感器的構(gòu)成法(二)

(3)外源型：轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)阻抗變換。一種變換電路，如電橋、放大器、振蕩器等。0.2傳感器的構(gòu)成法(三)

(4)相同傳感器補(bǔ)償型0.2傳感器的構(gòu)成法(四)

(5)差動結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型0.2傳感器的構(gòu)成法(五)

(6)不同傳感器補(bǔ)償型0.3傳感器的分類及要求0.3.1分類按基本效應(yīng)分:物理型化學(xué)型生物型等按構(gòu)成原理分:結(jié)構(gòu)型物性型按能量關(guān)系分:能量轉(zhuǎn)換型和控制型按作用原理分:應(yīng)變式壓電式等按輸入量分:位移溫度流量壓力等按輸出量分:模擬量數(shù)字量0.3傳感器的分類及要求(續(xù))0.3.2基本要求足夠的容量靈敏度高,精度適當(dāng)響應(yīng)速度快,工作穩(wěn)定,可靠性好適用性和適應(yīng)性強(qiáng)使用經(jīng)濟(jì)0.4傳感器的作用和地位

發(fā)展歷程:手工化→機(jī)械化→自動化→信息化;生產(chǎn)方式:人與簡單工具;動力機(jī)與機(jī)械;自動測量與控制;智能機(jī)器人0.4.1人與機(jī)器的機(jī)能對應(yīng)關(guān)系0.5傳感器開發(fā)的新趨向0.5.1社會對傳感器需求的新動向(1)”電五官”落后的現(xiàn)狀,制約了計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;(2)新產(chǎn)品以及技術(shù)改造,離不開傳感器;(3)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益;(4)傳感器已普及社會各個領(lǐng)域。0.5.2傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢1.傳感器的集成化和微型化2.傳感器的數(shù)字化與智能化3.開發(fā)新型傳感器4.研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器是一種能將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號的器件。輸出信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把計(jì)算機(jī)比作大腦，那么傳感器則相當(dāng)于五官，傳感器能正確感受被測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對系統(tǒng)的質(zhì)量起決定性作用。自動化程度越高，系統(tǒng)對傳感器要求越高。

在今天的信息時代里，信息產(chǎn)業(yè)包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)由于超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，而已經(jīng)充分發(fā)達(dá)后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來越高，還要求其成本低廉且使用方便。顯然傳統(tǒng)傳感器因功能、特性、體積、成本等已難以滿足而逐漸被淘汰。世界許多發(fā)達(dá)國家都在加快對傳感器新技術(shù)的研究與開發(fā)，并且都已取得極大的突破。如今傳感器新技術(shù)的發(fā)展，主要有以下幾個方面：

一、發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象

利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理，所以研究發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要工作，是研究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。

日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁性傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破，其靈敏度高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件。它的制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡單?？捎糜诖懦上窦夹g(shù)，有廣泛推廣價值。

利用抗體和抗原在電極表面上相遇復(fù)合時，會引起電極電位的變化，利用這一現(xiàn)象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對某生物體內(nèi)是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準(zhǔn)確作用。美國加州大學(xué)巳研制出這類傳感器。

二、利用新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)進(jìn)步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器；光導(dǎo)纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器；用陶瓷制成壓力傳感器。

高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數(shù)小，水分子能提高聚合物的介電常數(shù)。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理制成等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，其有以下特點(diǎn)：

◆測濕范圍寬；

◆溫度范圍寬，可達(dá)-400℃～+1500℃；

◆響應(yīng)速度快，小于1S；

◆尺寸小，可用于小空間測濕；

◆溫度系數(shù)小。

陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進(jìn)的陶瓷技術(shù)，厚膜電子技術(shù)，其技術(shù)性能穩(wěn)定，年漂移量小于0.1%F.S,溫漂小于±0.15%/10K,抗過載強(qiáng),可達(dá)量程的數(shù)百倍。測量范圍可從0到60MPa。德國E+H公司和美國Kavlio公司產(chǎn)品處于領(lǐng)先地位。

光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，其最早用于光通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測量光波量的變化，就可知道導(dǎo)致這些光波量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，利用這些原理可研制出光導(dǎo)纖維傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實(shí)現(xiàn)遙測等。光纖傳感器日本處于先進(jìn)水平。如IdecIzumi公司和Sunx公司。光纖傳感受器與集成光路技術(shù)相結(jié)合，加速光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，成本低。

三、微機(jī)械加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法有氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝，各向異性腐蝕及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進(jìn)到傳感器制造。因而產(chǎn)生了各種新型傳感器，如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。

日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，制成全硅諧振式壓力傳感器。核心部分由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個諧振梁結(jié)成，兩個諧振梁的頻差對應(yīng)不同的壓力，用頻率差的方法測壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，兩個諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測量最高精度可達(dá)0.01%FS。

美國SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司開發(fā)一系列低價位,線性度在0.1%到0.65%范圍內(nèi)的硅微壓力傳感器,最低滿量程為0.15psi(1KPa),其以硅為材料制成,具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu),輕細(xì)微機(jī)械加工,和多次蝕刻制成惠斯登電橋于硅膜片上,當(dāng)硅片上方受力時,其產(chǎn)生變形,電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)而失去電橋平衡,輸出與壓力成比例的電信號.象這樣的硅微傳感器是當(dāng)今傳感器發(fā)展的前沿技術(shù),其基本特點(diǎn)是敏感元件體積為微米量級,是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。在工業(yè)控制、航空航天領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)等方面有重要的作用，如飛機(jī)上利用可減輕飛機(jī)重量，減少能源。另一特點(diǎn)是能敏感微小被測量，可制成血壓壓力傳感器。

中國航空總公司北京測控技術(shù)研究所，研制的CYJ系列濺謝膜壓力傳感器是采用離子濺射工藝加工成金屬應(yīng)變計(jì)，它克服了非金屬式應(yīng)變計(jì)易受溫度影響的不足，具有高穩(wěn)定性，適用于各種場合，被測介質(zhì)范圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來的精度低、遲滯大、蠕變等缺點(diǎn)，具有精度高、可靠性高、體積小的特點(diǎn)，廣泛用于航空、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。

四、集成傳感器

集成傳感器的優(yōu)勢是傳統(tǒng)傳感器無法達(dá)到的，它不僅僅是一個簡單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補(bǔ)償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量，美國LUCAS、NOVASENSOR公司開發(fā)的這種血壓傳感器，每星期能生產(chǎn)1萬只。

五、智能化傳感器

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的成果，它兼有檢測、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)：

◆具有判斷和信息處理功能，能對測量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，因而提高測量精度；

◆可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量；

◆有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可靠性；

◆測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；

◆有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)直接通信。

把傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、單片機(jī)集成在一芯片上形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器。美國HONYWELL公司ST-3000型智能傳感器，芯片尺寸才有3×4×2mm3，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國處于領(lǐng)先地位。美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船時稱這種傳感器為靈巧傳感器（SmartSensor），在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。我國在這方面的研究與開發(fā)還很落后，主要是因?yàn)槲覈雽?dǎo)體集成電路工藝水平有限。

傳感器的發(fā)展日新月異，特別是人類由高度工業(yè)化進(jìn)入信息時代以來，傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。美國、日本等發(fā)達(dá)國家的傳感器技術(shù)發(fā)展最快，我國由于基礎(chǔ)薄弱，傳感器技術(shù)與這些發(fā)達(dá)國家相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對傳感器技術(shù)研究、開發(fā)的投入，使我國傳感器技術(shù)與外國差距縮短，促進(jìn)我國儀器儀表工業(yè)和自化化技術(shù)的發(fā)展。

光纖傳感器的最新發(fā)展世界上光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應(yīng)用開發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感器實(shí)用化的開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。由于光纖傳感技術(shù)并未如光纖通信技術(shù)那樣迅速地獲得產(chǎn)業(yè)化，許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，距商業(yè)化有一定的距離，因此光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍處于相當(dāng)重要的位置。由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已相當(dāng)成熟，可靠性和成本已得到公認(rèn)，并已經(jīng)被廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管這些光纖傳感器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易復(fù)用等諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢，F(xiàn)BG和其它的光柵類傳感器就是一個最好的例證。當(dāng)前的原理性研究熱點(diǎn)集中于光纖光柵（FBG和LPG）型傳感器和分布式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。對于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要有以下四大類：光（纖）層析成像技術(shù)（OCT，OPT）;智能材料（SMARTMATERIALS）;光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)（IFOG，IMIU）和常規(guī)工業(yè)工程傳感器。另外，由于光纖通信市場需求的帶動以及傳感技術(shù)的特殊要求，新型器件和特種光纖的研究成果也層出不窮。二、光纖傳感器的原理性研究1、光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵FBG于1978年問世[1]，這種簡單的固有傳感元件，可利用硅光纖的紫外光敏性寫入光纖芯內(nèi)，圖1描述了光纖光柵的基本原理。常見的FBG傳感器通過測量布拉格波長的漂移實(shí)現(xiàn)對被測量的檢測，光柵布拉格波長(λB)條件可以表示：

式中，∧—光柵周期；n—折射率。光柵傳感器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域有許多，如將分布式光纖光柵傳感器嵌入材料中形成智能材料，可對大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時安全監(jiān)測；光柵也可以代替其它類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力和加速度傳感中。圖3為傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG傳感器測試結(jié)果的比較2、分布式光纖傳感系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)，由于對工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對集成的安全檢測系統(tǒng)的需求逐步攀升。具備可連續(xù)、無間斷、長距離測量并與被測量介質(zhì)有極強(qiáng)的親和性的分布式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。分布式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布里淵型和FBG型。拉曼型分布式光纖傳感系統(tǒng)是基于光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型傳感器，其工作原理見圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見諸于報道。其中尤以拉曼型分布式傳感系統(tǒng)最為成熟，已成功地裝載于A340運(yùn)輸機(jī)上（圖7）。FBG型分布式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分布式測量中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，并可同時完成溫度和應(yīng)力的雙參量測量，為FBG應(yīng)用開辟了更為廣闊的前景。圖8介紹了采用WDM/TDM解調(diào)的FBG陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三、光纖傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)光纖傳感器的應(yīng)用開發(fā)根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)領(lǐng)域和技術(shù)類型可大致分為四個大的方向：光（纖）層析成像分析技術(shù)OCT、光纖智能材料（SMARTMATERIAL）、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)、以及常規(guī)工業(yè)工程傳感器。1、光層析成像技術(shù)光纖層析技術(shù)分為光相干層析成像分析(OCT)和光過程層析成像分析技術(shù)(OPT)。光層析成像技術(shù)源于X射線層析成像分析（CT），其基本原理如圖9所示。當(dāng)X射線或光線傳輸經(jīng)過被測樣品時，不同的樣品材料對射線的吸收特性有不同，因此對經(jīng)過樣品的射線或光線進(jìn)行測量、分析，并根據(jù)預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行解算就可以得到所需要的樣品參數(shù)。光纖相干層析成像技術(shù)（OCT）主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用于實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基于光的相干檢測原理，基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。OCT為生物細(xì)胞和機(jī)體的活性檢測提供了一種有效的方式，世界上有許多國家都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品。圖11為視網(wǎng)膜的CT掃描圖像。德國的科學(xué)家近期推出了一臺可用作皮膚癌診斷的OCT設(shè)備。此外，利用OCT可以實(shí)現(xiàn)深度測量（~1mm）的優(yōu)勢，已有實(shí)例應(yīng)用于對生長中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測中。而OPT則面向工業(yè)工程－油井、管線等場所，高精度地解決流體的過程測量問題。由于OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、測量理論分析中的單元分割與信號處理都是關(guān)鍵。圖12簡單描繪了傳統(tǒng)OPT的測量原理，由于OPT具有適用于狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測量網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)長處，為工業(yè)過程的安全測量提供了一種優(yōu)良的手段。2、智能材料智能材料的提出和研究已有相當(dāng)長的一段時間，為業(yè)內(nèi)人士所熟悉。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實(shí)現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一，尤其是實(shí)現(xiàn)與紡織材料的自動化編織。美國南卡羅來那州立大學(xué)、佛吉尼亞理工大學(xué)和費(fèi)城紡織學(xué)院都在此方面進(jìn)行了大量工作。圖13展示了一件嵌入光纖和電導(dǎo)線的背心。智能材料作為橋梁、大壩等混凝土大型建筑的監(jiān)測系統(tǒng)已在國外多處工程中通過安裝測試并付諸應(yīng)用。此外，智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，尤其是采用光纖光柵和光纖分布式應(yīng)力、溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行惡劣環(huán)境條件－高溫、變形的多參量監(jiān)測取得了明顯的效果。圖14勾勒出分布式傳感器在航天領(lǐng)域多參量監(jiān)測中的應(yīng)用方案。3、光纖陀螺及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)光纖陀螺（I-FOG）及慣導(dǎo)系統(tǒng)歷經(jīng)25年的發(fā)展，目前已進(jìn)入實(shí)用階段。從1976年Vali和Shorthill首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證I-FOG原理之后[2]的五年間，世界范圍內(nèi)的主要工作集中于基本結(jié)構(gòu)的研究、結(jié)構(gòu)小型化、開環(huán)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的討論等。圖15顯示出光纖陀螺的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

圖16是日本MitsubishiPrecision公司和空間及宇航所為日本M-V火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的慣導(dǎo)系統(tǒng)。4、工業(yè)工程類傳感器傳統(tǒng)的工業(yè)工程類傳感器包括應(yīng)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進(jìn)行測量的電力工業(yè)用大電壓、電流傳感器。圖17為加拿大BC水電站所安裝NXVCT的照片。利用光纖的彈光效應(yīng)和FBG器件的應(yīng)力傳感器已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力監(jiān)測中。圖18中為法國Alstom公司的鐵路部TransportS.A.領(lǐng)導(dǎo)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。四、新型光纖材料與器件

以SiO2材料為主的光纖，工作在0.8μm～1.6μm的近紅外波段，目前所能達(dá)到的最低理論損耗在1550nm波長處為0.16dB／km，已接近石英光纖理論上的最低損耗極限，成為滿足超寬帶寬、超低損耗、高碼速通信需要新型基體材料的光纖。氟化物玻璃光纖是當(dāng)前研究最多的超低損耗遠(yuǎn)紅外光纖，其最低損耗在2.5μm附近為1×10-3dB／km，無中繼距離可達(dá)到1×105km以上。硫化物玻璃光纖具有較寬的紅外透明區(qū)域（1.2μm~12μm），有利于多信道復(fù)用，其溫度對損耗的影響較小，其損耗水平在6μm波長處為0.2dB／km，是非常有前途的光纖。。而且，硫化物玻璃光纖具有很大的非線性系數(shù)，用它制作的非線性器件，可以有效地提高光開關(guān)的速率，使開關(guān)速率達(dá)到數(shù)百Gb／s以上。重金屬氧化物玻璃光纖具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，若把鹵化物玻璃與重金屬氧化物玻璃的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，制造成性能優(yōu)良的鹵-重金屬氧化物玻璃光纖，將具有重要意義.特殊的應(yīng)用環(huán)境對光纖有特殊的要求，石英光纖的纖芯和包層材料具有很好的耐熱性，耐熱溫度達(dá)到400℃～500℃，所以光纖的使用溫度取決于光纖的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合物（LSP）涂層的熱固化溫度達(dá)400℃以上，600℃時的光傳輸性能和機(jī)械性能仍然很好。采用冷的有機(jī)體在熱的光纖表面進(jìn)行非均勻成核熱化學(xué)反應(yīng)（HNTD），然后在光纖表面進(jìn)行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纖。碳涂覆光纖的表面致密性好，具有極低的擴(kuò)散系數(shù)，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問題。另一方面，光纖的結(jié)構(gòu)決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分布可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生，并增加光能量的傳輸。隨著光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了DFF（色散平坦光纖）。為了DWDM系統(tǒng)能夠在盡可能寬的可用波段上進(jìn)行波分復(fù)用，各個公司都致力于消除OH-吸收峰，已開發(fā)出的“無水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm～1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國Lucent公司開發(fā)出的AllWave光纖，克服了OH-的諧波吸收，從而實(shí)現(xiàn)了1280nm～1625nm范圍內(nèi)完整波段的利用。為了適應(yīng)相干通信系統(tǒng)的要求，已經(jīng)研制出了“熊貓”型、“蝴蝶結(jié)”型和“扁平”型的高雙折射保偏光纖，另外具有“邊坑”型的單模單偏振保偏光纖，以及正在研究中的蜂窩型波導(dǎo)光纖、液晶光纖（見圖20）等等，這些都將為光纖傳感器的發(fā)展提供更加廣泛的選擇。隨著光電子技術(shù)近年來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過二十余年的發(fā)展也已獲得長足的進(jìn)步，其主要體現(xiàn)在：1、進(jìn)入實(shí)用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個新的分支不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器、光纖電流電壓傳感器等；出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式光纖測溫系統(tǒng)，以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu)；改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如以光纖構(gòu)成的新型光譜儀；利用電/光轉(zhuǎn)換和光/電轉(zhuǎn)換技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統(tǒng)的電子式測量儀表改造成安全可靠的先進(jìn)光纖式儀表等等。2、新的傳感原理不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；波長調(diào)制型光纖光柵多參量測試系統(tǒng)的出現(xiàn)，促進(jìn)了多參量傳感系統(tǒng)的發(fā)展；光子晶體光纖（多孔光纖PhotonicCrystalfiber）用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等等。①傳感器的實(shí)用化研究。提高傳感系統(tǒng)，尤其是傳感器的性價比；②傳感器的應(yīng)用研究。在現(xiàn)有的科研成果基礎(chǔ)上，大力開展應(yīng)用研究和應(yīng)用成果宣傳；③新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器；④傳感器用特殊光纖材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖的研究等。諧振式傳感器一、概述

自從人類創(chuàng)造了音樂，諧振技術(shù)就問世了。遠(yuǎn)古石器時代的人已會應(yīng)用長度和直徑不同的樂管吹奏不同的音調(diào)，即其諧振頻率不同。后來發(fā)展了弦樂器和樂鼓，改變弦的粗細(xì)和長度，或者改變鼓皮的張緊度和厚度，就可改變它們的發(fā)聲頻率。然而，在傳感器上利用諧振技術(shù)卻是從上世紀(jì)七十年代才開始的。一、概述

基于諧振技術(shù)的諧振式傳感器，自身為周期信號輸出（準(zhǔn)數(shù)字信號），只用簡單的數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換為微處理器容易接受的數(shù)字信號。分為兩類：基于機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)諧振式傳感器和MOS環(huán)振式諧振傳感器。本課主要介紹基于機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的諧振式傳感器。它們可以利用振動頻率、相位和幅值作為敏感信息的參數(shù)。一、概述諧振傳感器的優(yōu)勢：輸出信號是周期的，便于與計(jì)算機(jī)連接和遠(yuǎn)距離傳輸；傳感器系統(tǒng)是一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，處于諧振狀態(tài)，決定了傳感器系統(tǒng)的輸出自動跟蹤輸入；諧振子固有的諧振特性，決定其具有高的靈敏度和分辨率；相對于諧振子的振動能量，系統(tǒng)的功耗是極小量。表明傳感器系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。一、概述

諧振式傳感器適于多種參數(shù)測量，如壓力、力、轉(zhuǎn)角、流量、溫度、濕度、液位、粘度、密度和氣體成分等。使得這類傳感器已發(fā)展成為一個新的傳感器家族。一、概述

目前的諧振式傳感器種類很多。包括以精密合金用精密機(jī)械加工制成的諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管；以及利用微機(jī)械加工技術(shù)，以硅和石英為基底制出的微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器；另外，聲表面波傳感器是一種基于高的機(jī)械振動頻率的諧振式傳感器。上述諧振式傳感器的頻率范圍是從音頻到100MHz。二、基礎(chǔ)理論R為諧振敏感元件又稱諧振子。是傳感器的核心元件，工作時以其自身固有的振動模態(tài)持續(xù)振動。諧振子的振動特性直接影響諧振式傳感器的性能。諧振子有多種：諧振梁、復(fù)合音叉、諧振筒等。D、E分別為信號檢測器和激勵器，實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，提供閉環(huán)自激的條件。激勵方式有：電磁、靜電、（逆）壓電效應(yīng)等；檢測方式有：磁電、電容、（正）壓電效應(yīng)、光電檢測等。A是放大器，用于調(diào)節(jié)信號的幅值和相位，使系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作于閉環(huán)自激狀態(tài)。O是系統(tǒng)檢測輸出裝置。用于檢測周期信號的頻率、幅值或相位。C是補(bǔ)償裝置，主要對溫度誤差的補(bǔ)償。六個主要部件構(gòu)成了諧振式傳感器的三個重要環(huán)節(jié)：（１）由ERD組成的電－機(jī)－電諧振子環(huán)節(jié)，核心；（２）由ERDA組成的閉環(huán)自激環(huán)節(jié)，構(gòu)成的條件；（３）由RDO(C)組成的信號檢測、輸出環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)檢測被測量的手段。諧振子的Q值由定義可見Q值表示阻尼的大小及消耗能量快慢的程度。從幅頻曲線上可以看，Q值表示了曲線陡峭程度。

二、基礎(chǔ)理論:如上圖所示，對應(yīng)幅值增益為，稱為半功率點(diǎn)Q值計(jì)算對于諧振子來說，Q值越大，選擇頻率能力越大，頻率穩(wěn)定度越好。Q值的兩種定量的計(jì)算：（1）:系統(tǒng)的阻尼系數(shù)（2）:系統(tǒng)的固有頻率二、基礎(chǔ)理論Q對諧振子自激振蕩的影響Q值越高，相對于儲存的能量來說所需付出的能量就少，儲能效率就越高。諧振頻率穩(wěn)定度越好，傳感器也就越穩(wěn)定，抗外界振動干擾的能力越強(qiáng)，傳感器的重復(fù)性就越好。對于弱阻尼系統(tǒng)：

所以Q增大，起振的幅值條件易于滿足。

二、基礎(chǔ)理論對于一個二階系統(tǒng)，相頻關(guān)系：

二、基礎(chǔ)理論

當(dāng)P＝1時，,，考慮以為中心的相角范圍當(dāng)時，隨Q單調(diào)增加。

表明，相同的頻率變化所引起的相角變化值隨Q值的增大而增加，反過來講就是需要相同的相角變化時，Q值大的，對即在相同的幅值增益下，Q值大的諧振子所提供的相角范圍大，從而易于構(gòu)成閉環(huán)自激系統(tǒng)。二、基礎(chǔ)理論的相對偏差小。近于諧振子的固有頻率；傳感器自激頻率Q對傳感器精度的影響由二階系統(tǒng)的相頻關(guān)系：

可得：

所以對于給定的，Q值大時，的隨機(jī)漂移就越小，系統(tǒng)的振動狀態(tài)就越穩(wěn)定，精度就越高。二、基礎(chǔ)理論就越接

由以上分析可知:諧振式傳感器有一個最佳激勵點(diǎn)。即系統(tǒng)的振動頻率就是諧振子的固有頻率，不受Q值影響。高Q值的諧振子對于構(gòu)成閉環(huán)自激系統(tǒng)及提高系統(tǒng)的性能是有利的，應(yīng)采取各種措施提高諧振子的Q值。影響諧振子Q值的主要因素：材料自身的特性，加工工藝，諧振子的結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境等。二、基礎(chǔ)理論

振動筒壓力傳感器是一種典型的諧振式傳感器，利用振動筒的固有頻率來測量壓力。1.絕對壓力測量振動筒壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖：三、振動筒式傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大致分五個部分

1振動圓筒為傳感器的敏感元件，通和常為是只壁厚僅為0.08mm左右的薄壁圓筒。改變筒壁的厚度，可以獲得不同的測壓范圍。圓筒材料必須是能夠構(gòu)成閉環(huán)磁路的磁性材料，應(yīng)具有很底的彈性溫度系數(shù)。

2激振線圈

3拾振線圈激振線圈和拾振線圈在筒內(nèi)相隔一定距離成十字交叉排列，以防止或盡量減少兩只線圈的耦合作用。

4基座

基座上安裝有振動筒和線圈組件，并有通入被測壓力的進(jìn)氣孔。

5屏蔽與外殼

避免外界電磁場的干擾，要加屏蔽，有時外殼也可代替屏蔽。三、振動筒式傳感器三、振動筒式傳感器工作過程在被測壓力為零時，要使內(nèi)振動筒工作在諧振狀態(tài)，必須從外部提供電激勵能量，而系統(tǒng)本身是一個滿足自激振蕩的正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，其線路方塊圖如下圖。三、振動筒式傳感器三、振動筒式傳感器

任何彈性體被激振后都可能出現(xiàn)多種振動波型。一般情況下，對彈性體系統(tǒng)只考慮其最低固有頻率下的共振波型，這稱為“基本振型”

。薄壁圓筒的振動可以分為兩個方向來考慮：軸向截面的振動和徑向截面的振動。三、振動筒式傳感器幾種軸向振形：三、振動筒式傳感器幾種徑向振形：三、振動筒式傳感器當(dāng)m＝n＝4時，較容易起振，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的靈敏度。

當(dāng)振筒不受壓力時，筒內(nèi)外的壓力相等，如果忽略介質(zhì)質(zhì)量、金屬內(nèi)摩擦，以及氣體介質(zhì)的粘滯阻尼，則振筒在零壓力下的固有頻率為：三、振動筒式傳感器

如果暫不考慮材料的彈性溫度系數(shù)影響，則頻率的高低應(yīng)決定于圓筒內(nèi)外氣體壓力之差，諧振頻率與被測壓力成單值函數(shù)關(guān)系?？墒牵l率與壓力不是線性關(guān)系，近似成拋物線關(guān)系。三、振動筒式傳感器三、振動筒式傳感器滿足一定條件時，可以得到傳感器輸出頻率與壓力的關(guān)系式為：

三、振動筒式傳感器

電磁方式激勵、拾振最突出的優(yōu)點(diǎn)是與殼體無接觸。但電磁轉(zhuǎn)換效率低，磁性材料的穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生電磁耦合等。壓電方式激勵

克服電磁激勵的效率低，激勵信號中需引入較大的直流分量，磁性材料的長期穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生電磁耦合等不足，發(fā)展了一種采用壓電激勵、壓電拾振的新方案，如圖所示：三、振動筒式傳感器

壓電陶瓷元件直接貼于圓柱殼的波節(jié)處，筒內(nèi)完全形成空腔。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，易于小型化，功耗低，便于構(gòu)成不同方式的閉環(huán)系統(tǒng)等缺點(diǎn)：遲滯誤差較電磁方式略大些三、振動筒式傳感器應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的非線性誤差分析應(yīng)變式傳感器在千斤頂檢測中應(yīng)用電阻應(yīng)變式稱重傳感器的

滯后補(bǔ)償機(jī)器人指端應(yīng)變式觸覺傳感器提高應(yīng)變式傳感器性能的方法采用差動電橋改變激勵電源頻率采用恒流源質(zhì)量流量計(jì)中的測量技術(shù)流量測量流量測量原理簡介質(zhì)量流量測量的秘密傳感器敏感管為什么要振動？傳感器如何檢測質(zhì)量流量？什么是流量標(biāo)定因數(shù)？質(zhì)量流量與其是如何相關(guān)聯(lián)的？簡介什么是流量？瞬時流量累計(jì)流量

簡介質(zhì)量流量與體積流量

由于流體的密度隨工況條件而變化，即當(dāng)溫度和壓力等變化時，其密度也發(fā)生變化，則體積流量也隨之發(fā)生變化。而質(zhì)量是國際標(biāo)度，質(zhì)量流量是不隨工況條件變化的，因此質(zhì)量流量是表示流量的最好方法。簡介流量的主要檢測方法體積式：節(jié)流式、速度式、容積式等質(zhì)量式：直接式、間接式、補(bǔ)償式等

質(zhì)量流量測量的秘密質(zhì)量流量測量秘密——科氏效應(yīng)流量計(jì)如何測量質(zhì)量流量質(zhì)量流量測量的基本條件：

轉(zhuǎn)動速度

傳感器敏感管為什么要振動？實(shí)際中，旋轉(zhuǎn)的參考系是由傳感器敏感管的振動來實(shí)現(xiàn)的，因此工作中傳感器的敏感管是上下振動的。傳感器敏感管為什么要