傳感器原理及應(yīng)用課件

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緒論0.1感測(cè)器的基本概念與物理定律0.2感測(cè)器的構(gòu)成法0.3感測(cè)器的分類及要求0.4感測(cè)器的作用和地位0.5感測(cè)器開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì)0.1感測(cè)器的基本概念與物理定律0.1.1感測(cè)器的概念:能把特定的被測(cè)量資訊(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(hào)的器件或裝置0.1.2感測(cè)器的物理定律(1)守恆定律:主要有能量、動(dòng)量等；(2)場(chǎng)的定律：動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)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)繫的物理法則。0.2感測(cè)器的構(gòu)成法

一般根據(jù)被測(cè)對(duì)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(cè)量吸取能量並轉(zhuǎn)換成電量，但能量較弱，如熱電偶、壓電器件等。0.2感測(cè)器的構(gòu)成法(一)

(2)帶激勵(lì)源型：輔助能源作激勵(lì)（電源、磁源），磁電式、霍耳感測(cè)器等。0.2感測(cè)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、振盪器等。0.2感測(cè)器的構(gòu)成法(三)

(4)相同感測(cè)器補(bǔ)償型0.2感測(cè)器的構(gòu)成法(四)

(5)差動(dòng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型0.2感測(cè)器的構(gòu)成法(五)

(6)不同感測(cè)器補(bǔ)償型0.3感測(cè)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)係分: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感測(cè)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)回應(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感測(cè)器的作用和地位

發(fā)展歷程:手工化→機(jī)械化→自動(dòng)化→資訊化;生產(chǎn)方式:人與簡(jiǎn)單工具;動(dòng)力機(jī)與機(jī)械;自動(dòng)測(cè)量與控制;智能機(jī)器人0.4.1人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)係0.5感測(cè)器開(kāi)發(fā)的新趨向0.5.1社會(huì)對(duì)感測(cè)器需求的新動(dòng)向(1)”電五官”落後的現(xiàn)狀,制約了電腦技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展;(2)新產(chǎn)品以及技術(shù)改造,離不開(kāi)感測(cè)器;(3)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益;(4)感測(cè)器已普及社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。0.5.2感測(cè)器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.感測(cè)器的集成化和微型化2.感測(cè)器的數(shù)位化與智能化3.開(kāi)發(fā)新型感測(cè)器4.研究生物感官，開(kāi)發(fā)仿生感測(cè)器感測(cè)器技術(shù)的發(fā)展感測(cè)器是一種能將物理量、化學(xué)量、生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。輸出信號(hào)有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈衝等，能滿足資訊傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把電腦比作大腦，那麼感測(cè)器則相當(dāng)於五官，感測(cè)器能正確感受被測(cè)量並轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)起決定性作用。自動(dòng)化程度越高，系統(tǒng)對(duì)感測(cè)器要求越高。

在今天的信息時(shí)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)。現(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(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來(lái)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(guó)家都在加快對(duì)傳感器新技術(shù)的研究與開(kāi)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(gè)方面：

一、發(fā)現(xiàn)並利用新現(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(kāi)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(jiǎn)單?？捎糜诖懦上窦夹g(shù)，有廣泛推廣價(jià)值。

利用抗體和抗原在電極表面上相遇復(fù)合時(shí)，會(huì)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(duì)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(guó)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(duì)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(cè)定電容容量的變化，即可得出相對(duì)濕度。利用這個(gè)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(cè)濕範(fàn)圍寬；

◆溫度範(fàn)圍寬，可達(dá)-400℃～+1500℃；

◆回應(yīng)速度快，小於1S；

◆尺寸小，可用於小空間測(cè)濕；

◆溫度係數(shù)小。

陶瓷電容式壓力感測(cè)器是一種無(wú)仲介液的幹式壓力感測(cè)器。採(cǎi)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，年漂移量小於0.1%F.S,溫漂小於±0.15%/10K,抗超載強(qiáng),可達(dá)量程的數(shù)百倍。測(cè)量範(fàn)圍可從0到60MPa。德國(guó)E+H公司和美國(guó)Kavlio公司產(chǎn)品處?kù)额I(lǐng)先地位。

光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，其最早用於光通信技術(shù)。在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等環(huán)境條件變化時(shí)，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測(cè)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(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小，利用這些原理可研製出光導(dǎo)纖維感測(cè)器。光纖感測(cè)器與傳統(tǒng)感測(cè)器相比有許多特點(diǎn)：靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便於實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。光纖感測(cè)器日本處?kù)断冗M(jìn)水準(zhǔn)。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，加速光纖感測(cè)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(wú)源光器件，使光纖感測(cè)器有高的帶寬、低的信號(hào)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(gè)諧振梁結(jié)成，兩個(gè)諧振梁的頻差對(duì)應(yīng)不同的壓力，用頻率差的方法測(cè)壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來(lái)的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩個(gè)諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個(gè)頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測(cè)量最高精度可達(dá)0.01%FS。

美國(guó)SiliconMicrostructureInc.(SMI)公司開(kāi)發(fā)一系列低價(jià)位,線性度在0.1%到0.65%範(fàn)圍內(nèi)的矽微壓力感測(cè)器,最低滿量程為0.15psi(1KPa),其以矽為材料製成,具有獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu),輕細(xì)微機(jī)械加工,和多次蝕刻製成惠斯登電橋於矽膜片上,當(dāng)矽片上方受力時(shí),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(hào).象這樣的矽微感測(cè)器是當(dāng)今感測(cè)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(jí),是傳統(tǒng)感測(cè)器的幾十、幾百分之一。在工業(yè)控制、航空航太領(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(cè)量，可製成血壓壓力感測(cè)器。

中國(guó)航空總公司北京測(cè)控技術(shù)研究所，研制的CYJ系列濺謝膜壓力感測(cè)器是採(cǎi)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，適用於各種場(chǎng)合，被測(cè)介質(zhì)範(fàn)圍寬，還克服了傳統(tǒng)粘貼式帶來(lái)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)，廣泛用於航空、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。

四、集成感測(cè)器

集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法達(dá)到的，它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)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(guó)LUCAS、NOVASENSOR公司開(kāi)發(fā)的這種血壓感測(cè)器，每星期能生產(chǎn)1萬(wàn)只。

五、智能化感測(cè)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(cè)、判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)：

◆具有判斷和資訊處理功能，能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，因而提高測(cè)量精度；

◆可實(shí)現(xiàn)多感測(cè)器多參數(shù)測(cè)量；

◆有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可靠性；

◆測(cè)量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；

◆有數(shù)據(jù)通信介面，能與微型電腦直接通信。

把傳感器、信號(hào)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(jí)智能傳感器。美國(guó)HONYWELL公司ST-3000型智能感測(cè)器，晶片尺寸才有3×4×2mm3，採(cǎi)用半導(dǎo)體工藝，在同一晶片上製成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

智能化感測(cè)器的研究與開(kāi)發(fā)，美國(guó)處?kù)额I(lǐng)先地位。美國(guó)宇航局在開(kāi)發(fā)太空船時(shí)稱這種感測(cè)器為靈巧感測(cè)器（SmartSensor），在太空船上這種感測(cè)器是非常重要的。我國(guó)在這方面的研究與開(kāi)發(fā)還很落後，主要是因?yàn)槲覈?guó)半導(dǎo)體積體電路工藝水準(zhǔn)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(shí)代以來(lái)，傳感器技術(shù)向更新、更高的技術(shù)發(fā)展。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的傳感器技術(shù)發(fā)展最快，我國(guó)由于基礎(chǔ)薄弱，傳感器技術(shù)與這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大的差距。因此，我們應(yīng)該加大對(duì)傳感器技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)的投入，使我國(guó)傳感器技術(shù)與外國(guó)差距縮短，促進(jìn)我國(guó)儀器儀表工業(yè)和自化化技術(shù)的發(fā)展。

光纖感測(cè)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(kāi)發(fā)。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對(duì)光纖感測(cè)器實(shí)用化的開(kāi)發(fā)成為整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。由於光纖傳感技術(shù)並未如光纖通信技術(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?kù)断喈?dāng)重要的位置。由於很多光纖感測(cè)器的開(kāi)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)，並已經(jīng)被廣泛採(cǎi)用的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以儘管這些光纖感測(cè)器具有如電磁絕緣、高靈敏度、易複用等諸多優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)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感測(cè)器則在競(jìng)爭(zhēng)中佔(zhàn)有明顯優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)BG和其他的光柵類感測(cè)器就是一個(gè)最好的例證。當(dāng)前的原理性研究熱點(diǎn)集中於光纖光柵（FBG和LPG）型感測(cè)器和分佈式光纖傳感系統(tǒng)兩大板塊。對(duì)於光纖傳感技術(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)工程感測(cè)器。另外，由於光纖通信市場(chǎng)需求的帶動(dòng)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、光纖感測(cè)器的原理性研究1、光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵FBG於1978年問(wèn)世[1]，這種簡(jiǎn)單的固有傳感元件，可利用矽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(jiàn)的FBG感測(cè)器通過(guò)測(cè)量布拉格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)，光柵布拉格波長(zhǎng)(λB)條件可以表示：

式中，∧—光柵週期；n—折射率。光柵感測(cè)器可拓展的應(yīng)用領(lǐng)域有許多，如將分佈式光纖光柵感測(cè)器嵌入材料中形成智能材料，可對(duì)大型構(gòu)件的載荷、應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行即時(shí)安全監(jiān)測(cè)；光柵也可以代替其他類型結(jié)構(gòu)的光纖感測(cè)器，用於化學(xué)、壓力和加速度傳感中。圖3為傳統(tǒng)阻抗計(jì)與FBG感測(cè)器測(cè)試結(jié)果的比較2、分佈式光纖傳感系統(tǒng)在世界範(fàn)圍內(nèi)，由於對(duì)工民建和工業(yè)設(shè)施安全性和效益要求的不斷提高，對(duì)集成的安全檢測(cè)系統(tǒng)的需求逐步攀升。具備可連續(xù)、無(wú)間斷、長(zhǎng)距離測(cè)量並與被測(cè)量介質(zhì)有極強(qiáng)的親和性的分佈式光纖傳感系統(tǒng)似乎正是為此而量身定做的。分佈式光纖傳感系統(tǒng)通常有三種類型：拉曼型、布裏淵型和FBG型。拉曼型分佈式光纖傳感系統(tǒng)是基於光纖拉曼散射效應(yīng)的連續(xù)型感測(cè)器，其工作原理見(jiàn)圖6。三種類型的傳感系統(tǒng)的應(yīng)用都已見(jiàn)諸於報(bào)導(dǎo)。其中尤以拉曼型分佈式傳感系統(tǒng)最為成熟，已成功地裝載於A340運(yùn)輸機(jī)上（圖7）。FBG型分佈式傳感系統(tǒng)在應(yīng)力多點(diǎn)分佈式測(cè)量中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，並可同時(shí)完成溫度和應(yīng)力的雙參量測(cè)量，為FBG應(yīng)用開(kāi)闢了更為廣闊的前景。圖8介紹了採(cǎi)用WDM/TDM解調(diào)的FBG陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三、光纖感測(cè)器產(chǎn)品的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)光纖感測(cè)器的應(yīng)用開(kāi)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(gè)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)工程感測(cè)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(guò)程層析成像分析技術(shù)(OPT)。光層析成像技術(shù)源於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(guò)被測(cè)樣品時(shí)，不同的樣品材料對(duì)射線的吸收特性有不同，因此對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的射線或光線進(jìn)行測(cè)量、分析，並根據(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)用於生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域，如視網(wǎng)膜掃描、胃腸內(nèi)視和用於實(shí)現(xiàn)彩色多普勒(CDOCT)血流成像等。其工作原理基於光的相干檢測(cè)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(cè)提供了一種有效的方式，世界上有許多國(guó)家都開(kāi)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(guó)的科學(xué)家近期推出了一臺(tái)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(cè)量（~1mm）的優(yōu)勢(shì)，已有實(shí)例應(yīng)用於對(duì)生長(zhǎng)中的細(xì)胞進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)中。而OPT則面向工業(yè)工程－油井、管線等場(chǎng)所，高精度地解決流體的過(guò)程測(cè)量問(wèn)題。由於OPT所關(guān)心的是光線路徑上的積分過(guò)程，因此相關(guān)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、測(cè)量理論分析中的單元分割與信號(hào)處理都是關(guān)鍵。圖12簡(jiǎn)單描繪了傳統(tǒng)OPT的測(cè)量原理，由於OPT具有適用於狹小的或不規(guī)則的空間、安全性高、測(cè)量區(qū)域不受電磁干擾以及可組成測(cè)量網(wǎng)路的多項(xiàng)長(zhǎng)處，為工業(yè)過(guò)程的安全測(cè)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(zhǎng)的一段時(shí)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(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的即時(shí)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(wèn)題之一，尤其是實(shí)現(xiàn)與紡織材料的自動(dòng)化編織。美國(guó)南卡羅來(lái)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。智能材料作為橋樑、大壩等混凝土大型建築的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)外多處工程中通過(guò)安裝測(cè)試並付諸應(yīng)用。此外，智能材料在航空航太領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，尤其是採(cǎi)用光纖光柵和光纖分佈式應(yīng)力、溫度測(cè)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(cè)取得了明顯的效果。圖14勾勒出分佈式感測(cè)器在航太領(lǐng)域多參量監(jiān)測(cè)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首次提出並實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證I-FOG原理之後[2]的五年間，世界範(fàn)圍內(nèi)的主要工作集中於基本結(jié)構(gòu)的研究、結(jié)構(gòu)小型化、開(kāi)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)製造的慣導(dǎo)系統(tǒng)。4、工業(yè)工程類感測(cè)器傳統(tǒng)的工業(yè)工程類感測(cè)器包括應(yīng)用光纖的電光和磁光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的電力工業(yè)用大電壓、電流感測(cè)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)力感測(cè)器已被廣泛應(yīng)用於應(yīng)力監(jiān)測(cè)中。圖18中為法國(guó)Alstom公司的鐵路部TransportS.A.領(lǐng)導(dǎo)研製的一種安裝了FBG的智慧型新型複合材料的轉(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(zhǎng)處為0.16dB／km，已接近石英光纖理論上的最低損耗極限，成為滿足超寬頻寬、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(wú)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），有利於多通道複用，其溫度對(duì)損耗的影響較小，其損耗水準(zhǔn)在6μm波長(zhǎng)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係數(shù)，用它製作的非線性器件，可以有效地提高光開(kāi)關(guān)的速率，使開(kāi)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(lái)，製造成性能優(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(duì)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於光纖的塗覆材料。目前，梯型矽氧烷聚合物（LSP）塗層的熱固化溫度達(dá)400℃以上，600℃時(shí)的光傳輸性能和機(jī)械性能仍然很好。採(cǎi)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），然後在光纖表面進(jìn)行裂解生成碳黑，即碳?jí)T覆光纖。碳?jí)T覆光纖的表面緻密性好，具有極低的擴(kuò)散係數(shù)，而且可以消除光纖表面的微裂紋，解決了光纖的“疲勞”問(wèn)題。另一方面，光纖的結(jié)構(gòu)決定了光纖的傳輸性能，合理的折射率分佈可以減少光的衰減和色散的產(chǎn)生，並增加光能量的傳輸。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)行波分複用，各個(gè)公司都致力於消除OH-吸收峰，已開(kāi)發(fā)出的“無(wú)水峰光纖”，可實(shí)現(xiàn)1350nm～1450nm第五窗口的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)Lucent公司開(kāi)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範(fàn)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)研製出了“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(jiàn)圖20）等等，這些都將為光纖感測(cè)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(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)經(jīng)過(guò)二十餘年的發(fā)展也已獲得長(zhǎng)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(gè)新的分支不少光纖感測(cè)器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器、光纖電流電壓感測(cè)器等；出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測(cè)試系統(tǒng)，如分佈式光纖測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x錶改造成安全可靠的先進(jìn)光纖式儀錶等等。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)路的出現(xiàn)，促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展；波長(zhǎng)調(diào)製型光纖光柵多參量測(cè)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）用於傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等等。①感測(cè)器的實(shí)用化研究。提高傳感系統(tǒng)，尤其是感測(cè)器的性價(jià)比；②感測(cè)器的應(yīng)用研究。在現(xiàn)有的科研成果基礎(chǔ)上，大力開(kāi)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(kāi)拓新型光纖感測(cè)器；④感測(cè)器用特殊光纖材料和器件的研究。例如：增敏和去敏光纖、螢光光纖、電極化光纖的研究等。諧振式感測(cè)器一、概述

自從人類創(chuàng)造了音樂(lè)，諧振技術(shù)就問(wèn)世了。遠(yuǎn)古石器時(shí)代的人已會(huì)應(yīng)用長(zhǎng)度和直徑不同的樂(lè)管吹奏不同的音調(diào)，即其諧振頻率不同。後來(lái)發(fā)展了絃樂(lè)器和樂(lè)鼓，改變弦的粗細(xì)和長(zhǎng)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，在感測(cè)器上利用諧振技術(shù)卻是從上世紀(jì)七十年代才開(kāi)始的。一、概述

基於諧振技術(shù)的諧振式感測(cè)器，自身為週期信號(hào)輸出（準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)），只用簡(jiǎn)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(hào)。分為兩類：基於機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)諧振式感測(cè)器和MOS環(huán)振式諧振感測(cè)器。本課主要介紹基於機(jī)械諧振結(jié)構(gòu)的諧振式感測(cè)器。它們可以利用振動(dòng)頻率、相位和幅值作為敏感資訊的參數(shù)。一、概述諧振感測(cè)器的優(yōu)勢(shì)：輸出信號(hào)是週期的，便於與電腦連接和遠(yuǎn)距離傳輸；感測(cè)器系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，處?kù)吨C振狀態(tài)，決定了感測(cè)器系統(tǒng)的輸出自動(dòng)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解析度；相對(duì)於諧振子的振動(dòng)能量，系統(tǒng)的功耗是極小量。表明感測(cè)器系統(tǒng)的抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。一、概述

諧振式感測(cè)器適於多種參數(shù)測(cè)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。使得這類感測(cè)器已發(fā)展成為一個(gè)新的感測(cè)器家族。一、概述

目前的諧振式感測(cè)器種類很多。包括以精密合金用精密機(jī)械加工製成的諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管；以及利用微機(jī)械加工技術(shù)，以矽和石英為基底制出的微結(jié)構(gòu)諧振式感測(cè)器；另外，聲表面波感測(cè)器是一種基於高的機(jī)械振動(dòng)頻率的諧振式感測(cè)器。上述諧振式感測(cè)器的頻率範(fàn)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。是感測(cè)器的核心元件，工作時(shí)以其自身固有的振動(dòng)模態(tài)持續(xù)振動(dòng)。諧振子的振動(dòng)特性直接影響諧振式感測(cè)器的性能。諧振子有多種：諧振梁、複合音叉、諧振筒等。D、E分別為信號(hào)檢測(cè)器和激勵(lì)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換，提供閉環(huán)自激的條件。激勵(lì)方式有：電磁、靜電、（逆）壓電效應(yīng)等；檢測(cè)方式有：磁電、電容、（正）壓電效應(yīng)、光電檢測(cè)等。A是放大器，用於調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值和相位，使系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作於閉環(huán)自激狀態(tài)。O是系統(tǒng)檢測(cè)輸出裝置。用於檢測(cè)週期信號(hào)的頻率、幅值或相位。C是補(bǔ)償裝置，主要對(duì)溫度誤差的補(bǔ)償。六個(gè)主要部件構(gòu)成了諧振式感測(cè)器的三個(gè)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(hào)檢測(cè)、輸出環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)被測(cè)量的手段。諧振子的Q值由定義可見(jiàn)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(duì)應(yīng)幅值增益為，稱為半功率點(diǎn)Q值計(jì)算對(duì)於諧振子來(lái)說(shuō)，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)的阻尼係數(shù)（2）:系統(tǒng)的固有頻率二、基礎(chǔ)理論Q對(duì)諧振子自激振盪的影響Q值越高，相對(duì)於儲(chǔ)存的能量來(lái)說(shuō)所需付出的能量就少，儲(chǔ)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(dòng)干擾的能力越強(qiáng)，感測(cè)器的重複性就越好。對(duì)於弱阻尼系統(tǒng)：

所以Q增大，起振的幅值條件易於滿足。

二、基礎(chǔ)理論對(duì)於一個(gè)二階系統(tǒng)，相頻關(guān)係：

二、基礎(chǔ)理論

當(dāng)P＝1時(shí)，,，考慮以為中心的相角範(fàn)圍當(dāng)時(shí)，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(guò)來(lái)講就是需要相同的相角變化時(shí)，Q值大的，對(duì)即在相同的幅值增益下，Q值大的諧振子所提供的相角範(fàn)圍大，從而易於構(gòu)成閉環(huán)自激系統(tǒng)。二、基礎(chǔ)理論的相對(duì)偏差小。近於諧振子的固有頻率；感測(cè)器自激頻率Q對(duì)感測(cè)器精度的影響由二階系統(tǒng)的相頻關(guān)係：

可得：

所以對(duì)於給定的，Q值大時(shí)，的隨機(jī)漂移就越小，系統(tǒng)的振動(dòng)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:諧振式感測(cè)器有一個(gè)最佳激勵(lì)點(diǎn)。即系統(tǒng)的振動(dòng)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(duì)於構(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)採(cǎi)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(dòng)筒壓力感測(cè)器是一種典型的諧振式感測(cè)器，利用振動(dòng)筒的固有頻率來(lái)測(cè)量壓力。1.絕對(duì)壓力測(cè)量振動(dòng)筒壓力感測(cè)器結(jié)構(gòu)圖：三、振動(dòng)筒式感測(cè)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：大致分五個(gè)部分

1振動(dòng)圓筒為感測(cè)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(cè)壓範(fàn)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係數(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，以防止或儘量減少兩只線圈的耦合作用。

4基座

基座上安裝有振動(dòng)筒和線圈組件，並有通入被測(cè)壓力的進(jìn)氣孔。

5遮罩與外殼

避免外界電磁場(chǎng)的干擾，要加遮罩，有時(shí)外殼也可代替遮罩。三、振動(dòng)筒式感測(cè)器三、振動(dòng)筒式感測(cè)器工作過(guò)程在被測(cè)壓力為零時(shí)，要使內(nèi)振動(dòng)筒工作在諧振狀態(tài)，必須從外部提供電激勵(lì)能量，而系統(tǒng)本身是一個(gè)滿足自激振盪的正回饋閉環(huán)系統(tǒng)，其線路方塊圖如下圖。三、振動(dòng)筒式感測(cè)器三、振動(dòng)筒式感測(cè)器

任何彈性體被激振後都可能出現(xiàn)多種振動(dòng)波型。一般情況下，對(duì)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(dòng)可以分為兩個(gè)方向來(lái)考慮：軸向截面的振動(dòng)和徑向截面的振動(dòng)。三、振動(dòng)筒式感測(cè)器幾種軸向振形：三、振動(dòng)筒式感測(cè)器幾種徑向振形：三、振動(dòng)筒式感測(cè)器當(dāng)m＝n＝4時(shí)，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(shí)，筒內(nèi)外的壓力相等，如果忽略介質(zhì)品質(zhì)、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(dòng)筒式感測(cè)器

如果暫不考慮材料的彈性溫度係數(shù)影響，則頻率的高低應(yīng)決定於圓筒內(nèi)外氣體壓力之差，諧振頻率與被測(cè)壓力成單值函數(shù)關(guān)係?？墒?，頻率與壓力不是線性關(guān)係，近似成拋物線關(guān)係。三、振動(dòng)筒式感測(cè)器三、振動(dòng)筒式感測(cè)器滿足一定條件時(shí)，可以得到感測(cè)器輸出頻率與壓力的關(guān)係式為：

三、振動(dòng)筒式感測(cè)器

電磁方式激勵(lì)、拾振最突出的優(yōu)點(diǎn)是與殼體無(wú)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(lì)

克服電磁激勵(lì)的效率低，激勵(lì)信號(hào)中需引入較大的直流分量，磁性材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生電磁耦合等不足，發(fā)展了一種採(cǎi)用壓電激勵(lì)、壓電拾振的新方案，如圖所示：三、振動(dòng)筒式感測(cè)器

壓電陶瓷元件直接貼於圓柱殼的波節(jié)處，筒內(nèi)完全形成空腔。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，易於小型化，功耗低，便於構(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(dòng)筒式感測(cè)器應(yīng)變式感測(cè)器的應(yīng)用應(yīng)變式感測(cè)器的非線性誤差分析應(yīng)變式感測(cè)器在千斤頂檢測(cè)中應(yīng)用電阻應(yīng)變式稱重感測(cè)器的

滯後補(bǔ)償機(jī)器人指端應(yīng)變式觸覺(jué)感測(cè)器提高應(yīng)變式感測(cè)器性能的方法採(cǎi)用差動(dòng)電橋改變激勵(lì)電源頻率採(cǎi)用恒流源品質(zhì)流量計(jì)中的測(cè)量技術(shù)流量測(cè)量流量測(cè)量原理簡(jiǎn)介品質(zhì)流量測(cè)量的秘密感測(cè)器敏感管為什麼要振動(dòng)？感測(cè)器如何檢測(cè)品質(zhì)流量？什麼是流量標(biāo)定因數(shù)？品質(zhì)流量與其是如何相關(guān)聯(lián)的？簡(jiǎn)介什麼是流量？暫態(tài)流量累計(jì)流量

簡(jiǎn)介品質(zhì)流量與體積流量

由於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(shí)，其密度也發(fā)生變化，則體積流量也隨之發(fā)生變化。而品質(zhì)是國(guó)際標(biāo)度，品質(zhì)流量是不隨工況條件變化的，因此品質(zhì)流量是表示流量的最好方法。簡(jiǎn)介流量的主要檢測(cè)方法體積式：節(jié)流式、速度式、容積式等品質(zhì)式：直接式、間接式、補(bǔ)償式等

品質(zhì)流量測(cè)量的秘密品質(zhì)流量測(cè)量秘密——科氏效應(yīng)流量計(jì)如何測(cè)量品質(zhì)流量品質(zhì)流量測(cè)量的基本條件：

轉(zhuǎn)動(dòng)速度

感測(cè)器敏感管為什麼要振動(dòng)？實(shí)際中，旋轉(zhuǎn)的參考系是由感測(cè)器敏感管的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此工作中感測(cè)器的敏感管是上下振動(dòng)的。感測(cè)器敏感管為什麼要