新型传感器原理ppt课件

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1、5.4 核辐射传感器核辐射传感器v5.4.1 核辐射传感的物理基础 1.放射性同位素 原子序数相同,但原子质量数不同的元素,称作同位数。当没有外因作用时同位数的原子核会自动在衰变中放出射线。其衰减规律为 式中 J、J0分别为初始时与经过时间t秒后的原子核数； 衰变常数（不同放射性同位数有不同的值。上式表明放射性同位数的原子核数按指数规律随时间减少，其衰变速度用半衰期表示。 2. 核辐射 放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线的放射性现象称为核辐射。核辐射的方式主要有四种:辐射、辐射、辐射和X辐射等。放出来的射线主要有射线、射线、射线和X射线。 、射线分别是带正、负电荷的

2、高速粒子流；射线不带电，是从原子核内部放射出来的以光速运动的光子流；X射线是原子核外的内层电子被激发而放射出来的电磁波能量。 3. 核辐射与物质的相互作用 1）电离作用 具有一定能量的带电粒子在穿透物质时，在它们经过的 路程上会产生电离作用，形成许多电子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。一个粒子在每厘米路程上生成离子对的数目称为比电离。带电粒子在物质中穿行时，能量耗尽前所经过的直线距离称为射程。 在辐射的电离作用下，每秒中产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可由下式表示： 式中: 为带电粒子的能量; 为离子对的能量； 为辐射源的强度； 为辐射源强度为1居里时，每秒钟放射出的粒子

3、数。利用上式可以测量气体的密度等。 2）核辐射的吸收、散射和反射 、射线在穿透物质时，粒子或射线的能量将按下述关系式衰减： 式中: 、 分别为射线穿透物质前、后的辐射强度； 为穿透物质的厚度； 为物质的密度； 为物质的质量吸收系数。可用于测量物质的厚度。5.4.2 核辐射传感器的分类1.电离室 图5.1为电离室示意图。电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化电压E使二极板间形成电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测、粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等

4、优点，但输出电流很小。图 5.1 电离室示意图2.气体放电计数管 图5.2所示，正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲，从而形成连续放电。若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体，可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子，而使放电自动停止。图 5.2 气体放电计数管 气体放电计数管的特性曲线如图5.3所示。图中I1、I2代表入射的核辐射强度，I1I2。由图可见，在相同外电压U时不同辐射强度将得到不同的脉冲数N。气体放电计数管常用于探测粒子和射线。 图5.3 特性曲线3.闪烁计数器 当核辐射进入闪烁晶体时，晶体原

5、子受激发光，透过晶体射到光电倍增管的光阴极上，根据光电效应在光阴极上产生的光电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，即可用仪器指示或记录。 图 5.4 闪烁计数器示意图5.4.2 核辐射传感器的应用1. 核辐射流量计 图 5.5 核辐射气体流量计图 5.6 核辐射测厚仪 2.核辐射在线测厚仪3 核辐射物位计4. 核辐射探伤仪图 5.7 核辐射物位计示意图 图 5.8 核辐射探伤仪 a)工作框图 b) 特性曲线 1被测管道 2放射源 3移动机构 4焊缝5.5 光纤传感器 5.5.1 光学纤维的结 构和基本原理 1 光纤基本结构 光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心

6、圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 图 5.10 实际单根光纤的基本结构 1 光纤纤芯 2 光纤包层 3 塑料涂覆层 4 松套管 5 Kevlar 绳 6聚乙烯护套图 5.9 光纤的基本结构和导光原理2 光纤传感器结构原理及分类 1）结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图5.11。光纤传感器则是一种把被测量的 状态转变为可测的光信号的装 置。由光发送器、敏感元件 (光纤

7、或非光纤的)、光接收 器、信号处理系统以及光纤构 成，见图5.12。图 5.11 传统传感器图 5.12 光纤传感器2）光纤传感器的分类按照材料性质分类:按照功能分类:5.5.2 强度调制型光纤传感器技术 利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化

8、等影响较大 实例1： RIMFOS的工作原理图如图5.13所示。光源S发出的光经过发送光纤照射到反射面，反射光再进入接收光纤，最后输出由光电探测器D接收。当反射面相对于光纤端面的距离d 发生变化时，反射回接收光纤的光强也会发生变化，在其它参数固定不变的情况下，探测器接收到的光功率Pr大小取决于距离d。图 5.13 RIM-FOS 的工作原理图实例2： 图5.14所示的透射式，又称遮光式。发射光纤与接收光纤对准，光强度调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。 图5.15。遮光屏是由等宽度、交替排列的透明区和非透明区的光栅组成，其中

9、一支为固定光栅，另一支为可移动光栅。在此遮光屏的空间周期内，光的透射率从50（两屏完全重叠）变到零。图 5.14 透射式光强调制结构示意图图 5.15 光栅遮光屏透射式强度调制结构5.5.3 相位调制型光纤传感器技术 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀

10、螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 1 光纤迈克尔逊干涉仪2 光纤马赫曾德干涉仪图 5.16 迈克尔逊干涉仪的结构图图 5.17 马赫曾德干涉仪结构图5.5.4 偏振调制型光纤传感器技术v1. 光纤偏振调制的常用物理效应-克尔效应 如图5.18所示，一个有平行玻璃窗的小盒称为克尔盒内封装着一对平行板电极，两偏振片的透振方向相互垂直。当电极间加上适当大小的电场时，就有光线透过正交的偏振片，这是因为克尔盒在强电场的作用下变为双折射物质，而使进入其中的光分解为 寻常光和异常光，使它们之间 产生附加相位差，从而使透射 光一般成为椭圆偏振光。这个 现象称之为

11、克尔效应。图 5.18 克尔盒2.光纤偏振调制机理的典型应用 1）泡克尔斯效应光纤传感应用（光纤型）图 5.19 块状光纤电压传感器如图5.19 在外加电压V的作用下，各向同性的电光晶体变为双轴晶体，产生人工双折射。双折射两光束的相位差 与外加电压V成正比。下式中：为入射光波长； 为电光晶体的折射率；为电光晶体的电光系数；l为电光晶体中的通光长度；d为施加电压方向的电光晶体厚度；V 为晶体的半波电压。传统型： 如图5.20 集成光纤电压传感器的理论基础仍然是泡克耳斯效应，但它是利用平面光无源调制器件进行光调制。图 5.20 传统集成光学电压传感器结构示意图2) 克尔效应光纤偏振传感应用 如图5

12、.21所示，同泡克耳斯效应一样，克尔效应也被用来进行电压、电场强度的测量，下面介绍一种激光克尔效应测量系统。由于此激光克尔效应高压测量系统具有较好的光电转换关系，比较接近线性关系，而且响应度很快，不仅用于工频和冲击场的测量，而且用于直流场的测量。图 5.21 激光克尔效应光路及 测量系统3）法拉第效应的光纤偏振传感应用 实例实例1：光纤电流传感器：光纤电流传感器如图5.22，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为：当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离 时电矢量E旋转角为：图 5.22 光纤电流传感器结构示意图其中，V是物质的费尔德常数。 绕在导线上的光纤长度为： 代

13、入上式得： 可见，通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关。图5.23所示，设载流导线中的电流 时，线偏振光振动方向在检偏器处的与Y轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位角为 ； 时的方位为 ，在 P上的投影（即光探测器的输出信号强度）为 ，则：图 5.23 检偏器设置方向原理图 在 附近， 时检测的灵敏度最高。也就是说，为了获得较高的灵敏度，检偏器的方位应与 时到达检偏器的线偏振光的振动方向成45角。此时： 通常 很小，所以有 ，由此可见，与 成线性关系如上图5.23所示：实例2：法拉第效应磁场测量传感器图 5.24 法拉第效应测量脉冲磁场的装置原理图4）弹光

14、效应的光纤偏振传感应用 图5.25为一典型的弹光效应光纤压力传感器，设入射光通过起偏器和弹光晶体后的琼斯矢量为：图 5.25 弹光效应压力传感器 入射光通过1/4波片，再经过偏振分光棱镜后的透射光功率为： 其中 为通过起偏器P后的光功率，设 为光源功率， 为从光源发出的光到分束棱镜入射面的传输损耗系数， 为从分束棱镜出射面到探测器D的传输损耗系数， 为探测器D的响应度，则探测器D输出的光电流 可表示为： 当 时：将 代入上式中，得： 光电流和压强具有线性关系，在各参数已知时，可测出外界压强 。5.5.5 频率调制型光纤传感技术 频率调制型是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化

15、来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。实例1：血液流速测量实例2：振动测量图 5.26 血液流速检测工作原理图图 5.27 激光光纤多普勒测振系统5.5.6 波长调制型光纤传感器技术 波长调制光纤传感器主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。此类传感器多为非功能型传感器。图5.28 波长调制型光纤传感器的基本原理1 光纤PH值探测技术v这种技术利用化学指示剂对被测溶液的颜色反应来测量溶液的pH值.图

16、5.29 光纤PH值探测技术2.光纤荧光探测技术v 图 5.30 光纤荧光测温系统结构 上述系统包括三个部分：光学系统、光纤探头和信号处理系统。此测量系统采用稀土荧光材料作为 光纤探头，其激励光谱和荧光光谱如图5.31所示，通过测量源于不同激发态的两条谱线（540 nm和630nm）的发光强度，就可以从光强比导出被测温度。图 5.31 荧光物质激励光谱与荧光光谱3. 光纤黑体辐射探测技术 通过测量物体的热辐射能量确定物体表面温度是非接触式测温技术。物体的热辐射能量随温度提高而增加。对于理想“黑体”辐射源发射的光谱能量可用热辐射的基本定律之一普朗克(Plank)公式表述. 所谓“黑体”、就是能够

17、完全吸收入射辐射，并具有最大发射率的物体。v图5.32是蓝宝石光纤传感系统的测温原理，当传感头置于待测温场中时，由于传感头热容小，能迅速与待测温场达到热平衡，腔体辐射的能量经石英光纤传给光电检测系统，通过检测光电信号便能确定温场的温度。图 5.32 蓝宝石高温光纤传感系统结构图 5.33 光电探测器相对光谱灵敏度5.5.7 分布式光纤传感技术v 分布式光纤传感技术就是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量。 分布式光纤传感分为两类： 1）以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的

18、光时域分布式。 2）以光波长检测为基础的波域分布式。1. 基于背向瑞利散射的分布式光纤传感技术v 光纤中的光散射主要包括瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布里渊散射（Brillouin Scattering）三种类型的光散射。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图5.33所示。图 5.33 基于背向瑞利散射的分布式光纤传感系统2. 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术图 5.34 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器3. 基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术v 该

19、传感器的一般形式是，光的入射与探测分别处于光纤的两端。如果传感光纤支持不同传播速度的两种传输模，那么在一定外界条件的作用下，光纤本征传输模的一部分能量就会耦合到另一传输模中去。因此在光纤另一端输出的耦合模的强度就能反映出被测量的大小，两传输模之间的延迟时间则反映出耦合点的位置。4. 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术v1）基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术：图 5.35 基于BOTDR的分布式光纤传感系统 传统方法测量布里渊谱线是利用法布里珀罗干涉仪，但由于干涉仪工作不稳定且自发布里渊散射信号相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级）检测比较困难，因此，测得的布里渊频移往往不

20、够准确。改进相干检测方法得到了相干自外差BOTDR系统，其原理图示于图5.37。图 3.37 相干自外差BOTDR系统原理框图2）基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术 当两束泵浦光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移 时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放大作用。BOTDA技术便应用了这一原理，采用两个光源分别作为泵浦脉冲光和探测连续光，其信号可以是布里渊增益信号，也可以是布里渊损耗信号。其基本框图如图5.38所示。图 5.38 基于BOTDA的分布式光纤传感系统框图3）基于布里渊光时域分析技术（BOFDA）分布式光纤传感技术 基于布里渊频域分

21、析技术（BOFDA）的分布式光纤传感技术是由德国D.Garus等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术，实验系统基本框图如图5.39所示。图 5.39 基于BOFDA的分布式光纤传感系统5.6 微机电传感器 传感器微型化，是当今传感器技术的主要发展方向之一，也是微机械电子（微机电）系统（Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS）技术发展的必然结果。MEMS技术，是当前蓬勃发展的前沿技术，微传感器是目前最为成功、最具有实用性的微机械电子系统装置。主要从三个层面介绍：5.6.1 基础理论 在微机电系统中，涉及多种基础理论方面的研究。包括微机械学、微电子学、微流体力学

22、、微热学、微摩擦学、纳米生物学等。在具体的微机电系统中，需要参考物理参数的关系式及尺寸效应（见课本296页 表5-4）。5.6.2 基础技术 设计技术设计技术（1）自地向上设计。（）自地向上设计。（2）自顶向下设计（）自顶向下设计（3）中间相遇设）中间相遇设计。具体包括：计。具体包括：MEMCAD、Intelli-CAD、SOLIDIS和和ANSYS技术。技术。 材料加工技术材料加工技术 结构材料、功能材料和智能材料结构材料、功能材料和智能材料 微加工技术微加工技术（1）体微加工和表面微加工技术）体微加工和表面微加工技术（2）键合技术）键合技术（3）LIGA技术（光刻、电铸和注塑）技术（光刻、

23、电铸和注塑） （4）准分子激光加工技术）准分子激光加工技术 （5）特种精密加工技术（电火花技术、激光束加工和超精）特种精密加工技术（电火花技术、激光束加工和超精密机械加工）密机械加工） 微测量技术微测量技术 材料特性检测、结构性能检测和综合性能检测材料特性检测、结构性能检测和综合性能检测集成与控制技术集成与控制技术包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路以及微能源的集成微能源的集成5.6.3 几种典型的微机电感器 如上图所示：该加速度计有一个与两端固定的梁带动中央的质量块构成，质量块的位移由其上下金属电极的电容信号读出。该系统中的串联

24、电容为：图 5.40 电容式硅微加速度计截面图1. 力微传感器 上式中，为空气的介电常数；A为电极面积； 、 为质量块的上、下位移。 由于质量块的位移 与加速度成正比，因此每个电容器的电容也与加速度成正比： 2. 微陀螺图5.41 科氏效应示意图 图5.42 振动陀螺工作原理 实例1：振动音叉陀螺 图 5.43 振动音叉陀螺a)单音叉 b) 双音叉 c)多音叉实例2:振动平板陀螺 图 5.44 振动平板陀螺 a) 线振动盘 b) 角振动盘 a) 线振动板实例3:振动薄壁陀螺 图 5.45 振动薄壁陀螺a) 单球 b) 环 c) 圆筒3. 微型光学传感器 微传感器在光学方面的应用越来越广泛，利用微机电系统和纳米制造技术，现已开发出许多用于传感、通信及显示系统的分立式或阵列式微型光学器件。这些微器件包括光纤传感器、光开关、光显示器、光调制器、光学对准器、光度头、变焦距反射镜、集成光编码器、微光谱仪及微干涉器等。下面介绍两种光开关：1）2D结构的光纤阵列图5.46 2D开关结构的开关阵列a) 开关阵列示意图 b) 开关阵列照片 2）微反射镜技术的光开关 图 5.47 微机械光开关a)微机械14光开关 b) 微机械18光开关盘 c) 微机械22光开关 d) 微机械22光开关