1、壓電傳感器、光纖傳感器及其在測量中的應用張春陽張春陽2012.5.102012.5.10第一部分：傳感器簡介第一部分：傳感器簡介第二部分：壓電傳感器第二部分：壓電傳感器第三部分：光纖傳感器第三部分：光纖傳感器內容內容1、傳感器的定義：、傳感器的定義： 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。2、傳感器的組成：、傳感器的組成： 傳感器由敏感元器件（感知元件）、轉換器件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源。一、傳感器概念一、傳感器概念第一部分：傳感

2、器簡介第一部分：傳感器簡介 3、傳感器的分類、傳感器的分類 傳感器的分類主要依靠敏感原件的種類來區分。 敏感原件品種繁多就其感知外界信息的原理來講，可分為物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。化學類，基于化學反應的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類4、常見類型、常見類型 濕敏傳感器 氣敏傳感器 溫度傳感器 聲敏傳感器 壓電傳感器（如力敏傳感器） 光纖傳感器視頻視頻工作原理： 濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解, 離子導電率發生化而制成的測濕

3、元件，從而將濕度轉變電信號，感知空氣中濕度的變化。1、濕敏傳感器、濕敏傳感器濕敏元件自動加濕器二、常用傳感器工作原理及應用2、氣敏傳感器、氣敏傳感器 工作原理：工作原理： 聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。 它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔

4、口臭的檢測等等。 煙霧報警器酒精測試儀工作原理工作原理： 將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應來工作的。 電子溫度計 空調3、溫度傳感器、溫度傳感器工作原理：將聲音震動信號轉化到電容上，再轉化為電流信號或是講震動轉化為磁場信號，再轉化為電信號。聲控燈電話聲敏傳感器4、聲敏傳感器、聲敏傳感器工作原理：壓力傳感器主要利用彈性材料的形變和位移來檢測外界信號的變化，并將其轉換為電信號。如硅壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效

5、應制成的。電子秤表面張力測試儀5、壓力傳感器、壓力傳感器工作原理：光敏電阻的阻值會隨光照射程度的不同而產生變化，在一個閉合的電路中，電阻阻值的大小會影響電流的大小，從而將光這種外部信號轉化為電信號。6、光敏傳感器、光敏傳感器太陽能電池第二部分：壓電傳感器第二部分：壓電傳感器 1、原理、原理2、應用、應用一、壓電傳感器的工作原理一、壓電傳感器的工作原理 壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以某些電介質的某些電介質的壓電效應壓電效應為基礎，在外力作用下，為基礎，在外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現非電量電測的在電介質表面產生電荷，從而實現非電量電測的目

6、的。目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態力、終能變換為力的那些非電物理量，例如動態力、動態壓力、振動加速度等，但不能用于靜態參數動態壓力、振動加速度等，但不能用于靜態參數的測量。的測量。 壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩定性高。構堅固、可靠性、穩定性高。 一、壓電效應一、壓電效應 天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，用天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割

7、出一片正方形薄片。當晶體金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產生變形，表面產生薄片受到壓力時，晶格產生變形，表面產生正電荷，電荷正電荷，電荷Q與所施加的力與所施加的力F成正比成正比 ，這種，這種現象稱為壓電效應現象稱為壓電效應 。還有一些人造的材料也。還有一些人造的材料也具有壓電效應。具有壓電效應。 若在電介質的極化方向上施加交變電壓，若在電介質的極化方向上施加交變電壓，它就會產生機械變形。當去掉外加電場時，它就會產生機械變形。當去掉外加電場時，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。電效應（電致伸縮效應）。 石

8、英晶體的壓電效應演示石英晶體的壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。二、壓電材料的分類及特性二、壓電材料的分類及特性 壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類： 1、壓電晶體（如上述的石英晶體）；、壓電晶體（如上述的石英晶體）； 2、 經過極化處理的經過極化處理的 壓電陶瓷；壓電陶瓷；3、高分子壓電材料。、高分子壓電材料。（一）

9、石英晶體（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝（二）壓電陶瓷（二）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造制造成本卻較低成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷件絕大多數都采用壓電陶瓷 。壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理

10、中(c)極化處理后 壓電陶瓷的極化效應壓電陶瓷的極化效應無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）上海硅酸鹽研究所研制）（三）高分子壓電薄膜及拉制（三）高分子壓電薄膜及拉制 高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報警器壓電式腳踏報警器高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應）（逆壓電效應）壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路（一）等效電路（一）等效電路 當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作當壓電傳感器

11、中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個荷。可把壓電傳感器看成一個靜電發生器靜電發生器，如圖，如圖( (a) )。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器電容器，如圖，如圖( (b) )。其電容量為。其電容量為 qq電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路tStSCra0當兩極板聚集異性電荷當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現一定時，則兩極板呈現一定的電壓，其大小為的電壓，其大小為aaCqU 因此，壓電傳感器可

12、等因此，壓電傳感器可等效為電壓源效為電壓源Ua和一個電和一個電容器容器Ca的的串聯串聯電路，如圖電路，如圖(a)；也可等效為一個電；也可等效為一個電荷源荷源q和一個電容器和一個電容器Ca的的并聯并聯電路，如圖電路，如圖(b)。 qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理（二）（二） 測量電路測量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：u把壓電式傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出把壓電式傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出；u放大壓電式傳感器輸出的弱信號放大壓電式傳感器輸出的弱信號。 前置放大器形式：前置放

13、大器形式：u電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓）成正比；u電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1 1、電壓放大器、電壓放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua圖（圖（b）中，等效電阻）中，等效電阻R為為aaCqU tFFmsinFm作用力的幅值作用力的幅值壓電元件所受作用力壓電元件所受作用力C=Cc+Ci而而等效電容為等效電容為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數為d33，則在外，則在外力作用下，壓電

14、元件產生的電壓值為力作用下，壓電元件產生的電壓值為 amamCFdCqU33tUUmasinUm電壓幅值電壓幅值 aiCCRjRjFdU133由圖由圖(b)可得放大器輸入端的電壓可得放大器輸入端的電壓Ui，其復數形式為，其復數形式為 2 2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環增益其基本電路如圖。若放大器的開環增益A0足夠大，并且足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路運算電流僅流入反饋回路C

15、F與與RF。由圖可知。由圖可知i的表達式為：的表達式為： A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRFFFSCRCjUUi1FFRCjUAU10FFRACAjU11100（一）壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用二、壓電式傳感器的應用二、壓電式傳感器的應用流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發射發射壓電式流量計此流量計可測量各種液體此流量計可測量各種液體的流速，中壓和

16、低壓氣體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準性以及成分的影響。其準確度可達確度可達0.5%，有的可達，有的可達到到0.01%。根據發射和接收的相位差隨海洋深度深根據發射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況度的變化，測量聲速隨深度的分布情況壓電式流量計壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發兩用其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發兩用壓電超聲換能器，每隔一

17、段時間壓電超聲換能器，每隔一段時間( (如如1/ /100s) )，發射和接，發射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發射和接收的相收互換一次。在順流和逆流的情況下，發射和接收的相位差與流速成正比。據這個關系，可精確測定流速。流位差與流速成正比。據這個關系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。速與管道橫截面積的乘積等于流量。 視頻播放視頻播放 - -鉛筆制造工藝鉛筆制造工藝第三部分：光纖傳感器第三部分：光纖傳感器光纖與傳光原理光強調制光纖傳感器相位調制光纖傳感器偏振態調制光纖電流傳感器基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 主要由三部分組成主要由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯；

18、外層外層包層；包層； 護套護套尼龍料。尼龍料。 光導纖維的光導纖維的導光能力導光能力取決于纖芯和包層的性質：取決于纖芯和包層的性質： 纖芯折射率纖芯折射率n1略大于包層折射率略大于包層折射率n2（ n1 n2 ）。）。1 1、光纖與傳光原理、光纖與傳光原理u 光纖的結構光纖的結構100 200m100 200m包層包層玻璃纖維玻璃纖維尼龍外層尼龍外層涂敷層涂敷層纖芯纖芯外層直徑外層直徑1mm1.1 1.1 光纖的結構和分類光纖的結構和分類u光纖的分類 (1) 按纖芯和包層材料性質分類： 玻璃光纖和塑料光纖 (2) 按折射率分布分類： 階躍折射率型和梯度折射率型 階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而

19、變；但在纖芯與包層界面處折射率有突變。梯度型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。因此，這類光纖有聚焦作用；光線傳播的軌跡近似于正弦波，如圖所示。 包 層纖 芯2n1nn2n1nr(a) 包 層纖 芯2n1nn2n1nr(b) 包 層纖 芯2n1nn2n1nr(c) 光纖傳光原理主要是基于光纖傳光原理主要是基于光的全反射光的全反射。當光線以不。當光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發生折射后進入同角度入射到光纖端面時，在端面發生折射后進入光纖；光纖； v 光線在光纖端面入射角光線在光纖端面入射角 減小到某一角度減小到某一角度 c c時，光時，光線全部反射

20、。線全部反射。 v 只要只要 c c，光在纖芯和包層界面上經若干次全反，光在纖芯和包層界面上經若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。射向前傳播，最后從另一端面射出。 10.1.2 10.1.2 光纖的傳光原理光纖的傳光原理111100cosnsinnsinn 就能產生全反射。就能產生全反射。 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質質(n(n1 1、n n2 2) )決定的，與光纖的幾何尺寸無關決定的，與光纖的幾何尺寸無關若滿足若滿足 121nnsin 222100n-nn1sin 即即 光纖傳感器除了光導纖維外，還必須有光源和光探測器，另外還

21、有一些光無源器件。n 光源：相當于一個信號源，負責信號的發射；n 光纖：傳輸媒質，負責信號的傳輸；n 傳感頭：感知外界信息，相當于調制器；n 光探測器：負責信號轉換，將光纖送來的光信號轉換成電信號；n 信號處理系統：還原外界信息，相當于解調器。n 光無源器件1.4 光纖傳感器中的元器件光纖傳感器中的元器件1.5 光纖傳感器的原理光纖傳感器的原理 光纖傳感器由光發送器、敏感元件（光纖或非光纖傳感器由光發送器、敏感元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信號處理系統以及光纖構光纖的）、光接收器、信號處理系統以及光纖構成，是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號成，是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝

22、置。的裝置。 由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，從而使光信號變為電信接收光纖耦合到光接收器，從而使光信號變為電信號，最后經信號處理得到所期待的被測量。號，最后經信號處理得到所期待的被測量。1.5 光纖傳感器的原理光纖傳感器的原理 光纖傳感器由光發送器、敏感元件（光纖或非光纖傳感器由光發送器、敏感元件（光纖或非光纖的）、光接收器、信號處理系統以及光纖構光纖的）、光接收器、信號處理系統以及光纖構成，是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號成，是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。的裝置。 由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，從而使光信號變為電信接收光纖耦合到光接收器，從而使光信號變為電信號，最后經信號處理得到所期待的被測量。號，最后經信號處理得到所期待的被測