第12章-新型传感器课件.ppt

Henan Polytechnic University1 1精精品品课课程程检测技术与自动化仪表检测技术与自动化仪表 12 12 新型传感器新型传感器河南理工大学精品课程河南理工大学精品课程 Henan Polytechnic University2 2精精品品课课程程概述概述 从20世纪80年代以来，基于新型传感效应、新型敏感材料、新加工工艺的各种新型传感器陆续出现，各种实用型器件也在不断涌现和改善之中。新型传感器如生物传感器、微波传感器、超声波传感器、机器人传感器等等，已经成为当今信息技术中信息获取的重要器件，在各种特定环境和特殊要求下，发挥巨大的作用。Henan Polytechnic University3 3精精品品课课程程12.1 12.1 生物传感器生物传感器 一、基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。Henan Polytechnic University4 4精精品品课课程程工作原理生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜生物传感器的工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。出被测物质的量或浓度。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University5 5精精品品课课程程（1 1）将化学变化转变成电信号将化学变化转变成电信号例例,酶催化特定物发生反应酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物的量有所从而使特定生成物的量有所增减增减.用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合和固定化酶耦合,即组成酶传感器。即组成酶传感器。（2 2）将热变化转换成电信号将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。变化。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化。借热敏电阻转换为阻值的变化。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University6 6精精品品课课程程（3 3）将光信号转变为电信号）将光信号转变为电信号 例如，过氧化氢酶例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光能催化过氧化氢发光,因此如设法将过因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定装再和光电流测定装置相连置相连,即可测定过氧化氢含量。即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也可以用产生荧光。也可以用这种方法测定底物浓度这种方法测定底物浓度.上述三原理的生物传感器共同点：上述三原理的生物传感器共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接测量方式这种方式统称为间接测量方式.12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University7 7精精品品课课程程（4 4）直接产生电信号方式）直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在电极在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University8 8精精品品课课程程二、生物传感器分类 1 1、根据输出信号的产生方式根据输出信号的产生方式,可分为生物亲合型、可分为生物亲合型、代谢型或催化型代谢型或催化型;2 2、根据信号转换器可分为电化学生物传感器、根据信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等传感器、测声型生物传感器等 3 3、根据生物分子识别元件上的敏感材料可分为根据生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。基因传感器、细胞及细胞器传感器。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University9 9精精品品课课程程 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：反应式可表示为：S S（底物）（底物）+R+R（受体）（受体）=SR=SR生物亲合型传感器12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1010精精品品课课程程 底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为传感器，其反应形式可表示为 S S（底物）（底物）R R（受体）（受体）=SR P=SR P（生成物）（生成物）代谢型传感器12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1111精精品品课课程程生物传感器的分类12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1212精精品品课课程程三、组成部分一是生物分子识别元件一是生物分子识别元件(感受器感受器),),是具有分子识别是具有分子识别能力的生物活性物质能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等););二是信号转换器二是信号转换器(换能器换能器),),主要有电化学电极主要有电化学电极(如电如电位、电流的测量位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产所产生的复合物生的复合物(或光、热等或光、热等)通过信号转换器变为可以通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等输出的电信号、光信号等,从而达到检测的目的。从而达到检测的目的。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1313精精品品课课程程敏感器件（分子识别元件）12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1414精精品品课课程程四、生物传感器优点(1)(1)根据生物反应的特异性和多样性根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制理论上可以制成测定所有生物物质的传感器成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛因而测定范围广泛(2)(2)一般不需进行样品的预处理一般不需进行样品的预处理,它利用本身具备的它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程使测定过程简便迅速简便迅速,容易实现自动分析容易实现自动分析(3)(3)体积小、响应快、样品用量少体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在可以实现连续在位检测位检测12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1515精精品品课课程程(4)(4)通常其敏感材料是固定化生物元件通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次可反复多次使用使用(5)(5)准确度高准确度高,一般相对误差可达到一般相对误差可达到1%1%以内以内(6)(6)可进行活体分析可进行活体分析(7)(7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及因而便于推广普及(8)(8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息物理化学传感器综合作用才能获得的信息12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1616精精品品课课程程1.1.食品分析食品分析五、应用食品成分分析食品成分分析食品添加剂的分析食品添加剂的分析农药和抗生素残留量分析农药和抗生素残留量分析微生物和生物毒素的检验微生物和生物毒素的检验食品鲜度的检测食品鲜度的检测12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1717精精品品课课程程2.环境监测水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BODBOD），），传统方法测传统方法测BODBOD需需5 5天，且操作复杂。天，且操作复杂。19771977年年KarubeKarube等首次报道了等首次报道了BODBOD微生物传感器，只微生物传感器，只需需1515分钟即能测出结果分钟即能测出结果,连续使用寿命达连续使用寿命达1717天；天；废气或环境大气的监测废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中：可用于测定空气中SOSO2 2、NONOX X、COCO2 2、NHNH3 3、CHCH4 4等的含量；等的含量；农药和抗生素残留量的分析农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVPDDVP和伏杀磷等的测定和伏杀磷等的测定12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1818精精品品课课程程3.生物医学临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液临床应用：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。中的各种化学成分，为医生的诊断提出依据。生物医药：生物医药：利用生物工程技术生产药物时，将生物传利用生物工程技术生产药物时，将生物传感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，感器用于生化反应的监视，可以迅速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品的质量管理。有效地加强生物工程产品的质量管理。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University1919精精品品课课程程4.军事应用 现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s10s内内侦检出侦检出1010-9-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University2020精精品品课课程程环境废水BOD分析仪12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University2121精精品品课课程程手掌型葡萄糖分析仪12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University2222精精品品课课程程发酵罐发酵罐主机主机计算机计算机SBA-60型生物传感在线分析系统12.1 12.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University2323精精品品课课程程12.2 12.2 微波传感器微波传感器 一、一、微波概述微波概述 微微波波是是波波长长为为1 1 mmmm1 1 m m的的电电磁磁波波，可可以以细细分分为为三三个个波波段段：分分米米波波、厘厘米米波波、毫毫米米波波。微微波波既既具具有有电电磁磁波波的的性性质质，又又不不同同于于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波特点：微波特点：定向辐射的装置容易制造；定向辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受影响很小；传输特性好，传输过程中受影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对水对微波的吸收作用最强。微波的吸收作用最强。Henan Polytechnic University2424精精品品课课程程二、微波传感器的原理和组成二、微波传感器的原理和组成 1 1、微波传感器的测量原理及分类、微波传感器的测量原理及分类 微微波波传传感感器器是是利利用用微微波波特特性性来来检检测测某某些些物物理理量量的的器器件件或或装装置置。由由发发射射天天线线发发出出微微波波，此此波波遇遇到到被被测测物物体体时时将将被被吸吸收收或或反反射射，使使微微波波功功率率发发生生变变化化。若若利利用用接接收收天天线线，接接收收到到通通过过被被测测物物体体或或由由被被测测物物体体反反射射回回来来的的微微波波，并并将将它它转转换换为为电电信信号号，再再经经过过信信号号调调理理电电路路，即即可可以以显显示示出出被被测测量量，实实现现了了微微波波检检测测。根根据据微微波波传传感感器器的的原原理理，微微波波传传感感器器可可以以分分为为反反射射式式和和遮遮断断式式两类。两类。12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University2525精精品品课课程程（1 1）反射式微波传感器）反射式微波传感器 反反射射式式微微波波传传感感器器是是通通过过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波功功率率或或经经过过的的时时间间间间隔隔来来测测量量被被测测量量的的。通通常常它它可可以以测测量量物物体体的的位位置、位移、厚度等参数。置、位移、厚度等参数。（2 2）遮断式微波传感器）遮断式微波传感器 遮遮断断式式微微波波传传感感器器是是通通过过检检测测接接收收天天线线收收到到的的微微波波功功率率大大小小来来判判断断发发射射天天线线与与接接收收天天线线之之间间有有无无被被测测物物体体或或被被测测物物体体的的厚度、厚度、含水量等参数的。含水量等参数的。12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University2626精精品品课课程程 微微波波传传感感器器通通常常由由微微波波发发射射器器（即即微微波波振振荡荡器器）、微微波波天天线及微波检测器三部分组成。线及微波检测器三部分组成。（1 1）微波振荡器及微波天线）微波振荡器及微波天线 微微波波振振荡荡器器是是产产生生微微波波的的装装置置。由由于于微微波波波波长长很很短短，即即频频率率很很高高（300 300 MHzMHz300 300 GHzGHz），要要求求振振荡荡回回路路中中具具有有非非常常微微小小的的电电感感与与电电容容，因因此此不不能能用用普普通通的的电电子子管管与与晶晶体体管管构构成成微微波波振振荡荡器器。构构成成微微波波振振荡荡器器的的器器件件有有调调速速管管、磁磁控控管管或或某某些些固固态态器器件件，小小型型微波振荡器也可以采用体效应管。微波振荡器也可以采用体效应管。2、微波传感器的组成、微波传感器的组成12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University2727精精品品课课程程 由由微微波波振振荡荡器器产产生生的的振振荡荡信信号号需需要要用用波波导导管管（管管长长为为10 10 cmcm以以上上，可可用用同同轴轴电电缆缆）传传输输，并并通通过过天天线线发发射射出出去去。为为了了使使发发射射的的微微波波具具有有尖尖锐锐的的方方向向性性，天天线线要要具具有有特特殊殊的的结结构构。常常用用的的天天线线如如图图所所示示，其其中中有有喇喇叭叭形形天天线线（图图（a a）、（b b）、抛物面天线（图（抛物面天线（图（c c）、（）、（d d）、）、介质天线与隙缝天线等。介质天线与隙缝天线等。（a a）扇形喇叭天线）扇形喇叭天线;(b);(b)圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线;(c)(c)旋转抛物面天线旋转抛物面天线;(d);(d)抛物柱面天线抛物柱面天线 12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University2828精精品品课课程程（2 2）微波检测器）微波检测器 电电磁磁波波作作为为空空间间的的微微小小电电场场变变动动而而传传播播，所所以以使使用用电电流流-电电压压特特性性呈呈现现非非线线性性的的电电子子元元件件作作为为探探测测它它的的敏敏感感探探头头。与与其其它它传传感感器器相相比比，敏敏感感探探头头在在其其工工作作频频率率范范围围内内必必须须有有足足够够快快的的响响应应速速度度。作作为为非非线线性性的的电电子子元元件件，在在几几兆兆赫赫以以下下的的频频率率通通常常可可用用半半导导体体PNPN结结，而而对对于于频频率率比比较较高高的的可可使使用用肖肖特特基基结结。在在灵灵敏敏度度特特性性要要求求特特别别高高的的情情况况下下可可使使用用超超导导材材料料的的约约瑟瑟夫夫逊逊结结检检测测器器、SISSIS检检测测器器等等超超导导隧隧道道结结元元件件，而而在在接接近近光光的的频频率率区区域域可可使使用由金属用由金属-氧化物氧化物-金属构成的隧道结元件。金属构成的隧道结元件。2 2、微波传感器的组成、微波传感器的组成 Henan Polytechnic University2929精精品品课课程程 微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：有有极极宽宽的的频频谱谱（波波长长=1.0mm-1.0m1.0mm-1.0m）可可供供选选用用，可可根根据据被测对象的特点选择不同的测量频率；被测对象的特点选择不同的测量频率；在在烟烟雾雾、粉粉尘尘、水水汽汽、化化学学气气氛氛以以及及高高、低低温温环环境境中中对对检检测测信信号号的的传传播播影影响响极极小小，因因此此可可以以在在恶恶劣劣环环境境下下工工作作；时间常数小，时间常数小，反应速度快，反应速度快，可以进行动态检测与实时可以进行动态检测与实时处理，处理，便于自动控制；便于自动控制；3、微波传感器的特点、微波传感器的特点12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3030精精品品课课程程 测测量量信信号号本本身身就就是是电电信信号号，无无须须进进行行非非电电量量的的转转换换，从从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；微波无显著辐射公害。微波无显著辐射公害。微微波波传传感感器器存存在在的的主主要要问问题题是是零零点点漂漂移移和和标标定定尚尚未未得得到到很很好好的的解解决决。其其次次，使使用用时时外外界界环环境境因因素素影影响响较较多多，如如温温度度、气气压、取样位置等。压、取样位置等。12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3131精精品品课课程程三、微波传感器的应用三、微波传感器的应用 1 1、微波液位传感器、微波液位传感器 微波液位计微波液位计 12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3232精精品品课课程程 水水分分子子是是极极性性分分子子，常常态态下下成成偶偶极极子子形形式式杂杂乱乱无无章章地地分分布布着着。在在外外电电场场作作用用下下，偶偶极极子子会会形形成成定定向向排排列列。当当微微波波场场中中有有水水分分子子时时，偶偶极极子子受受场场的的作作用用而而反反复复取取向向，不不断断从从电电场场中中得得到到能能量量（储储能能），又又不不断断释释放放能能量量（放放能能），前前者者表表现现为为微微波波信号的相移，后者表现为微波衰减。信号的相移，后者表现为微波衰减。使使用用微微波波传传感感器器，测测量量干干燥燥物物体体与与含含一一定定水水分分的的潮潮湿湿物物体体所所引引起起的的微微波波信信号号的的相相移移与与衰衰减减量量，就就可可以以换换算算出出物物体体的的含含水量。水量。2、微波湿度传感器、微波湿度传感器12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3333精精品品课课程程 下下图图给给出出了了测测量量酒酒精精含含水水量量的的仪仪器器框框图图，图图中中，MSMS产产生生的的微微波波功功率率经经分分功功率率器器分分成成两两路路，再再经经衰衰减减器器A1A1、A2A2分分别别注注入入到到两两个个完完全全相相同同的的转转换换器器T1T1、T2T2中中。其其中中，T1T1放放置置无无水水酒酒精精，T2T2放放置置被被测测样样品品。相相位位与与衰衰减减测测定定仪仪（PTPT、ATAT）分分别别反反复复接接通通两两电电路路（T1T1和和T2T2）输输出出，自自动动记记录录与与显显示示它它们们之之间间的的相相位位差差与与衰衰减差，减差，从而确定样品酒精的含水量。从而确定样品酒精的含水量。2、微波湿度传感器、微波湿度传感器12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3434精精品品课课程程 微微波波测测厚厚仪仪是是利利用用微微波波在在传传播播过过程程中中遇遇到到被被测测物物体体金金属属表表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。微微波波测测厚厚仪仪原原理理如如图图所所示示，在在被被测测金金属属物物体体上上下下两两表表面面各各安安装装一一个个终终端端器器。微微波波信信号号源源发发出出的的微微波波，经经过过环环行行器器A A、上上传传输输波波导导管管传传输输到到上上终终端端器器，由由上上终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体上上表表面面上上，微微波波在在被被测测物物体体上上表表面面全全反反射射后后又又回回到到上上终终端端器器，再再经经过过传传输输导导管管、环环行行器器A A、下下传传输输波波导导管管传传输输到到下下终终端端器器。由由下下终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体下下表表面面的的微微波波，经经全全反反射射后后又又回回到到下下终终端端器器，再再经经过过传传输输导导管管回回到到环环行行器器A A。因因此此被被测测物物体体的的厚厚度度与与微微波波传传输输过过程程中中的的行行程程长长度度有有密密切切关关系系，当当被被测测物物体体厚厚度度增增加加时时，微波传输的行程长度便减小。微波传输的行程长度便减小。3、微波测厚仪微波测厚仪12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3535精精品品课课程程微波测厚仪原理图微波测厚仪原理图 3、微波测厚仪微波测厚仪12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3636精精品品课课程程 一一般般情情况况下下，微微波波传传输输的的行行程程长长度度的的变变化化非非常常微微小小。为为了了精精确确地地测测量量出出这这一一微微小小变变化化，通通常常采采用用微微波波自自动动平平衡衡电电桥桥法法，前前面面讨讨论论的的微微波波传传输输行行程程作作为为测测量量臂臂，而而完完全全模模拟拟测测量量臂臂微微波波的的传传输输行行程程设设置置一一个个参参考考臂臂（图图右右部部）。若若测测量量臂臂与与参参考考臂臂行行程程完完全全相相同同，则则反反相相叠叠加加的的微微波波经经过过检检波波器器C C检检波波后后，输输出出为为零零。若若两两臂臂行行程程长长度度不不同同，两两路路微微波波叠叠加加后后不不能能相相互互抵抵消消，经经检检波波器器后后便便有有不不平平衡衡信信号号输输出出。此此不不平平衡衡差差值值信信号号经经放放大大后后控控制制可可逆逆电电机机旋旋转转，带带动动补补偿偿短短路路器器产产生生位位移移，改改变变补补偿偿短短路路器器的的长长度度，直直到到两两臂臂行行程程长长度度完完全全相相同同，放放大大器器输输出出为为零零，可可逆逆电电机机停止转动为止。停止转动为止。3、微波测厚仪微波测厚仪12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3737精精品品课课程程 微微波波无无损损检检测测是是综综合合利利用用微微波波与与物物质质的的相相互互作作用用，一一方方面面微微波波在在不不连连续续界界面面处处会会产产生生反反射射、散散射射、透透射射，另另一一方方面面微微波波还还能能与与被被检检材材料料产产生生相相互互作作用用，此此时时的的微微波波场场会会受受到到材材料料中中的的电电磁磁参参数数和和几几何何参参数数的的影影响响。通通过过测测量量微微波波信信号号基基本本参参数数的的改改变变即即可可达达到到检检测测材材料料内部缺陷的目的。内部缺陷的目的。4、微波无损检测、微波无损检测12.2 12.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University3838精精品品课课程程1.次声波 次次声声波波是是频频率率低低于于2020赫赫兹兹的的声声波波，人人耳耳听听不不到到，但但可可与与人人体体器器官官发发生生共共振振，78Hz78Hz的的次次声声波波会会引引起起人人的的恐恐怖怖感感，动动作作不协调，甚至导致心脏停止跳动。不协调，甚至导致心脏停止跳动。声波的分类 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University3939精精品品课课程程2.可闻声波 美美妙妙的的音音乐乐可可使使人人陶陶醉醉。频频率率在在1620K 1620K HzHz之之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波间，能为人耳所闻的机械波，称为声波 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4040精精品品课课程程3.超声波蝙蝙蝠蝠能能发发出出和和听见超声波。听见超声波。高高于于20K 20K HzHz的的机机械械波波，称称为为超声波超声波 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4141精精品品课课程程一、超声波物理基础一、超声波物理基础 频频率率高高于于20kHz20kHz的的机机械械振振动动波波称称为为超超声声波波。它它的的指指向向性性很很好好，能能量量集集中中，因因此此穿穿透透本本领领大大，能能穿穿透透几几米米厚厚的的钢钢板板，而而能能量量损损失失不不大大。在在遇遇到到两两种种介介质质的的分分界界面面（例例如如钢钢板板与与空空气气的的交交界界面面）时时，能能产产生生明明显显的的反反射射和和折折射射现现象象，超超声声波波的的频频率率越越高高，其其声声场场指向性就愈好。指向性就愈好。超超声声波波的的传传播播波波型型主主要要可可分分为为纵纵波波、横横波波、表表面面波波等几种。等几种。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4242精精品品课课程程纵波纵波纵纵波波：质质点点振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向一一致致的的波波，它它能能在在固固体体、液体和气体介质中传播；液体和气体介质中传播；12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4343精精品品课课程程横波横波 横横波波：质质点点振振动动方方向向垂垂直直于于传传播播方方向向的的波波，它它只只能能在在固固体体介介质中传播；质中传播；12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4444精精品品课课程程表面波表面波表表面面波波：质质点点的的振振动动介介于于横横波波与与纵纵波波之之间间，沿沿着着介介质质表表面面传传播播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4545精精品品课课程程 超超声声波波的的传传播播速速度度与与介介质质密密度度和和弹弹性性特特性性有有关关。超超声声波波在在气气体体和和液液体体中中传传播播时时，由由于于不不存存在在剪剪切切应应力力，所所以以仅仅有有纵纵波的传播，其传播速度波的传播，其传播速度c c为为 式中：式中：介质的密度；介质的密度；BaBa绝对压缩系数。绝对压缩系数。上上述述的的、BaBa都都是是温温度度的的函函数数，使使超超声声波波在在介介质质中中的的传播速度随温度的变化而变化。传播速度随温度的变化而变化。超声波的传播超声波的传播 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4646精精品品课课程程在在固固体体中中，纵纵波波、横横波波及及其其表表面面波波三三者者的的声声速速有有一一定定的的关关系系，通通常常可可认认为为横横波波声声速速为为纵纵波波的的一一半半，表表面面波波声声速速为为横横波波声声速速的的90%90%。气气体体中中纵纵波波声声速速为为344 344 m/sm/s，液液体体中中纵纵波波声声速速在在9009001900m/s1900m/s。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器传播速度传播速度 Henan Polytechnic University4747精精品品课课程程超超声声波波在在液液体体、固固体体中中衰衰减减很很小小，穿穿透透能能力力强强，特特别别是是不透光的固体能穿透几十米；不透光的固体能穿透几十米；当当超超声声波波从从一一种种介介质质入入射射到到另另一一种种介介质质时时，在在界界面面上上会会产生反射、折射和波形转换。产生反射、折射和波形转换。超超声声波波为为直直线线传传播播方方式式，频频率率越越高高绕绕射射越越弱弱，但但反反射射越越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超超声声波波在在空空气气中中传传播播速速度度较较慢慢，为为340m/s340m/s，这这一一特特点点使使得得超超声声波波应应用用变变得得非非常常简简单单，可可以以通通过过测测量量波波的的传传播播时时间，测量距离、厚度等。间，测量距离、厚度等。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4848精精品品课课程程 声声波波在在介介质质中中传传播播时时，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，能能量量逐逐渐渐衰衰减减，其其衰衰减减的的程程度度与与声声波波的的扩扩散散、散散射射及及吸吸收收等等因因素素有有关关。其声压和声强的衰减规律为其声压和声强的衰减规律为 式中：式中：PxPx、IxIx距声源距声源x x处的声压和声强；处的声压和声强；x x声波与声源间的距离；声波与声源间的距离；衰衰减减系系数数，单单位位为为NpNp/cm/cm（奈奈培培/厘厘米）。米）。超声波的衰减超声波的衰减 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4949精精品品课课程程声声波波在在介介质质中中传传播播时时，能能量量的的衰衰减减决决定定于于声声波波的的扩扩散散、散散射射和和吸吸收收。在在理理想想介介质质中中，声声波波的的衰衰减减仅仅来来自自于于声声波波的的扩扩散散，即即随随声声波波传传播播距距离离增增加加而而引引起起声声能能的的减减弱弱。散散射射衰衰减减是是指指超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，固固体体介介质质中中的的颗颗粒粒界界面面或或流流体体介介质质中中的的悬悬浮浮粒粒子子使使声声波波产产生生散散射射，其其中中一一部部分分声声能能不不再再沿沿原原来来传传播播方方向向运运动动，而而形形成成散散射射。散散射射衰衰减减与与散散射射粒粒子子的的形形状状、尺尺寸寸、数数量量、介介质质的的性性质质和和散散射射粒粒子子的的性性质质有有关关。吸吸收收衰衰减减是是由由于于介介质质粘粘滞滞性性，使使超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时造造成成质质点点间间的的内内摩摩擦擦，从从而而使使一一部部分分声声能能转转换换为为热热能能，通通过过热热传传导导进进行行热热交交换换，导导致致声声能能的的损损耗。耗。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University5050精精品品课课程程二、二、超声波传感器（换能器）超声波传感器（换能器）超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。空气传导探头以及其他专用探头等。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University5151精精品品课课程程 超声波传感器使用时的两种形式：超声波传感器使用时的两种形式：反射式、直射式反射式、直射式 c)c)反射式反射式 a a）兼用型）兼用型专用型专用型直射式直射式发射探头（发射探头（TXTX）接收探头（接收探头（RXRX）工作方式工作方式 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器