超声波传感器_百度百科
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超声波传感器
超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波传感器组成部分
常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。
超声波传感器性能指标
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压
超声波传感器
电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
超声波传感器工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
超声波传感器工作温度
由于的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用
超声波传感器
功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
超声波传感器灵敏度
主要取决于制造晶片本身。大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波传感器指向性
超声波传感器探测的范围
超声波传感器相关应用
超声波传感器主要应用
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其
超声波传感器
最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的
超声波传感器
应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
超声波距离传感器技术应用
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。
超声波传感器具体应用
一、超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐或塑料粒料室顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。
二、超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体。但不适用于室外、酷热环境或压力罐以及泡沫物体。
三、超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。
四、超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离，主要为包装、制瓶、物料搬检验煤的设备运、塑料加工以及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。
使用超声波传感器技术防止踩错踏板
日产汽车开发出了防止在要踩刹车时误踩成油门而使车辆加速的功能，使用摄像头和超声波传感器推断出“要在停车场上停车”的情况时，如果驾驶员踩成了油门就会强制刹车。该技术预定在2～3年内实用化。超声波传感器技术就是为了防止在停车场停车时踩错刹车和油门造成事故而开发的。　　　　该技术是使用在车辆前后左右各配备一个的四个摄像头和前保险杠、后保险杠各配备四个共八个超声波传感器实现的。4个摄像头沿用显示车辆周围俯瞰影像的“环视显示器”的摄像头。利用摄像头识别出白线等以推断汽车位于停车场，利用超声波传感器测量出汽车与周围障碍物之间的距离来确定刹车时机。
防止因踩错刹车和油门而造成事故分两步实施。当驾驶员在停车场想停车时，如果踩成了油门，则首先将车速减至蠕滑速度，用仪表板的图标来提示危险，并响起警报声。如果驾驶员仍继续踩油门而即将撞上墙壁等物体时，则强制刹车。刹车时机为保证汽车在与障碍物相距20～30cm左右时可以停下来。
超声波传感器工作相关
超声波传感器工作原理
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ
超声波传感器
范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。
超声波传感器主要材料有（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥
超声波传感器
控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波信号进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
超声波传感器工作程式
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子
超声波传感器
)施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+ ”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。 超声波传感器使得驾驶员可以安全地倒车，其原理是利用探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告，其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。
超声波传感器工作模式
超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测
超声波传感器
。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。
超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。
还有部分超声波传感器采用对射式的检测模式。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。
超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，
超声波传感器
频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6&声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12&至15&的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。
几乎所有的超声波传感器都能对开关输出的近点和远点或是测量范围进行调节。在设定范围外的物体可以被检测到，但是不会触发输出状态的改变。一些传感器具有不同的调节参数，如传感器的、回波损失性能，以及传感器与泵设备连接使用时对工作方向的设定调节等。
波长等因素会影响超声波传感器的精度，其中最主要的影响因素是随温度
超声波传感器
变化的声波速度，因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。
所有系列的超声波传感器都有开关量输出型产品。一些产品还有2路开关量输出（如最小和最大液位控制）。大多数产品系列都能提供具有模拟量电流或是电压输出的产品。
金属敲击声、轰鸣声等噪声不会影响超声波传感器的参数赋值，这主要是由于的优选和已获专利的噪声抑制电路。
超声波传感器的同步功能可防干扰。他们通过将各自的同步线进
超声波传感器
行简单的连接来实现同步功能。它们同时发射声波脉冲，象单个传感器一样工作，同时具有扩展的检测角度。
超声波传感器 超长扫描型
以交替方式工作的超声波传感器彼此间是相互独立的，不会相互影响。以交替方式工作的传感器越多，响应的开关频率越低。
超声波传感器特别适合在“空气”这种介质中工作。这种传感器也能在其它气体介质中工作，但需要进行灵敏度的调节。
直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于前段的部分物体。由此，超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区。传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。
空气温度与湿度会影响声波的行程时间。空气温度每上升20&C，检测
超声波传感器
距离至多增加3.5%。在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。
常规情况下大气变化±5%（选一固定参考点）将导致检测范围变化±0.6%。大多数情况下，传感器在5Bar压力下使用没有问题。
气流的变化将会影响声速。然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。在产生空气涡流比较普遍的条件下，例如对于灼热的金属而言，建议不要采用超声波传感器进行检测，因为对失真的声波的回声进行计算是非常困难的。
标准检测物
采用正方形声反射板用于额定开关距离sn的标定。
垂直性：与声束轴线垂直。
外壳可防固体颗粒和防水。
IP65：完全防尘；防水柱的侵入。
IP67：完全防尘；在恒温下浸入水下1m深处并放置30分钟，能够有效防护。
IP69K：基于EN60529的符合DIN40050-9
可施行双位置控制，例如一个液位控制系统的泵入泵出功能。当一个被测物远离传感器到达检测范围的远点时，输出动作。当被测物靠近传感器到达检测范围设定的近点时，输出相反的动作。
超声波传感器系统构成
超声波传感器主要由如下四个部分构成：
发送器：通过振子（一般为陶瓷制品，直径约为15 mm）振动产生超声波并向空中幅射。
接收器：振子接收到超声波时，根据超声波发生相应的机械振动，并将其转换为电能量，作为接收器的输出。
控制部分：通过用集成电路控制发送器的超声波发送，并判断接收器是否接收到信号（超声波），以及已接收信号的大小。
电源部分：超声波传感器通常采用电压为DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。
倍加福超声波传感器
超声波传感器检测方式
根据被检测对象的体积、材质、以及是否可移动等特征，超声波传感器采用的检测方式有所不同，常见的检测方式有如下四种：
穿透式：发送器和接收器分别位于两侧，当被检测对象从它们之间通过时，根据超声波的（或遮挡）情况进行检测。
限定距离式：发送器和接收器位于同一侧，当限定距离内有被检测对象通过时，根据反射的超声波进行检测。
限定范围式：发送器和接收器位于限定范围的中心，反射板位于限定范围的边缘，并以无被检测对象遮挡时的反射波衰减值作为基准值。当限定范围内有被检测对象通过时，根据反射波的衰减情况（将衰减值与基准值比较）进行检测。
回归反射式：发送器和接收器位于同一侧，以检测对象（平面物体）作为反射面，根据反射波的衰减情况进行检测。
超声波传感器检测好坏
超声波传感器用直接测试是没有什么反映的。要想测试超声波传感器的好坏可以搭一个音频振荡电路，当C1为390OμF时，在反相器⑧脚与⑩脚间可产生一个1.9kHz左右的。把要检测的超声波传感器(发射和接收)接在⑧脚与⑩脚之间;如果传感器能发出音频声音，基本就可以确定此超声波传感器是好的。
注：C1=3900μF时，为1.9kHZ左右；C1=0.O1μF时，约0.76kHZ。
超声波传感器液位测试
超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。计算公式为：
V=331.5+0.607T （1）
式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。
S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）
式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成了，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。
超声波传感器其他
超声波传感器区分
超声波传感器与声纳传感器的区别
声纳传感器和超声波传感器是经常听说的两种探测装置，很多人认为这两种是一种传感器，这两种传感器之间有什么区别呢？　　声纳传感器直接探测和识别水中的物体和水底的轮廓，声纳传感器发出一个声波信号，当遇到物体后会反射回
高频超声波传感器
来，依据反射时间及波型去计算它的距离及位置。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。声纳传感器主要用于探测生物，比如用于探测水底有哪些生物，生物体形有多大等。经常问你听说的用于探测水怪的装置就是声纳传感器。　　超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。超声波传感器在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波传感器注意事项
1：为确保可靠性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器
2：由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制之类的设备旁使用传感器。
3：喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。
4：传感器表面的水滴缩短了检出距离。
5：细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。
6：不能在真空区或防爆区使用传感器。
7：请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。
超声波传感器暴露问题
超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。
如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。
其中可能会出现几种误差：
当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差。
这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。
这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。
这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。
虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。
这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。
交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。
解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。
．传感器交易网[引用日期]
．传感器[引用日期]
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光纤传感器的作用5则
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传感器的作用（一）
国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是:“ 能感受规定的被测量并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转 换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并 能将检测感受到的信息, 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式 的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等 要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理 (传感器工作 的基本物理或化学效应 ) ;它们的用途;它们的输出信号类型以及制 作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类 :传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效 应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信 号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、 电化学反应等现象为因果关系的传 感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类, 也不能划分为化学类。 大多数传感 器是以物理原理为基础运作的。 化学传感器技术问题较多, 例如可靠 性问题,规模生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传 感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理列于表 1.1。按照其用途,传感器可分类为:压力敏和力敏传感器 位置传感器液面传感器 能耗传感器速度传感器 热敏传感器加速度传感器 射线辐射传感器振动传感器 湿敏传感器磁敏传感器 气敏传感器真空度传感器 生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为:模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号 (包括直接 和间接转换 ) 。膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号 的输出 (包括直接或间接转换 ) 。开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时, 传感器 相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 在外界因素的作用下, 所有材料都会作出相应的、 具有特征性的反应。 它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材 料, 被用来制作传感器的敏感元件。 从所应用的材料观点出发可将传 感器分成下列几类:(1)按照其所用材料的类别分金属 聚合物 陶瓷 混合物(2)按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材 料(3)按材料的晶体结构分单晶 多晶 非晶材料与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方 向:(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传 感器技术中得到实际使用。(2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器 技术。(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感 器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元 件的开发强度。 传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应 用密切关联的。 表 1.2中给出了一些可用于传感器技术的、 能够转换 能量形式的材料。按照其制造工艺,可以将传感器区分为:集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。 通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底 (基板 ) 上的, 相应敏感材料的薄 膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料, 涂覆在陶瓷基片上制成的, 基片 通常是 Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺 (溶胶 -凝胶等 ) 生 产。完成适当的预备性操作之后, 已成形的元件在高温中进行烧结。 厚膜 和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性, 在某些方面, 可以认 为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。每种工艺技术都有自己的优点和不足。 由于研究、 开发和生产所需的 资本投入较低, 以及传感器参数的高稳定性等原因, 采用陶瓷和厚膜 传感器比较合理。传感器的作用（二）
各传感器的作用1、发动机冷却液液位传感器此传感器在冷却液膨胀箱盖上。当发动机冷却液位下降后，启亮报警指示灯。此开关为常闭开关。2、发动机冷却液温度传感器此传感器在冷却液膨胀箱盖上。温度传感器的电阻与冷却液温度成正比变化，该传感器向仪表盘发送调解信号电压操纵仪表。发动机冷地液温度在仪表盘上以显示条形式显示，显示条最多为12格，每格表示5～6摄氏度。发动机冷机（温度低于56摄氏度）时，显示条只显示1格；当发动机处于正常工作温度时，显示条将最多显示10格；发动机温度过高、显示格数从11增到12时，启亮仪表盘上的报警指标灯报警。此报警为关键性报警3、发动机机油压力传感器此传感器在机体石侧，为常闭开关。传感器的电阻与发动机机油压力成正比变化，向仪表组发现调解信号电压操纵仪表。报警压力取决于发动机转速。在发动机转速低于500r/min时，开关关闭。在以下几种情况时，开关打开，启亮报警无线电示灯报警同时机油压力显示条降低至最少格：1）发动机转速为500～1500r/min，机油压力低于60kPa时；2）发动机转速为r/min，机油压力低于110kPa时；3）发动机转速为r/min，机油压力低于170kPa时,发动机机油压力以显示条的形式在主仪表盘上显示，发动机机油压力正常时显示条最多显示出10格；当发动机机油压力降低到上述设定值时报警。4、发动机转速传感器此传感器在发动机运转时将发动机转速以横向显示条的形式显示在主仪表备用上，显示条线段最多显示18格，每格线段代表100r/min，显示最低转速800r/min，最高转速为2500r/min。5、发电机上的传感器此传感器在发电机上。当发电机不给蓄电池充电时，启亮仪表盘上的报警开关。当蓄电池电压低于10V或高于16V时亦报警。6、空气滤清器堵塞传感器此传感器在空气滤清器上。当进气系统的真空度高于6.2Pa时，启高报警开关。此开关为常开开关。7、低温预热启动传感器此传感器在进气支管的进口上。当钥匙启动开关打到第1挡时，接通低温预热启动装置，点燃管路中的燃油，给被吸入的空气在进入燃烧室加热，此时仪表盘上的指示灯亮。当指示灯熄灭3S后方可启动发动机。8、燃油中的测水传感器此传感器在柴油初级滤清器的下部。当在柴油中检测到有水时，启亮仪表盘上的报警指示灯。9、燃油箱油位传感器此传感器在主油箱与主油管连接处。来自传感器变阴的信号确定仪表盘油位表上显示的液位。燃油箱油位在仪表盘上经显示条的形式显示，显示条最多显示12格（当油箱满箱时），每格表示燃油总量的1/12，若显示条由3格减为2格或从2格减为1格时，将启亮仪表盘上的报警指示灯。此报警为关键性报警。10、离合器踏板传感器此传感器在仪表盘左侧的模盖板内，用以监测离合器踏板的准确位置。11、前进挡/倒退挡/空挡传感器此传感器与换向手柄相连。当换向手柄在向前位置时，拖拉机行驶方向为前进方向，此时在区域动力换挡品液数字显示器上显示F字母并显示某一挡位。前进挡共有18个挡位。分3个速度区域（高速区域C、中速区域B和低速区域A），每个区域有6个档位。当换向手柄在向后位置时，拖拉机行驶方向为倒退方向，此时在区域动力换挡晶液数字显示器上显示R字母并显示某一挡位。倒退挡共有6个挡位。仅有1个区域，即在前进挡的中速区显示器上显示N字母并显示在停车前所在挡位的数字。12、中速-倒同步器传感器此传感器在变速箱体右侧，用以监测中速同步器，以确认该同步器在什么位置，向微处理机传关信号。它与中速-倒速同步器执行油缸拉杆连在一起，通过油缸的运动使此传感器的电阻值发生变化，将同步器的位置信号反映到微处理机上。13、高速-低速同步器传感器此传感器在变速箱体右侧，用以监测高速-低速同步器，以确认该同步器在什么位置，向微生物处理机传关信号。它与高速-低速同步器执行油缸拉杆连在一起，通过油缸的运动使此传感器的电阻值发生变化，将同步器的位置信号反映到微处理机上。14、变速箱进油滤清器堵塞传感器此传感器为常开开关，在液压油泵的进油管路上。当变速箱进油真空度高于54kPa时，启亮仪表上的报警指示灯报警。15、变速箱进油滤清器温度感应塞开关和报警灯是串联在一个回路上的，当变速箱机油温度升至40摄氏度以上时，此开关接通，进油滤清器堵塞开关起作用；当变速箱机油温度低于40摄氏度时，此开关断开，以确保变速箱进油滤清器温度感应塞报警指示灯在低于40摄氏度时不亮。16、变速箱油压过低传感器此传感器为常闭开关，在区段控制阀上。主要控制变速箱及整个低压系统在油压在kPa范围内，多余的油以270～340kPa的压力流入润滑油路，当油压降低至1100kPa时，启亮仪表盘上的报警指示灯报警。17、变速箱机油温度传感器此传感器位于液压泵至变速箱5个脉宽调制电磁阀的管路上，用以检测变速箱的机油温度，以使在需要时进行离合间隙自动校正和电子力调节校正。18、变速箱速度传感器此传感器在变速箱的右侧。感应变速箱输出（车轮）速度并产生信号，供仪表组用于计算并显示打滑率。当行驶速度大于12.4km/h时，仪表盘自动显示行驶速度。19、低供油压力传感器此传感器在液压油泵总成的供油泵的进油口处，为常闭开关。当供油泵的供油压力低于75kPa时起作用，触发仪表盘上的变速箱油压过低报警灯报警。20、四轮驱动机油压力传感器此传感器为常闭开，在区段控制阀上。四轮驱动管路（四轮驱动接合时）变速箱压力呈现1600kPa时，启亮报警灯。21、动力输出轴转速传感器上传感器在动力输出轴上。传感器的输出随输入仪表组的信号电压调解，以显示实际测量出的动力输出轴转速。当全使用540r/min档位时，若转速升高至650r/min，动力输出轴接合/过速指示灯闪烁，警示转速过高。22、差速锁压力开关传感器此传感器为常开开关，在区段控制阀上。当差速锁供油管路中变速箱压力呈现1600kPa时，启亮报警灯。23、协达传感器此传感器在雷达上。感应真实车速并产生信号，供仪表组显示车速、打滑率、距离并计算累积作业面积。24、转向角传感器此感应塞大路侧前轮立轴上，用于感应机车的转向角度，以控制四轮驱动和差速锁。当转向角大于25度且速度在10～20km/h之间或转向角大于35度且速度低于10km/h时，自动四轮驱动临时分离；当转向角大于20度且速度低于10km/h或转向角大于10度且速度在10～15km/h之间时，自动差速锁临时分离。25、手制动传感器此传感器在手制动器下部。当钥匙开关断开时，手制动器未接合，此开关闭合，报警灯报警。在手制动器接合或部分接合时试图驾驶拖拉机，会发出紧急警报声。26、制动液液传感器此传感器为常闭开闭开关，在制动液液箱盖上。当制动液位降至最低时，启亮仪表盘上的报警指示灯。27、制动踏板伟感器此传感器在仪表盘右侧的模制盖板内，用以监测制动器踏板的准确位置。28、提升控制手柄传感器此传感器与提升控制手柄连在一起，为可变电阻。当操纵提升手柄移动至提升或下降位置时，其位置的变化引起变阻器电阻变化，将信号传送给电子力调节微处理器，电子力调节微处理器又将信号传至电子调节控制阀，于是便相应地提升或下降液压提升机构。29、右提升臂位置传感器此传感器在后三点悬挂右侧提升臂上端部，为一个可变电阻。其作用是随时向电子力调节微处理器反映升降臂的准确位置。当农具提升或下降时，此变阻器将位置信号向电子力调节微处理器传送。当升降臂已运动到要求的位置时，电子力调节微处理器对电子力调节控制阀的控制信号转至“断开”，升降臂便停在该位置。30、力传感销此传感销共两个，位于后悬挂两下拉杆末端，为可变电阻。当农具承受土壤阻力改变时，下拉杆上的牵引力发生变化，此力的变化引起力传感销的阻值发生变化，将信号传到电子力调节微处理器，使电子力调节微处理器向电子力调节控制阀传送一个修正脉搏宽调制信号，调节农具作业深度以保持设定的牵引力不变。光纤传感器的应用实例（三）
功率放大器的?制作与调试实?训报告 一、 实训目的 1.通过自己动手?实践加深对集?成运算放大器?工作原理的认?识。 2.通过思考实验?中遇到的问题?来加深对电子?技术知识的认?识。 3.通过动手焊接?电路和查找线?路中的故障来?培养自己的动?手能力。 二、实训线路及器?材 1.实训电路
2.工作原理
图上所示电路?为本作品—双电源供电B?TL音频功率?放大器(双声道)原理图，本作品自带电?源电路，简单实用。其中TDA2?030是高保?真集成功率放?大器芯片，输出功率大于?10W，频率响应为1?0~1400Hz?，输出电流峰值?最大可达3.5A。其内部电路包?含输入级、中间级和输出?级，且有短路保护?和过热保护，可确保电路工?作安全可靠。TDA203?0使用方便、外围所需元器?少，一般不需要调?试即可成功。TDA 2030(1)为同相放大器?，输入信号Vi?n通过交流耦?合电容C1馈?入同相输入端?1脚。D7为整流桥?堆起整流作用?，C13.C14起滤波?作用，R5是音量调?节电位器，C1是输入耦?合电容，。R2、R6决定了该?电路交流负反?馈的强弱及闭?环增益。该电路闭环增?益为(R2+R6)/R6=(0.68+22)/0.68=33.3倍，C15起隔直?流作用，以使电路直流?为100%负反馈。静态工作点稳?定性好。C3、C5、C7、C8为电源高?频旁路电容，防止电路产生?自激振荡 3.元器件清单 名称规格型号数量位号 集成电路 TDA203?01 IC 整流二极管1N，D2 电阻器100K 4 R1，R2，R3，R5 电阻器 4.7K 1 R4 电阻器 电阻器 电阻器 电阻器 电阻器 电阻器 电阻器 瓷片电容器 瓷片电容器 瓷片电容器 瓷片电容器 电解电容 电解电容 电位器 电位器 2P接线输出?端子 音频输入插座? 3P电源插座? 直推电源开关? IC散热器 散热器螺丝 发光LED 变压器 瓷片电容 4.实训主要材料? 设计的TDA?2030采用?双电源供电，采用双电源输?入，可采用一个变?压器，通过变压器把?220V常用?电压变成正负?12V作为电?源输入。 5.实训工具 三、训练步骤及内?容 1.第一步是画电?路原理图，根据老师给的?图画出原理图?。 2.第二步是分析?原理图，我在分析次原?理图时发现原?理比较简单，就是以TDA?2030A为?放大芯片，加上电源滤波?电容和过压过?流保护，和反馈部分的?电阻，基本上就没什?么了。分析好电路原?理图以后，接下来的就是?第三步了。 3.第三步是PC?B的排线，功放的排线我?学到了很多东?西。首先，地线不能太长?，这样会带来干?扰。再次，还有要考虑到?散热片的安装?，所以想装散热?片的地方不能?放器件，还要计算测量?散热片间距，避免两个散热?片触碰。还有，应为功放的电?压电流会比较?大，所以电源线和?地线应该要大?一些，相应的焊盘也?调大，以利于焊接。 4.第四步就是打?印腐蚀电路板?打孔和焊接了?。这步也是成功?的关键，在印制电路板?时如果效果不好?，要用油性笔把?不清楚的或者?断的线补上。在这步中，要注意印制?的质量，最重要的应该?是焊接，有了前面的焊?接基础，在这次焊接中?我没有出现什?么问题，还提高了自己?的焊接技术了?。在一本次制作?中，最主要的就是?接下来的第五?步了。 第五步是电路?的调试。测试方法:将信号发生器?的信号接入功?率放大器的输?入端，示波器接功率?放大器的输出?端，接通12V变?压器电源，调节可变电阻?，观察示波 器的波形，改变输入信号?幅度观察示波?器波形并记录?测试数据，计算出放大倍?数，输出功率等。在调试在本次?调试过程中，我在前面学习?的基础上，学会了更加灵?活地用双电源?和示波器和数?字信号源，这些东西又是?我在本次实训?中学到的很有?用的东西之一?。. 四、实训心得 结本次实训，我获益良多。 本次实训是老?师给的题目视?功率放大器。虽然本次实验?存在一些小的?问题，但是在同学的?帮助下都一一?改正了，而且我也学到?了知识，所以我觉得在?这次实训中收?获很大，这些收获将是?我在电子方面?继续学习的财?富，它也时刻提醒?我，只有 动手脚去做了?才知道制作的?快乐，只有自己体会?才会知道自己?的不足:在焊接时出现?虚焊，少锡的情况。使调试样品的?时候左声道响?而且音色相当?好，右声道声音小?。最后发现双联?电位器少锡。这一点以后一?定要注意。光纤pH传感器的设计（四）
第22卷　第2期　2000年4月　　光　学　仪　器OPT ICAL INSTRUM ENTS V o l. 22, N o. 2A pr il, 2000光纤pH 传感器的设计范世福　陈　莉　肖松山　李彦芳(天津大学生物医学工程与科学仪器系, 天津　300072)欧阳国荣(军事医学科学院卫生环境医学研究所, 天津　300050)　　摘要:设计开发了一个用于环境水质pH 值监测的光纤传感系统。采用<5发光二极管作光源, 硅光电二极管作检测器, 大芯径、大数值孔径的Y 型分叉光纤束作传感介质; 染料指示剂苯酚红以两种方法固定, 设计了相应的两种探头结构。系统中提出了双LED 双光束补偿的设计思想, 对两种探头的传感机理做了归一性推导。该系统体积小, 价格低廉, 性能稳定, 响应灵敏度可达0. 01pH 。关键词:染料指示剂, 双光路补偿, pH 检测。Design of optical fiber pH sensorFA N Shif u 　CH EN L i 　X I AO S ongshan 　L I Yanf ang(Depar tment of Bio chemica l Engineer ing and Scientific Instr ument, T ianjin U niver sity , T ianjin 300072)OUYA N G Guor ong(Inst itute o f Hy gienic Env ir omental M edicine, T ianjin 300050)　　Abstract :A optical fiber sensor for pH m onitoring of env ir omental w ater was designed . It co nsists of LED lig ht source, optical fiber bundle, dy e detecting medium, PIN dio de and microco mputer system. The sy stem with LED double beams com pensation principle is co mpact , cheap but stable and sensitive , its response is 0. 01pH .Key words :Dye detector , do uble beam s com pensation , pH m easur ing .1　光纤pH 传感系统的设计最早出现、最典型的光纤pH 传感器是比色分析技术与光纤技术的直接结合。近年来, 在探头的设计制作、试剂和载体的选择及其固定方法、仪器结构设计等方面不断有新的进展。抛弃传统的白炽灯(或激光) 、单色仪、光电倍增管的复杂结构, 开发具有市场竞争力的紧凑、便携、价廉实用的仪器成为光纤化学传感器的一个重要发展方向, 采用LED —PIN 低成本集成电路结构是一个非常好的选择。基于吸收原理的光纤传感器, 主要是根据试剂的颜色进行检测, 所用的检测波长多集中在可见区, 很适合采用LED 作光源, 国外在这方面的研究非常活跃。[2][1]　14??光　学　仪　器第22卷的光学系统; 以多模阶跃大芯径、大数值孔径的BX —CG 型(北京玻璃研究所生产) 双臂光纤束为传感介质, 采用两种方法固定苯酚红指示剂, 设计了相应的两种探头结构。系统结构紧凑, 体积小, 便于携带, 可用于野外实时检测。系统总体结构如图1所示:图1　光纤p H 传感系统总体结构1. 1　双光束补偿光学系统的设计双光束设计能将杂散光及LED 强度漂移的影响减至最小[3]。根据日EEC 委员会规定, 饮用水的pH 值必须保持在6. 5～8. 5之间, 因此采用苯酚红作为水质pH 检测的指示剂。其碱式吸收峰波长为565nm, 当波长大于620nm 后, 吸光度不再随pH 值变化。因此, 我们可以采用波长为565nm 的绿色LED 作检测光源, 波长为655nm 的红色LED 作参比光源。文献报道中采用双LED-PIN 结构的光纤传感器是采用两根(束) 光纤分别将两个LED 发出的光引入光纤探头, 来自探头的信号光由另一光纤(束) 导向检测器。两束光经过不同的光纤, 路径不同, 由光纤本身或光路上的变化造成的漂移无法补偿; 另外探头为三分叉结构, 整个系统比较复杂。[4][4]1　参比LED 　　2　检测LED 　　3、4、5　透镜　　6　半透半反镜789第2期范世福等:　光纤pH 传感器的设计　?15?　　为了实现更好的补偿效果, 我们设计了一个双光束补偿光学系统, 将两个LED 发出的光同时送入光纤, 使参比光和信号光经过的路径相同, 补偿了光路上的变化, 如图2所示。参比LED 和检测LED 发出的光经半透半反镜和透镜系统以同样的平行光束馈送到入射光纤, 来自探头的光信号经出射光纤, 直接由一个光电二极管接收。整个系统结构紧凑、光学布局合理、调整方便。电源及电路波动的影响则通过脉冲调制LED 来解决。1. 2　电路系统的设计振荡器产生1KHZ 方波脉冲, 经过分电路分成两路相位差180°、占空比1/4的方波, 分别驱动参比LED 和检测LED 。来自探头的信号光经光电二极管光电转换、滤波放大、解调后, 转换成直流电平, 再经多路开头、采样保持器、A/D 转换接口电路进入计算机, 最后由计算机进行数据处理。2　光纤pH 传感探头结构及检测原理2. 1　探头结构将苯酚红固定到两种不同的载体上, 使之成为不溶于水的染料指示剂。以硬质聚氯乙烯树脂(PVC ) (北京塑料研究所生产) 作探头材料, 根据载体的特点, 设计了两个光纤pH 探头。2. 1. 1　封入式光纤pH 探头黑色PVC 外套与光纤端部通过螺纹配合在一起, 苯酚红染料微球用半透膜封于光纤末端与PVC 外套管形成的凹槽内, 半透膜距光纤末端的距离为0. 5mm , 探头结构如图3所示。苯酚红与聚丙烯酰胺微球通过乳化作用共价键合到一起, 同时在其聚合物中加入了聚苯乙烯微球, 用以增强光在聚合物中的散射, 提高光信号强度。将苯酚红染料微球在水中浸泡72小时, 没有发现掉色现象; 随后将其加热至沸腾4分钟, 聚合物染料没有被溶化或凝结成块状, 仍呈微粒状, 且未见掉色现象。半透膜采用自制的二醋酸纤维素膜, 厚度0. 1m m 左右, 透水性好, 响应速度快; 但膜的脆性大, 易破。因此, 在膜的选择及制作上有待进一步探索。1　螺纹配合　2　O 型圈　3　固态苯酚红染料　4　黑色PVC 外套管　5　光纤末端　6　半透膜图3　封入式光纤pH 探头结构2. 1. 2　直接固定式光纤pH 探头将苯酚红试剂配成0. 001mol /l 的苯酚红溶液, 使用时用水稀释至适当浓度。采用高性能均相强碱性阴离子交换膜(华东理工大学制作) 作固定苯酚红的载体。在使用之前, 先将膜放在去离子蒸馏水中浸饱24小时以上, 使其达到必要的溶胀平衡。将浸泡好的阴离子交换膜剪成2cm ×2cm 的方块, 放入苯酚红溶液中, 晃动烧杯, 交换一定时间后取出, 用清水冲洗干净, 即可用于pH 测试。改变交换时间可以控制膜上固定试剂的量。苯酚红敏感膜在水中浸泡一个月,　16??光　学　仪　器第22卷色PVC 外套管Ⅰ与光纤端部通过螺纹配合, 将敏感膜压在光纤末端, 敏感膜下面置一反射镜, 探头结构如图4所示。1　探头件Ⅰ　2　探头件Ⅱ　3　光纤末端　4　苯酚红敏感膜5　反射镜　6　定位螺钉　7、8　螺纹配合　9　通水孔图4　直接固定式光纤pH 探头结构2. 2　光纤pH 传感器的检测原理固定在载体上的染料指示剂仍保持其酸碱变色的指示特性, 当与待测溶液接触时, 与溶液中的H 、OH 建立起化学平衡,HIn Z H ++OH -H +其电离平衡常数　Ka=(1) [HIn]式中, 5H +为待测溶液的氢离子活度, [HIn ]、[In -]分别为固定化染料的共轭酸式、共轭碱-+-式浓度。对一特定的传感器, 固定化染料的总浓度C In 为常数, 即C In =[HIn]+[In ]将式(2) 代入(1) , 可导出[In -]=根据pH 的定义, pH=-lg 5H +　　pKa 的定义, pKa=-lgKa对苯酚红, pKa=7. 9。将式(4) 和式(5) 代入式(3) , 得到染料共轭碱式浓度与溶液pH 值的关系:[In ]=--(2) In Ka+5H +(3) (4) (5)10-pKa -pKa In In -pH =+101+10-(pH-pKa) (6)苯酚红的共轭碱式光密度较共轭酸式高, 即当pH 值发生变化时, 共轭碱式具有更高的光灵敏度。因此, 选择只被染料共轭碱式吸收的波长为565nm 的光作检测光。在图3所示的探头结构中, 来自入射光纤的光被聚合物中的染料吸收, 聚合物微球将被染料吸收的光散射, 由出射光纤接收。根据朗伯-比尔定律, 有lg　　式中, I 01为没有染料存在时的光强; I 1为被染料指示剂吸收后的光强;; I 01=E L 1C 1I 1(7)第2期范世福等:　光纤pH 传感器的设计　?17?L 1为光线穿过试剂层的有效光程;C 1为吸光物质的浓度, 在此即为染料共轭碱式的摩尔浓度。在图4所示的探头结构中, 入射光透过试剂层(敏感膜) 后, 被试剂层下面的反射镜反射, 二次穿过试剂层。假设敏感膜上直接反射的光强与二次透过光强度相比可以忽略, 根据朗伯-比尔定律, 同样有lg　　式中, I 02为没有染料存在时的光强;I 2为光线二次穿过染料敏感膜时的光强;L 2为光线两次穿过染料敏感膜的有效光强;C 2为敏感膜上染料共轭碱式的浓度可见, 式(7) 与式(8) 的意义完全一样, 将染料的共轭碱式浓度, 式(6) 代入, 从而得出基于吸收原理的光纤pH 传感器的响应方程:0lg =E L C In I 1+1002=E L 2C 2I 2(8) (9)　　前面已说明, 我们设计的光纤pH 传感器是以波长分别为655nm 的红光、565nm 的绿光作参比光和信号光, 两束光进入探头后, 只有绿光被染料试剂层吸收, 检测红光与绿光的输出光强之比, 即而　0red I green lg (10) 0r ed 0red 0green 0red 0gr een =lg(?) =lg +lg I green I 0green I green I 0green I green式中, I 0red 为红色参比光强, 染料对其不吸收;I 0green 为没有染料存在时的绿色信号光强;I green 为绿色信号光被染料吸收后的光强;当实验条件固定时, 0red 为一常数, 记为K 1, 将式(9) 代入式(10) , 有I 0gr een0red lg I green =lg K 1+E L C In 1+10-(pH-pKa) (11)对于一特定的传感器, K 1、E 、L 、C I n 均为常数, 因此, 输出光强仅与溶液的pH 值有关。当溶液pH 值改变时, 接收到的光信号强度将随pH 值增加而减少, 而吸光度则增加。3　实验结果及分析3. 1　试剂我们采用配制标准缓冲溶液的方法对传感系统进行测试。测试溶液:配制0. 2mo l/l 的磷酸氢二钠与磷酸二氢钠各1000ml 。实验时, 按不同的体积比取两种溶液配成不同pH 值的标准缓冲溶液, 每次配制20ml 。苯酚红:分析纯, 天津市化学试剂一厂生产;校准仪器:pHS-2C 酸度计, 天津第二分析仪器厂, 精度0. 02pH 。我们重点对封入式光纤pH 探头的性能做了测试。3.　18??光　学　仪　器第22卷3. 2. 1　pH 响应曲线将探头置于不同pH 值的标准缓冲溶液中, 搅拌一定时间, 测量其输出信号。当pH 值发生变化时, 经过一段时间后, 传感器响应逐渐趋于平稳。计算机记录传感器的实时响应曲线, 利用软件系统的数据采集功能, 取出传感器达到稳态时的信号值, 得到pH 响应曲线, 如图5所示。在pH 7. 4～8. 2范围内, 线性相关系数为0. 9913, 响应灵敏度为2. 766/pH 。pH 值变化0. 01pH传感器能够区分这种变化。图5　封入式光纤pH 探头的响应曲线3. 2. 2　可逆性对pH 从6. 4到8. 0的一组溶液进行测量后, 又将探头插回pH =6. 4的溶液中进行测量, 图6是计算机记录的传感器可逆性曲线。图中纵坐标为传感器的红光与绿光输出光强之比, 横坐标为采样时间。图6　光纤p H 传感器的可逆性曲线pH =6. 4的两次测量结果之差为0. 027, 它与整个曲线两极端输出值之差(pH8. 0的值-pH 6. 4的值) 的比为1. 6%, 说明传感器具有良好的双向检测可逆性, 而且滞后很小。3. 2. 3　响应时间响应时间通常是测量从一个pH 值跳跃到另一个pH 值时, 传感器输出值从起始值变化到,第2期范世福等:　光纤pH 传感器的设计　?19?量、试剂相致密度等都将影响传感器的响应时间。图7是计算机记录的变化两个pH 时传感器响应时间曲线。图7　响应时间曲线从图中可以看出, 响应时间也受pH 变化量及变化方向的影响。当pH 值由6. 0变化到8. 0时, 响应时间为30分钟; 而当pH 值由8. 0变化到6. 0时响应时间仅13分钟。图6也可以说明传感器的时间响应特性, 图中pH 变化量约0. 2pH 左右, 响应时间为20分钟左右。可见, 当溶液pH 值由高向低变化时, 响应较快; 反之则慢, 这说明H +从固相试剂中解离下来进入溶液中比从溶液中进入固相与试剂结合更困难。3. 3　敏感膜型光纤pH 传感器的响应特性3. 3. 1　pH 响应曲线将探头置于不同pH 值的标准缓冲溶液中, 图8是其pH 响应曲线。在pH6. 0～7. 4范围内响应呈线性, 相关系数为0. 9973, 响应灵敏度4. 334/pH, 较采用聚合物微球染料的光纤pH传感器高。　20??光　学　仪　器第22卷3. 3. 2　响应时间及可逆性同样, 测试探头从pH 6. 0→pH 8. 0→pH 6. 0的响应时间, 图9是计算机记录的传感器响应时间曲线。从图中可以看出, 该探头的响应时间较封入式光纤pH 探头短。当pH 值由6. 0变化到8. 0时响应时间为6分钟, 而当pH 值从8. 0变化到6. 0时响应时间达11分钟。可见, 当pH 值由低向高变化时, 响应速度快; 反之则慢, 这正与上述采用聚合物微球染料的探头相反,这是由于苯酚红敏感膜制作时处于碱性状态所致。图9　响应时间曲线3. 4　实验结果分析从上面的实验结果可以看出, 由于指示剂的固定方式不同, 两个pH 探头的响应特性略有不同; 但是它们的检测原理相同, 因此又存在一些共性。3. 4. 1　最大灵敏区虽然都采用苯酚红作指示剂, 但两个光纤pH 探头的最大灵敏区不同, 这是由于在染料的固定过程中苯酚红处于不同的酸碱环境中所致。苯酚红聚合物微球呈黄色, 即苯酚红主要以共轭酸式存在, 当pH 值增大, 溶液中的H +浓度减小时, 试剂相中的H +较容易解离下来进入溶液中。因此, 当溶液pH 较高时, 探头比较敏感, 灵敏度较高。而在敏感膜的制备过程中, 苯酚红是用强碱NaOH 溶解的, 制成的敏感膜呈红色, 苯酚红主要以共轭碱式方式存在, 因此, 探头在pH 值较低的酸性溶液中比较敏感, 灵敏度较高。3. 4. 2　响应时间从总的响应时间来看, 采用苯酚红敏感膜的光纤pH 探头响应较快, 这可能是由于染料的固定方法不同。苯酚红吸附于敏感膜表面, H +比较容易进入或离开试剂相; 而采用聚合物微球染料的光纤pH 探头, 苯酚红共价聚合到聚合物中, 因此H +进入或离开试剂相都需要较长的时间。pH 值变化方向对两个探头的响应时间影响不同。前面已说明两个探头的固定化苯酚红处于不同的酸碱环境中, 可称之为稳态, 当溶液pH 值向着染料所处的稳态变化时, 探头响应快;第2期范世福等:　光纤pH 传感器的设计　?21?向着染料稳态所处的碱性环境变化时, 响应较快, 反之则慢; 对采用聚合物染料的探头, 其稳态为酸性, 当pH 值由高向低变化时响应较快。3. 4. 3　滞后及稳定性两个光纤pH 探头均是可逆的, 采用聚合物染料的光纤探头滞后小, 这可能与染料的固定方式有关, 也与测试时溶液pH 值的变化方向有关。当pH 值较低时, 聚合物染料式探头达到稳态响应后稳定性较好, 而敏感膜型探头则正相反。同样可用上述理论解释。3. 4. 4　试剂固定量的影响由前述传感原理公式可推知, 光信号强度随染料指示剂固定量的增加而下降, 但对具有一定间隔的两个溶液, 测得的光信号强度之差增大。所以, 在一定范围内增大固定试剂量可以提高响应曲线的斜率, 即提高了响应灵敏度, 但这同时也使传感器的响应时间延长了。因此应综合考虑, 选择一个合适的试剂固定量, 从而获得较好的响应灵敏度和较快的响应时间。4　　参考文献1　J I Peter son , S R Goldstein , R V Fitzgerald et al . Fib er optic pH probe for phys iological us e . Anal . Chen . , ) :864～869.2　Fran ces co Baldini. Recent pr oces s in fiber optic pH s ens ing. SPIE, :184～190.3　P R Krau s, A P Wade et at. , Portab le double-beam, fiber-optic-bas ed p hotom etric comparator. Anal. Chem. , 1988, 60(14) :.4　K T V Grattan , Z M ou aziz , R K S elli . pH sen sor using a LE D source in a fibre optic device . 0.5　张志琪, 章竹君. 基于染料吸收光谱的光导纤维pH 传感器. 化学学报, ～243.消　　息仪器仪表行业“十五”规划讨论稿审查会在沪召开　　仪器仪表行业“十五”规划讨论稿审查会, 1月20～22日在沪召开, 有33个单位的40多位代表参加了会议。国家机械工业局规划发展司的黄鹂处长和行业管理司的叶定达处长、陈铁军处长, 以及上海仪电控股集团公司的周永清副总裁等参加了会议并讲了话; 参加会议的还有编制各分行“十五”规划的各归口研究所、行业协会和部分重点企业的专家和科研人员。两个主办单位上海工业自动化仪表研究所和秦皇岛视听机械研究所分别介绍了“十五”规划讨论稿的汇总情况; 会议代表还就加入WT O 后对行业的影响和对策进行了讨论分析。(摘自《中国机电日报》)光纤传感器的发展综述（五）
文章编号 :11) 29-0186-02光 纤 传 感 器 的 发 展 综 述★收稿日期 :★ :上海师范大学校级科研基金项目 (项目编号 :SK200929) ; 上海师范大学横向基金项目 (项目编号 :DL200810)作者简介 :李文婷 (1968-) ,女 , 同济大学环境科学与工程学院硕士研究生 , 讲师 , 上海师范大学建工学院 , 上海 201418施凤英 (1964-) , 女 , 副教授 , 上海师范大学建工学院 , 上海 201418查珑珑 (1976-) , 女 , 讲师 , 上海师范大学建工学院 , 上海 201418李文婷施凤英 查珑珑摘要 :对光纤传感器的原理 、 特点及国内外的发展情况作了论述 , 介绍了在实际测量中的一些具体应用 , 提出了光纤传 感器在轨道交通地铁隧道结构的垂直方向和水平方向的位移及隧道的收敛位移测量的运用前景等 , 为光纤传感器的深入研究提供了一定的指导 。 关键词 :光纤传感器 , 监测 , 传感技术 中图分类号 :TU198文献标识码 :A1研究及实践概况 1．1研究概况随着科学和技术的飞速进步和经济的持续增长 , 当今现代工 程结构的材料 、 结构形式和功能发生了重大变化 , 正在向超大化 、 复杂化 、 自动化 、 连续化 、 长期化等方向发展 。 目前还没有一个系 统能对上述这些分布式 、 非线性 、 强结合 、 多变量和时变性复杂的 系统进行有效监测和预报 。 早在 20世纪 80年代初 , 科学家和结 构专家受自然界和生物体进化学习与思考的启发 , 提出了可根本 解决工程结构整个生命周期内安全监控的一条崭新思路 — — — 智 能材料与结构概念 :使结构系统能像生物体一样 , 通过某种 “ 感 觉 ” 而以预警 、 自适应调整 、 自修复等方式 , 预报以至消除危害性 “ 病兆 ” , 从而极大地提高关键工程结构构件的安全性和可靠性 , 为了解决这类问题 , 人们将传感器埋入使用阶段的结构中 , 发展 出在线监测技术 , 赋予了结构的自感知功能 , 实现了智能土木结 构的初级层次 。 人们又在在线监测的基础上结合了监测数据的 智能处理机制 , 例如数据融合等技术 , 使得结构进一步具有了自 诊断 、 自推理的能力 。近三十年来 , 随着控制工程的发展 , 多种驱动材料开始融入 土木结构 。 利用自动控制机制 , 根据自诊断的结果 , 由耦合在结 构中的驱动系统做出必要的反应 , 实现智能控制 , 达到智能土木 结构的第三层次 [1]。 1978年 , 加拿大 K．O．Hill 等人 [2]发现含锗 光纤 , 观察到入射光和反射光在光纤内部形成干涉条纹能够导致 纤芯折射率沿光纤轴线周期性变化 , 发现光纤中的光致光纤效 应 , 并研制出世界上第一根 Bragg 光栅光纤 。 1989年 , GMelt 等人 发明了紫外侧写入技术 , 不仅提高了光纤的写入效率而且可以通 过变化两 束 相 干 光 的 夹 角 , 改 变 Bragg 光 栅 的 周 期 , 控 制 光 纤 Bragg 波长 。1．2光纤材料的实践概况光纤材料的应用研究为土木工程领域注入了新的活力和内容 ,目前的应用研究集中以下方面的研究 :大型结构的应力 、 应变监测 。 对其施工及工作状态进行安全 性评定的基础 。 利用光纤传感技术 、 形状记忆合金的电阻特性 , 压电材料的压电效应 、 半导体的压阻效应均可对土木结构的应 力 、 应变实时在线监测 。 裂缝探测 。 土木工程中大量采用钢筋混凝土结构 , 该类结构 损伤的最初表现为混凝土开裂 , 裂缝可由外荷载或结构变形引起 , 也可能由混凝土结构内部徐变收缩导致 。 裂缝的出现不仅影响结构的外观与正常使用 , 而且严重时危及结构安全 。 因此 , 需 要通过对裂缝出现位置 、发生 、 发展监测后进行判断 。 混凝土收缩应变监测 。 混凝土固化期间 , 不均匀的收缩应变 是混凝土结构出现裂缝的主要原因之一 , 这种影响对大体积混凝 土 (如坝体 、 基础底板 ) 较为严重 , 降低混凝土的整体性 , 削弱抗渗 性能等 。 光纤传感器能够实时监测混凝土固化过程中的收缩应 变 , 且结构简单 、 灵敏度高 、 防水 、 耐腐蚀 。 碳纤维混凝土的温敏 性可实现材料的温度自监测 。振动监测 。 重要结构的整体或关键部位的振幅 、 额率的测量 十分必要 , 传统的电容 、 电阻式加速度计等抗电磁干扰能力差 , 光 纤传感器能弥补其不足 , 且具备远程传输功能 , 压电材料改变状 态的变化速率极快 , 所以研究将其应用于结构振动的主动控制成 为压电类智能结构的前沿和热点 。腐蚀监测 。 钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要原因之一 。 了解钢筋腐蚀状况 , 对防止结构耐久性失效引起的工程事故具有 重要的意义 。疲劳监测 。 在疲劳试验中发现疲劳寿命丝 (箔 ) 无论是在拉 伸或压缩状态下 , 其体积导电率会随疲劳次数发生不可逆的降 低 , 利用这一特性 , 即可对混凝土材料的疲劳损伤进行监测 。 同 样碳纤维混凝土也有相同的疲劳性能 。2共识由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰 、 尺寸小 (标准裸光纤为 125μm ) 、 重量轻 、 耐高温性好 (工作温度上限可达 400? 600? ) 、 复用能力 强 、 传输距离 远 (传感器到解调端可达几千 米 ) 、 耐腐蚀 、 高灵敏度 、 无源器件 、 易形变等优点 , 早在 1988年就 成功地在航空 、 航天领域中作为有效的无损检测技术 , 同时光纤 光栅传感器还可应用于化学医药 、 材料工业 、 水利电力 、 船舶 、 煤 矿等各个领域 , 还在土木工程领域 (如建筑物 、 桥梁 、 水坝 、 管线 、 隧道 、 容器 、 高速公路 、 机场跑道等 ) 的混凝土组件和结构中 , 测定其结构的内部应变状态 , 从而判断结构的安全性 [3]。光纤 (Optical Fiber ) 是光导纤维的简称 , 20世纪后半叶光纤 及光纤通讯技术的发展是信息革命的重要标志之一 [4]。 光纤作 为光波的传输媒介 , 在通信领域中主要用于信息交换 。 但光纤本身属于一种物理媒介 , 许多因素都可以改变它的几何参数 (如尺寸 、形状 ) 和光学参数 (如折射率 、 模式 ) 。 和力求减少外部影响的光通讯应用不同 , 光纤传感反而是故意增强和测量这些外部因素 对光纤的影响 。 光纤传感器在按探测外部扰动的方式实践中 , 人 们发现当光纤受到外界环境的变化 , 会引起光纤内部传输光波参 数的变化 , 而这些变化与外界因素成一定规律 , 由此发展出光纤 传感技术 。在过去的 20年中 , 世界范围内 , 不仅在光纤通讯领域 , 而且 在光纤传感器和系统的应用和开发方面的投资日益增大 。 与常 规的电传感器相比 , 光纤传感器可以用于不利的环境条件 , 如强 电磁场 、 高压 、 核辐射 、 爆炸和化学侵蚀性介质及高温环境 。 其小 巧 、 灵活和低光信号传输损耗特性使得空间分布传感器阵列和网 络可以用于医疗 , 或埋设在复合材料结构内 , 简言之 , 即基于光纤 的 “ 技术神经系统 ” 的实现 [4]。近年来 , 传感器朝着灵敏 、 精巧 、 适应性强 、 智能化和网络化 方向发展 。 光纤传感技术是 20世纪 70年代末新兴的一项技 术 [5], 在全世界成了研究热门 , 已与光纤通信并驾齐驱 。 光纤传 感器作为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐 , 其具有体积小 、 质量轻 、 抗电磁干扰 、 防腐蚀 、 灵敏度很高 、 测量带 宽很宽 、 检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点 , 可以构成 传感网络 。特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级 , 可以测量压 力 、 温度 、 应力 (应变 ) 、 磁场 、 折射率 、 形变 、 微震动 、 微位移和声压 等等 , 能用光纤传感技术测量的物理量已达到了 70多种 [6]。 1989年美国布朗大学 (Brown University ) 的 Mendez 等人首次 将光纤传感器用于钢筋混凝土结构的监测 。 此后 , 美 、 英 、 德 、 日 等国对这方面作了大量的研究工作 。目前 , 国外发达国家将光纤光栅传感器作为土木工程结构健 康监测的首选技术 , 用于应力监测 、 裂缝测量 、 温度监测 、 加速度 测量等方面 。目前应用状况较好的光纤传感器产品除较简单的用于工业 自动化的强度调制位置 、 位移和接近光纤传感器之外 , 便是干涉 型光纤陀螺 , 现已应用于飞机 、 卫星 、 机器人和自动化机车 、 深层 钻孔或机车 , 在军用领域用于导航 、 定向或稳定平衡系统 [7]。 在 20世纪 90年代 , 达到一定商业化规模的光纤传感器越来 越多 , 如用于工业过程控制的压力 、 振动和应变传感器或液位传 感器 , 电力工业的电流和电压传感器 , 和用于化学工业 、 采矿和环 境监测的气体和湿度传感器 。3展望随着上海经济的快速发展 , 不仅轨道交通建设规模愈来愈 大 , 而且轨道交通建设速度也不断加快 。 继已经投入运营十二年 的 1号线 、 七年的 2, 3号线和两年的 4号线之后 , 到 2010年 , 将共 建成 11条线路 , 运营里程将达到 400km 。 然而 , 上海地铁主要穿 越的第 ④ 层土为软土 , 其具有孔隙比大 、 天然含水量高 、 渗透性 弱 、 压缩性高 、 抗剪强度低和结构性强的特点 , 这种软土地基在连 续不断的行车荷载作用下 , 即便是经过长期固结过程的软土地基 也会产生不同程度的沉降 , 地铁运营过程中施加于其上的长期周 期循环荷载所产生对其强度和变形的影响愈来愈明显 。 如日本 某铁路在开通运行 5年后的最大沉降近 1m , 同时伴有冒泥现象 ; 截止 2006年年底 , 1号线隧道有 18处总长近 1km 的隧道出现较 大的差异沉降 , 最大累计沉降已经超过 30cm (黄陂南路站 — 新闸 路站 ) , 黄陂南路站 — 人民广场站 (上行线 ) 之间宁海西路泵站附 近 50m 的曲率半径只有 7031m , 这已经严重影响了地铁的平稳 、 正常 、 安全运营 。另外 , 隧道结构周围的土木工程项目的施工同样会引起地铁 隧道结构的变形 。 对地铁隧道结构的长期差异沉降和施工的加 载和卸载所引起的变形的有效监测是保证地铁隧道结构安全和 地铁安全运营的首要条件 。在目前的工程实践中 , 主要测量地铁隧道结构的垂直方向和 水平方向的位移及隧道的收敛位移 , 通过位移控制标准控制施工 的相关参数 。 其实 , 根据连续介质力学可知 , 隧道结构一点的位 移与该点的应变具有特定的关系 , 因此 , 只要通过试验和理论研 究得出隧道结构的应变变化规律 , 隧道结构的应变同样可以成为 地铁安全保护的技术指标 , 同样可以建立隧道结构的应变安全保 护技术标准 。通过应变可以直接计算出测点的应力增量 , 再根据隧道结构 的强度判断结构的安全性及其止水条止水失效的可能性 , 这种方 法与测量位移相比更加直观 , 更加方便 。目前 , 测定结构应变的方法主要有传统的应变片法和光纤传 感器法 。 尽管实践已经证明传统的应变片法的可靠性和稳定性 , 但是隧道内的电磁干扰不利于所测数据的稳定 , 隧道内的潮湿环 境又影响应变片的耐久性 。 而光纤传感器测量结构应变的方法 是一种新的测量方法 , 在光纤传感器领域 , 光纤光栅传感器的应 用前景将十分广阔 。参考文献 :[1]欧进萍 , 关新春 ．土木工程智能结构体系的研究与发展 [J ]．世界地震工程 , ) :27-28．[2]Hill K．O．, Fuji Y , Johnson D．C．, et al．．Photosensitivity in op-tical fiber waveguides :Application to reflection filter fabrica-tion , Appl．Phys．Let , 1978:32．[3]程 晓 ．关于地铁工程耐久性的思考 [J ]．地下工程与隧道 , 2006(4) :31-32．[4]孙圣和 ．光纤测量与传感技术 [M ]．哈尔滨 :哈尔滨工业大 学出版社 , 2000．[5]胡晓东 ．分布式光纤传感技术特点与研究现状 [J ]．航空精 密制造技术 , ) :8-10．[6]刘浩吾 , 文 利 , 杨朝辉 ．混凝土裂缝的分布式光纤传感 [A ]．全国第七次光纤通信学术会议论文集 [C ]．1995．[7]张 森 , 王洪字 ．光纤声发射检测方法的研究 [J ]．光通信技 术 , ) :19-20．On development survey of optical fiber sensorLI Wen-ting SHI Feng-ying ZHA Long-longAbstract :The paper indicates the principles and features for optical fiber sensor and its development at home and abroad , introduces the factual application in some measurement , and points out the application perspective of optical fiber sensor in the displacement in the vertical and hori-zontal directions of the tunnel structures of the track traffic and the convergence displacement measurement of tunnels , and provides certain direc-tion for the deep research on optical fiber sensor．Key words :optical fiber sensor , supervision , sensor technology
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