【正文】 ， 通常都用這種材料制作固定電解質(zhì)氧敏元件 。 49 在二氧化鋯中添加氧化鈣 、 三氧化二釔等添加物后 ,其離子電導(dǎo)都將發(fā)生改變 。 二氧化鋯 （ ZrO2） 在高溫下 (但尚遠未達到熔融的溫度 )具有 氧離子傳導(dǎo)性 。 45176。 （ 1）直接加熱式 SnO2氣敏元件 (直熱式氣敏元件 ) 內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號 1 2 3 4 SnO2燒結(jié)體 加熱極兼電極 (a)結(jié)構(gòu) 4 3 2 1 (b)符號 由芯片 (敏感體和加熱器 )，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。 燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性 。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。 45 （ 7） 初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏元件 ,因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體 ,導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后 ,隨著元件溫度的升高 ,發(fā)生解吸現(xiàn)象。 直熱式的加熱電阻值一般小于 5Ω；旁熱式的加熱電阻大于 20Ω。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時 ，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的 63％ 時為止 ， 所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間 ， 通常用符號 tr表示 。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。 測定固有電阻值 Ｒ ａ 時 , 要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行 。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后 ， 引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率 )發(fā)生變化 。 除此之外 ,也可以將貴金屬觸媒粉體與氧化鋁 、 氧化硅等載體充分混合后配成膏狀 ,涂覆在鉑絲繞成的線圈上 ,直接燒成后備用 。如果在 A、 B兩點間連接電流計或電壓計，就可以 測得 39 接觸燃燒式氣敏元件的結(jié)構(gòu) 用高純的鉑絲 ,繞制成線圈 ,為了使線圈具有適當(dāng)?shù)淖柚?(1Ω～ 2Ω),一般應(yīng)繞 10圈以上 。因而 ， 在一定條件下 ， 都是確定的常數(shù) 。 在此 ， ΔRF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產(chǎn)生的溫度變化 (燃燒熱 )引起的 ， 是與接觸燃燒熱 (可燃性氣體氧化反應(yīng)熱 )成比例的 。 圖中 F1是檢測元件； F2是補償元件 ， 其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度 、 電源電壓變化等因素所引起的偏差 。 因此 ， 只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值 (Δ R)， 就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度 。 特點：非接觸測量 ， 不影響待測物體的流動狀態(tài) 。 在橫貫流體管道的中間裝有一根繃緊的多模光纖，當(dāng)流體流動時 ,光纖就發(fā)生振動 ,其振動頻率近似與流速成正比。利用頻譜分析 ,即可測出光纖的振動頻率。 光纖渦街流量計便是根據(jù)這個原理制成的 ， 其結(jié)構(gòu)如圖 。 這樣 ， 周期產(chǎn)生的旋渦將使物體受到一個周期的壓力 。 這樣 ， 可以保證探頭在離開液位時也能快速地響應(yīng) 。為了克服這個缺點 ， 可將探頭的結(jié)構(gòu)作一些改變 ， 如圖 。 當(dāng)傳感器接觸液體時 ， 由于液體的折射率比空氣大 ， 使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中 ， 返回光纖的光強就減小 。 這種形式的探頭在空氣中和水中時 ， 反射光強度差約在 20dB以上 。 因此 ,該傳感器可用于液位報警 。 輸出 前置 放大 前置 放大 I2－ I1 I2+I1 驅(qū)動 1 2 3 4 5 6 I1 I2 PD1 PD2 光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu) 1 光纖 2 起偏器 3 光彈性元件 4 1/4波長板 5 偏振分光鏡 6 反射鏡 p 27 （ 三 ） 液位 、 流量 、 流速的檢測 液位的檢測技術(shù) （ 1） 球面光纖液位傳感器 1 2 (a)探頭結(jié)構(gòu) (b) )檢測原理 空氣 液體 LED PD 光由光纖的一端導(dǎo)入 ,在球狀對折端部一部分光透射出去 ,而另一部分光反射回來 ,由光纖的另一端導(dǎo)向探測器 。 輸出光用偏振分光鏡分別檢測出兩個 相互垂直 方向的偏振分量；并將這兩個分量經(jīng) “ 差／和 ”電路處理 ， 即可得到與光源強度及光纖損耗無關(guān)的輸出 。 當(dāng)有與入射光偏振方向呈 45186。 ApApII???1112ApII2ln 12 ?兩束輸出光的光強之比為 A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)； p— —待測量壓力。 將上式兩邊取對數(shù)且滿足 (Ap)2≤ 1時 ,等式右邊展開后取第一項 ， 得到 這表明待測壓力與輸出光強比的 對數(shù)呈線性 關(guān)系 。 其中最里面一圈為輸出光纖束 1,中間一圈為輸入光纖束 ,外面一圈為輸出光纖束 2。 若利用 Y形光纖束檢測位移特性的線性區(qū) ，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系 。 對于不同的測量范圍 ， 可選擇不同的膜片尺寸 。 膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖 光源 接收 1 2 1 Y形光纖束 2 殼片 3 膜片 3 P 22 彈性膜片材料是恒彈性金屬 ， 如殷鋼 、 鈹青銅等 。 采用彈性元件的光纖壓力傳感器 利用彈性體的受壓變形 ， 將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號 ，從而對光強進行調(diào)制 。 850 800 900 950 1000 0 10 20 30 40 t=20℃ 波長 λ /nm GaAs的光譜透射率曲線 透射率(%) ? ? eVE g ?對于 GaAs材料，由實驗得到 α = 104eV/K β=300K 20 由此可見 ， 半導(dǎo)體材料的 Eg隨溫度上升而減小 ， 亦即其本征吸收波長 λ g隨溫度上升而增大 。 電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為 本征吸收 。 檢測精度約為℃ 。 遮光式光纖溫度計 下圖為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。 通常有利用光彈效應(yīng)的聲 、 壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流 、 磁場傳感器；利用電致伸縮的電場 、 電壓傳感器以及利用光纖賽格納克 （ Sagnac） 效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器 （ 光纖陀螺 ） 等 。 這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊 ， 因此靈敏度高 。 優(yōu)點 ：結(jié)構(gòu)簡單 、 容易實現(xiàn) ， 成本低 。 其典型例子如光纖激光多普勒速度計 、 輻射式光纖溫度傳感器等 。光纖不連續(xù)。 光纖不僅起傳光作用 ， 而且還利用光纖在外界因素 (彎曲 、 相變 )的作用下 ， 其光學(xué)特性 (光強 、 相位 、 偏振態(tài)等 )的變化來實現(xiàn) “ 傳 ” 和 “ 感 ” 的功能 。 因此 ， 討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量 E的振動 ， 即 A——電場 E的振幅矢量； ω——光波的振動頻率； φ——光相位； t——光的傳播時間 。 9 可見 ,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較 ， 在測量原理上有本質(zhì)的差別 。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置 。 這說明 arcsinNA是一臨界角 ,凡入射角 θ i＞ arcsinNA的那些光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反 ,只有入射角 θ i＜ arcsinNA的光線才可進入光纖被全反射傳播 當(dāng) θr=90186。當(dāng) n０ =1時 7 上式 sinθi0為 “ 數(shù)值孔徑 ” NA(Numerical Aperture)。 纖心折射率 n1比包層折射率 n2稍大些 ． 兩層之間形成良好的光學(xué)界面 ， 光線在這個界面上反射傳播 。 此時 ，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D （ b） ，稱為臨界狀態(tài) 。這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖 (c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。 斯乃爾定理 （ Snell39。 ⑤ 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控 。 ① 電絕緣性能好 。1 第一節(jié) 光纖傳感器 第二節(jié) 氣敏傳感器 第三節(jié) 濕度傳感器 第六章 其他種類的傳感器 2 光纖傳感器 (FOS Fiber Optical Sensor)是 20世紀(jì) 70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。 ④ 高靈敏度 。 為此 , 采用幾何光學(xué)的方法來分析 。 n n θ r、 θ i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sinθi=n2sinθr 4 當(dāng) θ i＞ θ i0并繼續(xù)增大時， θ r＞ 90186。時 ， θ i仍＜ 90186。 纖芯位于光纖的中心部位 ， 光主要在這里傳輸 。－ θ k 所以 θ j θi θ k θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纖導(dǎo)光示意圖 KKki nnnnnn ???? 2010101 s i n1co s)90s i n (s i n ??????rri nnnnnnn ??? 22221021201 s i n1s i n1s i n ????????????n0為入射光線 AB所在空間的折射率，一般為空氣，故 n０ ≈ 1， nl為纖芯折射率， n2為包層折射率。時 ， sinθiNA， θiarcsin NA， 光線消失 。 它的電源 、 敏感元件 、 信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接 ， 見圖 (a)。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。 它的 物理作用 和 生物化學(xué)作用 主要因其中的電場而引起 。 1） 功能型 （ 全光纖型 ） 光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖 (或特殊光纖 )作傳感元件 ， 將 “ 傳 ” 和 “ 感 ” 合為一體的傳感器 。 信號處理 光受信器 光纖敏感元件 光發(fā)送器 12 2） 非功能型 （ 或稱傳光型 ） 光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只 “ 傳 ” 不 “ 感 ” ，對外界信息的“ 感覺 ” 功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。 信號處理 光受信器 敏感元件 光發(fā)送器 光纖 3） 拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭 ， 接收由被測對象輻射的光或被其反射 、 散射的光 。 有利用光纖的 微彎損耗 ；各物質(zhì)的 吸收特性 ；振動膜或液晶的 反射光強度 的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué) 、 機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力 、 振動 、 溫度 、位移 、 氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器 。 有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流 、 磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場 、 電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力 、 振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度 、 壓力 、 振動等傳感器 。 15 4） 相位調(diào)制傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用 ， 使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化 ， 而導(dǎo)致光的相位變化 ， 使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化 ， 通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量 ， 從而得到被測對象的信息 。 16 三 、 光纖傳感器的應(yīng)用 （ 一 ） 溫度的檢測 光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種 。 這種形式的光纖溫度計能測量 10℃ ～ 50℃ 的溫度 。 這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的 ,λ g稱為 半導(dǎo)體的本征吸收波長 。 19 由圖看出 ， GaAs在室溫時的 本 征 吸 收 波 長 約 為880nm左右 ， 半導(dǎo)體的吸收光譜與 Eg有關(guān) ， 而半導(dǎo)體材料的 Eg隨溫度的不同而不同 ， Eg與溫度 t的關(guān)系可表示為 ? ? ? ? ttEtE gg ??? ?? 20式中： Eg（ 0） ——絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度； α——經(jīng)驗常數(shù) (eV／ K)； β ——經(jīng)驗常數(shù) (K)。 LED發(fā)光光譜 半導(dǎo)體透射率 T1T2T3 T3 T1 T2 相對發(fā)光強度 半導(dǎo)體透射測量原理 透射率 波長 21 （ 二 ） 壓力的檢測 種類： 強度調(diào)制型 、 相位調(diào)制型 和 偏振調(diào)制型 三類 。 在 Y形光纖束前端放置一感壓膜片 ， 當(dāng)膜片受壓變形時 ， 使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化 ， 從而使輸出光強受到調(diào)制 。 膜片的安裝采用周邊固定 ， 焊接到外殼上 。 可見 ， 在一定范圍內(nèi) ， 膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系 。 三束光纖在另一端結(jié) 合成一束 ,并且在端面成同心環(huán)排列分布 ,如圖 (b)。