1、 Henan Polytechnic University1 1精 品精 品课 程课 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 Henan Polytechnic University2 2精 品精 品课 程课 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 University
2、3 3精 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 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、膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的
3、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，热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。从而换算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 品精 品课 程课 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
4、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 品精 品课 程课 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
5、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过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端,再和光电流测定再和光电流测定装置相连装置相连,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
6、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 品精 品课 程课 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物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。物浓度。12.1 12
7、.1 生物传感器生物传感器 Henan Polytechnic University8 8精 品精 品课 程课 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
8、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 品精 品课 程课 程 被测物质与分子识别元件上的敏感物质具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，同有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：化。反应式可
9、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 品精 品课 程课 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）（
10、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 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 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
11、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
12、精 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 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
13、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 品精 品课 程课 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
14、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 品精 品课 程课 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
15、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 品精 品课 程课 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，微生物传感器，只需只需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
16、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 品精 品课 程课 程3.生物医
17、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 品精 品课 程课 程4.军事应用 现代战争往往是在核武器
18、、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
19、传感器能在10s10s内侦检出内侦检出1010-9-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。炎病毒、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 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 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 University2
20、222精 品精 品课 程课 程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 品精 品课 程课 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 微波是波长为微波是波长为1 mm1 mm1 m1 m的电磁波，可以细分为三个波段：的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同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
21、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 品精 品课 程课 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 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装微波传感器是利
22、用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。两类。12.2 1
23、2.2 微波传感器微波传感器 Henan Polytechnic University2525精 品精 品课 程课 程（1 1）反射式微波传感器）反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、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 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测
24、物体或被测物体的小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、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 品精 品课 程课 程 微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天微波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 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（很高（300 MHz300 MHz30
25、0 GHz300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小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 品精 品课 程课 程 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为由微波振
26、荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10 10 cmcm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图所示，其中有喇叭形天线（图（的天线如图所示，其中有喇叭形天线（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
27、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 品精 品课 程课 程（2 2）微波检测器）微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可应速度。作为非线
28、性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体用半导体PNPN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、器、SISSIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可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 品精 品课 程课 程 微波传感器作为一
29、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：有极宽的频谱（波长有极宽的频谱（波长=1.0mm-1.0m1.0mm-1.0m）可供选用，可根据）可供选用，可根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；在烟雾、在烟雾、粉尘、粉尘、水汽、水汽、化学气氛以及高、化学气氛以及高、低温环境低温环境中对检测信号的传播影响极小，中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；因此可以在恶劣环境下工作；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
30、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 品精 品课 程课 程 测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，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。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气好的解决。其次，使用时外界环境因素影响
31、较多，如温度、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 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 程 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当
32、微波场中当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。信号的相移，后者表现为微波衰减。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含就可以换算出物体的含水量。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
33、 Polytechnic University3333精 品精 品课 程课 程 下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，下图给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MSMS产生的产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1A1、A2A2分别注入到分别注入到两个完全相同的转换器两个完全相同的转换器T1T1、T2T2中。其中，中。其中，T1T1放置无水酒精，放置无水酒精，T2T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（放置被测样品。相位与衰减测定仪（PTPT、ATAT）分别反复接通两）分别反复接通两电路（电路（T1T1和和T2T2）输出，自动记录与显示它们之间的相
34、位差与衰）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差，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 品精 品课 程课 程 微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，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。微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端
35、器。微波信号源发出的微波，经过环行器安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A A、上上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器过传输导管、环行器A A、下传输波导管传输到下终端器。由下终、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器器，再经过传输导管回到环行器A A。因
36、此被测物体的厚度与微波。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，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 品精 品课 程课 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 品精 品课 程课 程 一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为
37、了一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C C检波后，输出为零。检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检
38、波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。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 品精 品课 程课 程 微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，一
39、方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。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 品精 品课 程课 程1.次声波 次声波是频率低于次声波是频
40、率低于2020赫兹的声波，人耳听不到，但可与赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，人体器官发生共振，78Hz78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，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 品精 品课 程课 程2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。频率在美妙的音乐可使人陶醉。频率在1620K Hz1620K Hz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
41、超声波传感器 Henan Polytechnic University4040精 品精 品课 程课 程3.超声波蝙蝠能发出和蝙蝠能发出和听见超声波。听见超声波。高于高于20K Hz20K Hz的的机械波，称为机械波，称为超声波超声波 12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4141精 品精 品课 程课 程一、超声波物理基础一、超声波物理基础 频率高于频率高于20kHz20kHz的机械振动波称为超声波。它的指的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板
42、，而能量损失不大。在遇到两种介质的米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。指向性就愈好。超声波的传播波型主要可分为超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波纵波、横波、表面波等几种。等几种。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4242精 品精 品课 程课 程纵波纵波纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、纵波：质点振动方向
43、与波的传播方向一致的波，它能在固体、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 品精 品课 程课 程横波横波 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；质中传播；12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4444精 品精 品课 程课 程表面波表面波表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面
44、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。播。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University4545精 品精 品课 程课 程 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度波的传播，其传播速度c c为为 aBc1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。上述的上述
45、的、BaBa都是温度的函数，使超声波在介质中的都是温度的函数，使超声波在介质中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 品精 品课 程课 程在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%90%。气体中纵波声速为。气体中纵波声速为344 m/s344 m/s，液体中纵波
46、声速在，液体中纵波声速在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 品精 品课 程课 程超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别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；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。产生反射、折射和波形转换。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，
47、但反射越强，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。超声波在空气中传播速度较慢，为超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s340m/s，这一特点使，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，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 品精 品课 程课 程 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散
48、、散射及吸收等因素有关。渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为其声压和声强的衰减规律为 axxaxxeIIePP200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；衰减系数，单位为衰减系数，单位为NpNp/cm/cm（奈培（奈培/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 品精 品课 程课 程声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和声波在介质中传播时
49、，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有
50、关。吸收衰减是由于介质粘滞介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。耗。12.3 12.3 超声波传感器超声波传感器 Henan Polytechnic University5050精 品精 品课 程课 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
