现代传感理论与技术

现代传感理论与技术作业

姓名：张三

流水号：s20120xxx

班级：Y12xxxx

导师: x x x

1.管道直径0.5米，其中为油和气，设计一个传感器检测其中的油和气的比例，（油和气在压力作用下向前运动）。

一、电容层析成像技术

（1）简介

电容层析成像系统一般由三部分组成：电容传感器、数据采集系统和图像重建计算机。如图所示电容传感器主要由均匀粘贴在绝缘管道外壁上的铜箔电极、屏蔽罩及相关电路组成。数据采集系统将电极间的电容值进行采集和转换并传送到图像重建计算机，图像重建计算机负责图像重建和信息显示。电容层析成像系统具有结构简单、易于实现、成本低、响应速度快等优点。适用于存在不同介电常数介质分布场合的参数检测。

（2）原理

电容层析成像技术的基本原理是根据两相流体中各相具有不同的介电常数，当各相组分分布发生变化时，将引起混合流体等价介电常数发生变化，从而使测量电极间的电容值发生变化。采用阵列式电容传感器，各电极之间相互组合的多个测量值便可反映多相流体的浓度以及在管截面上的相分布情况。以这些电容测量值作为投影数据，通过一定的图像重建算法，便可重建出某一时刻流体流经管道横截面上的相分布图像。

图2传感器横截面示意图

图2表示出了一个12电极电容层析成像系统的电容传感器横截面结构示意图，电极两两相互组合可获得66个独立电容测量值，任意两电极A和B间的电容测量

值可表示为：

式中:C ij m为电极A和B之间的测量电容值，ε(x,y)为管道横截面上介电常数分布

函数，D为管道横截面S(x,y,ε(x,y))为电极A和电极B之间的灵敏场分布函数，一般由有限元方法计算得到。为了减小系统噪声对计算结果的影响，一般使用下式归一化后的电容值：

式中：C ij表示电极A和B之间归一化后的电容值,C ij e与C ij f分别为管道中充满气相

介质和液相介质时电极A和B之间的测量电容值。

这种空隙率测量方法，并不需要进行图像的重建。由于ε(x,y)反映了管道横截面上的介电常数的分布情况，相应C ij的测量值也包含了这些介电常数的分布信息。可以通过一定的数据处理方法得到需要的信息，如果把一组C ij的独立测量值看作该时刻气液两相流空隙率的特征向量，则可以通过模式识别的方法，将该特征向量与模板库中表征空隙率的标准模板向量进行匹配，从而得到与该时刻特征向量最为相似的标准向量，与该标准向量对应的空隙率值作为该时刻的空隙率值。如果能够在建立一个较完善模板库的前提下，则可以使空隙率的测量达到较高的精度。

2.测圆筒周围的压力。

方案：压敏漆测量系统

在圆筒壁上涂上一层厚度均匀的压敏漆，在压力或力的作用下，由于压敏效应，压敏漆的发光强度会发生改变，因此可以通过圆筒表面的光强图象来确定其压力分布。并且根据实验标定测试，可以得出压力与光强的特定关系。

压敏漆背景介绍：

模型表面压力测量在风洞试验有着重要的位置，特别是在飞行器机翼的改良设计中整个模型表面的受力情况尤为重要。按照惯例，压力的测量是通过打在模

型表面的上百个测压孔来测得，这些测压孔与机器或者电子扫描系统连接，为了提高测量精度，大量的压力传感器被安装在模型表面的压力孔中。这样会导致模型的结构变化导致测量结果错误。压敏漆的压力测量系统中由于压敏漆是直接涂在模型的表面，不会对模型的结果产生破坏，从而彻底杜绝了这方面的误差。压敏漆的发光强度取决于空气压力，这种性质可以应用到风洞试验中测量模型表面压力分布，通过对检测到的光强图像进行分析处理得到压力分布图。

华盛顿大学化学教授马丁古特曼研究组开发推出一种新颖压敏涂料，该压敏涂料是溶解于硅氧烷树脂聚合物母料的辛乙基叶琳铂(PLOEP)。其中叶琳为大环四毗咯结构，当暴露于特殊光频率时，其中一些会发冷光。当辛乙基叶琳受氧淬炼时，显示强的磷光现象。例如，把含有辛乙基叶琳的浅桃红涂料涂布于空气动力学实验模型表面，并置于紫外辐照下的风洞中，分子发光量与空气动力流动过程中表面上氧的局部压力成反比例。结果所得表面图像在低压区域(低氧水平)呈最亮红，而在高压区域(高氧水平)呈暗淡红。因此，发光量能被用于测绘压力场以帮助飞机设计。

测压装置示意图如下图所示：

发光压敏涂层测压示意图

圆筒上压力测试示意图：

3.PSD 的基本原理

PSD （Position Sensitive Detector ）是一种光电位敏探测器

（1）当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生横向光电效应。

（2）当光照部分吸收入射光子的能量产生电子-空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。

（3）如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。

（4）基于该效应的光电器件——PSD

（5）当光照射到硅光电二极管的某一位置时，结区产生的空穴载流子向P 层漂移，而光生电子则向N 层漂移。到达P 层的空穴分成两部分：一部分沿表面电阻R1流向1端形成光电流I1；另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2。

一维PSD 检测原理

Px 称为一维PSD 位置输出信号，与光点在光敏面上位置坐标x 成线性关系，即位置信息x 可以通过探测光生电荷在衬底中的移动来确定。 与表面上的光斑强度、分布、对称性和尺寸无

关，这就是PSD 的位置检测特性 1

21221///x x R R I I ==???????+=+-==2101221I I I x L x L R R I I L x L I I 201-=L x L I I 202+

=1

21

2I I I I P x +-

=

二维PSD检测原理

4.测水泥结构中的应力

X射线检测法

以单轴拉伸为例。假如，有一根截面积为A的试棒，在轴向Z施加拉力F，它的长度由受力前的L

0变为拉伸后的L

f

，所产生的应变为：

根据虎克定律，其弹性应力为:

E-弹性模量

在拉伸过程中，试样的直径将由拉伸前

的D

变为拉伸后的D

f

，径向应变和为：

L

y

Y

Y

X

X

Y

X

Y

X2

)

(

)

(

2

1

2

1

1

1

2

2=

+

+

+

+

-

+

L

x

Y

Y

X

X

Y

X

Y

X2

)

(

)

(

2

1

2

1

2

1

1

2=

+

+

+

+

-

+

L

y

Y

Y

Y

Y2

2

1

1

2=

+

-

L

x

X

X

X

X2

2

1

1

2=

+

-

式中X1，X2和X3，X4为每个电极

的光电流输出;x，y为光斑的中心位

置坐标;L为光敏面边长。

上式表明，入射光斑的位置坐标

（x，y）可由电极上的电流经过和、

差和除法运算得到。

与此同时，试样各晶粒中与轴向平行晶

面的晶面间距d 也会相应地变小可用晶面

，间距的相对变化来表达径向应变：

如果试样是各向同性的，则εX 和εy 和εZ 的关系为：

弹性模量，负号表示收缩

结合上述各式，于是有：

由布拉格方程微分得：

结合上述两式，可得：

上式是测定单轴应力的基本公式该式表明当试样中存在宏观内应力时，会使衍射线产生位移。这就给我们提供了用X 射线衍射方法测定宏观内应力的实验依据，即可以通过测量衍射线位移作为原始数据，来测定宏观内应力。

5.什么是霍尔效应？霍尔器件（传感器的应用）

霍尔效应简介

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall ，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。

这个电势差也轴向拉伸示意图

被称为霍尔电势差。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子

（电子）将受洛仑兹力：（1）

其中e 为载流子（电子）电量，为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。

（a ）（b ）

图(1) 样品示意图

霍尔元件应用十分广泛大致可分为以下几个方向。

1.测量载流子浓度：

根据霍尔电压产生的公式，以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度，这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。

2.测量磁场强度：

B v g e F V

只要测出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n 型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。

3.测量电流强度：

将图4中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家生产。

4.测量微小位移：

若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图6示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微

位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z lt;2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。

5.压力传感器：

霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图6所示。在图6中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图6中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。