馬西秦-第11章其他傳感器第三版.ppt

第十一章 其他傳感器,第一節(jié) 超聲波傳感器 第二節(jié) 紅外傳感器 第三節(jié) 激光傳感器 第四節(jié) 新型傳感器簡(jiǎn)介,第一節(jié) 超聲波傳感器,聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波，根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。人耳能聽到的聲波頻率范圍是2020000Hz。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲檢測(cè)中常用的工作頻率在0.2520MHz范圍內(nèi)。 超聲波的波型主要可分為縱波、橫波和表面波三種。橫波和表面波只能在固體中傳播，而縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。因此常用的超聲波為縱波。,一、超聲波的物理基礎(chǔ) 1.超聲波的物理性質(zhì),2. 超聲波的傳播性質(zhì),超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。 當(dāng)超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖11-1所示。,超聲波的衰減示意圖,為吸收系數(shù)；,為介質(zhì)的厚度,二、超聲波傳感器,由發(fā)送傳感器和接收傳感器兩部分組成，在超聲波檢測(cè)中成對(duì)使用。 1. 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器由發(fā)送電源與換能器組成，發(fā)送電源是提供高頻電流或電壓的電源；換能器作用是將電磁振蕩能量變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。換能器一般有壓電式和磁致伸縮式兩種。,（1）壓電式超聲波發(fā)生器 -利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成,超聲頻電信號(hào),換 能 器,壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度,有關(guān),n為諧波級(jí)數(shù)，取1，2，3，；,c為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與壓電材料的密度有關(guān)。 壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的超聲波。聲強(qiáng)可達(dá)幾十W/cm2。,(2)磁致伸縮超聲波發(fā)生器 -利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成,磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬(wàn)Hz以內(nèi)，但聲強(qiáng)可達(dá)幾千W/cm2。它與壓電式的發(fā)送器比較所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低，而強(qiáng)度則大許多。,鎳、鐵鈷釩合金等,2、接收傳感器 接收傳感器由換能器與放大電路組成。超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆變效應(yīng)進(jìn)行工作的。換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出。同樣，接收傳感器有壓電式和磁致伸縮式兩種。 （1）壓電式超聲波接收器 當(dāng)超聲波作用到電晶體片上時(shí)，使晶片伸縮，則在晶片的兩個(gè)界面上產(chǎn)生交變電荷，這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。而實(shí)際使用中，發(fā)送傳感器的壓電陶瓷的也可以用做接收器傳感器的壓電陶瓷。 （2）磁致伸縮超聲波接收器 當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時(shí)，使磁致材料伸縮引起內(nèi)部磁場(chǎng)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再將此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送到測(cè)量電路及記錄顯示設(shè)備。,三、超聲波在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用 1.超聲波探傷 主要用于檢測(cè)板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測(cè)量材料的厚度。,（1）穿透法探傷,當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，在缺陷處能量被反射，到達(dá)接收探頭的能量損失了一部分。,（2）反射法探傷,當(dāng)工件內(nèi)部無缺陷時(shí)，超聲波傳到工件底面再反射回來； 當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，超聲波傳到缺陷就反射回來； 不同缺陷會(huì)造成不同的接收波幅度和周期。,2.超聲波測(cè)厚度,厚度計(jì)算:,只要測(cè)量出超聲波脈沖通過工件的時(shí)間t,經(jīng)過信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度。,。,3.超聲波測(cè)液位,只要測(cè)量出發(fā)射波和接收波之間的時(shí)間間隔，就可以測(cè)出探頭到液面的距離。,超聲波測(cè)量液位是利用回聲原理進(jìn)行的，在液位上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器。,第二節(jié) 紅外傳感器,紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的一種傳感器。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。紅外測(cè)量技術(shù)是發(fā)展檢測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學(xué)的重要手段。 在電磁波的波譜圖中，可以知道紅外線的頻率（波長(zhǎng)）范圍：,一、紅外輻射的產(chǎn)生與性質(zhì),自然界中任何物體，只要其本身溫度高于絕對(duì)零度(一273.16)，就會(huì)不斷地輻射紅外線。也就是說，在常溫下所有物體均是紅外輻射源，而且物體溫度愈高，輻射功率就愈大。 紅外線具有反射、折射、散射、干涉、吸收等多種性質(zhì)。 紅外線在介質(zhì)中傳播時(shí)，通過介質(zhì)后的通量I具有衰減特性：,剛射到介質(zhì)時(shí)的通量,介質(zhì)厚度,介質(zhì)常數(shù)（如金屬具有特別大的衰減）,二、紅外傳感器,又稱為紅外探測(cè)器。 按工作原理，紅外探測(cè)器可分為熱電紅外傳感器和光電紅外傳感器兩類。 熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)原理工作的。 熱電探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。,光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)原理工作的。光電紅外傳感器有內(nèi)光電和外光電紅外傳感器兩種，前者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電紅外傳感器等三種。光電紅外傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。 光電紅外傳感器是由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等組成。,1. 透射式紅外探測(cè)器 2. 反射式紅外探測(cè)器,按光學(xué)系統(tǒng)分類,其光學(xué)系統(tǒng)的元件采用紅外光學(xué)材料，并且根據(jù)所探測(cè)的紅外波長(zhǎng)來選擇光學(xué)材料。 在近紅外區(qū)，可用一般的光學(xué)玻璃和石英等材料； 在中紅外區(qū)，可用氟化鎂、氧化鎂等材料; 在遠(yuǎn)紅外區(qū)，可用鍺、硅等材料。,（1）透射式紅外傳感器,反射式紅外傳感器是采用凹面玻璃反射鏡，將紅外輻射聚焦到敏感元件上。 反射式的光學(xué)系統(tǒng)元件表面鍍金、鋁或鎳鉻等對(duì)紅外波段反射率較高的材料，其材料比較好找，但在制造工藝方面較復(fù)雜。 透射式光學(xué)系統(tǒng)獲得透射紅外波段的玻璃比較困難，加工制造難度小。,（2）反射式紅外傳感器,次反射鏡,主反射鏡,敏感元件,前置放大器,前置放大器,敏感元件,主反射鏡,次反射鏡,三、紅外傳感器的應(yīng)用,1. 紅外測(cè)溫儀 (機(jī)械冶金 陶瓷玻璃等高溫行業(yè)),它是一個(gè)包括光、機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。,紅外氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。,2.紅外氣體分析儀,工作時(shí)，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后，濾掉干擾氣體的影響，分別射入測(cè)量氣室和標(biāo)準(zhǔn)氣室，由于測(cè)量氣室中對(duì)4.65m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收能力，而標(biāo)準(zhǔn)氣室中氣體不吸收紅外輻射，從而使兩吸收室壓力不同，于是電容器的可動(dòng)電極（薄膜）偏向固定電極片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度。,鎳鉻加熱絲,紅外光源,同步電機(jī),切光片,濾波氣室,標(biāo)準(zhǔn)氣室,測(cè)量氣室,信號(hào)處理電路與指示裝置,3. 紅外無損探傷,紅外無損探測(cè)分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。,某包裝袋封口質(zhì)量的紅外檢測(cè)示意圖,工作時(shí)，傳送帶勻速把包裝袋的封口送往熱源和紅外傳感器之間，熱源對(duì)封口均勻加熱并使其封合，如果塑料袋封口中夾雜氣泡、小顆粒、油膩、空隙起皺等缺陷時(shí)，都會(huì)妨礙熱能的流動(dòng)而引起溫度分布的異?，F(xiàn)象。通過溫度分布的測(cè)量就可判斷出缺陷的位置。,第三節(jié) 激光傳感器,激光傳感器可將輸入它的一定形式的能量（光能，熱能等），轉(zhuǎn)換成一定波長(zhǎng)的光的形式發(fā)射出來。 已成功應(yīng)用于精密測(cè)量與加工、軍事、宇航等生產(chǎn)科研領(lǐng)域。 一、激光的本質(zhì) 原子在正常分布狀態(tài)下，大部分處于低能級(jí)E1狀態(tài)，得到外界能量后，原子被短期激發(fā)，躍遷到高能級(jí)E2狀態(tài)。,極短時(shí)間之后，原子躍遷返回低能級(jí)，同時(shí)輻射出光子。具有偶然性。,自發(fā)輻射,受激輻射 在外界因素的誘發(fā)下，處在激發(fā)態(tài)的原子也可以躍遷到低能級(jí)而發(fā)光，這種發(fā)光過程稱為受激輻射，但是，并非任何外來光子都能引起受激輻射。只有當(dāng)外來光子的頻率大于或等于激發(fā)態(tài)原子的某一固有頻率，才能引起受激輻射。,輻射光子的能量,在受激輻射過程中，輻射光子與最初引起受激輻射的外來光子有完全相同的頻率、相位和振動(dòng)方向,受激輻射，可以使所激發(fā)出光子的頻率、相位方向均與入射光一致，也可以說是一個(gè)光子被放大為兩個(gè)光子，如圖所示，這種光稱為相干光。如果這些光子再引起其它原子發(fā)生受激輻射，那么這些原子所引起的輻射光子在頻率、相位和振動(dòng)方向上也與外來光子完全相同，從而產(chǎn)生激光。 由于光子被激發(fā)放大或被吸收是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，光子在媒介中傳播的過程中，也可能被原子吸收而逐漸減少，被稱為光的吸收。,光的放大,光的吸收,光的放大和吸收是同時(shí)進(jìn)行的，至于最終光是放大還是減小，取決于哪一種運(yùn)動(dòng)更激烈。,二、激光的形成原理 1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 要想獲得光的放大，必須使得光的放大運(yùn)動(dòng)更激烈。 物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)與能量分布方程為：,對(duì)于T0的任何值，只要E1E2,就有N2N1，即處于高能級(jí)上的粒子數(shù)大于處于低能級(jí)的粒子數(shù)。此時(shí)光的放大是主要的。介質(zhì)才能以發(fā)射光子為主。被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這是形成激光的第一個(gè)條件。,E1能級(jí)的粒子數(shù)N1，,E2能級(jí)的粒子數(shù)N2,正常狀態(tài),激發(fā)狀態(tài),低能級(jí)E1,高能級(jí)E2,高能級(jí)E2,低能級(jí)E1,2. 光的振蕩放大 由外界激發(fā)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而形成的光的放大，這些光子是射向各個(gè)方向的，受激輻射將無法持續(xù)下去。必須在一個(gè)光學(xué)共振腔中才能實(shí)現(xiàn)光振蕩放大。 光學(xué)共振腔（謝振腔）由各種形狀的曲面反射鏡組成，鏡面具有極高的反射率，工作物質(zhì)被封裝在共振腔中。,光子在兩反射鏡間往返運(yùn)動(dòng)，不斷地碰撞處于激發(fā)態(tài)的粒子，使得受激輻射一次又一次的加強(qiáng)。激光是受激輻射和諧振腔共同作用的結(jié)果，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布則是形成激光的必要前提條件。,三、激光的特點(diǎn) 1.高方向性 2.高亮度 3.單色性好（頻率高度一致） 4.高相干性（能產(chǎn)生穩(wěn)定干涉條紋）,四、激光傳感器 1.氣體激光器,一 般 原 理,惰性氣體原子、 金屬蒸氣、 氣體離子等,氦 氖 激 光 器,內(nèi)腔式,外腔式,2.液體激光器 它的工作物質(zhì)是液體。可分為有機(jī)液體染料激光器、無機(jī)液體染料和聚合物激光器等。較為重要的是有機(jī)液體染料激光器。 其特點(diǎn)是它發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一定的波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？蛇B續(xù)工作而不降低效率。,3.固體激光器 它的工作物質(zhì)是固體。常用的固體激光器有紅寶石激光器、摻銣的釔鋁石榴石激光器（簡(jiǎn)稱YAG激光器）和銣玻璃激光器等。 工作方式：在共振腔內(nèi)壁鍍上高反射率的金屬薄層，使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上。,各種聚光腔,固體激光器的一般結(jié)構(gòu)示意圖,4.半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是在固體和氣體激光器之后發(fā)展起來的一種激光器。它的工作物質(zhì)是某些性能適合的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、磷化銦等。砷化鎵激光器可以做成二極管形式，在PN結(jié)中注入能量，可以造成電子與空穴重新復(fù)合，能量以光子形式釋放，形成激光。,半導(dǎo)體激光器的主要特點(diǎn)重量非常輕，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率很高，輸出功率比較小，受環(huán)境溫度影響比較大等。主要用于飛機(jī)、軍艦、坦克、火炮上瞄準(zhǔn)、測(cè)距等方面。,砷化鎵激光器,五、激光的應(yīng)用,1.激光測(cè)量長(zhǎng)度（邁克爾遜干涉儀）,當(dāng)可動(dòng)反射鏡沿光軸方向每移動(dòng)半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，干涉條紋亮暗變化一次，經(jīng)光電倍增管放大后，計(jì)數(shù)得到干涉條紋數(shù)。,N-干涉條紋數(shù),n為空氣折射率,真空中光波波長(zhǎng),可動(dòng)反射鏡的移動(dòng)位移 :,2.激光測(cè)距,激光測(cè)距的原理：首先測(cè)量激光射向目標(biāo)，而后又經(jīng)目標(biāo)反射到激光器，測(cè)出激光往返一次所需的時(shí)間間隔，則探測(cè)器到目標(biāo)距離為,3.激光測(cè)速,激光測(cè)速是利用光的多普勒效應(yīng)。,當(dāng)運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于激光光源S有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度而引起光波頻率偏移，此時(shí)，多普勒頻移,運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度,光源光波波長(zhǎng),只要能測(cè)得多普勒頻移fd，則可求得物體運(yùn)動(dòng)速度v。,測(cè)量流速所用的儀器稱為激光多普勒流速計(jì)，它可以測(cè)量火箭燃料的流速，飛行器噴射氣流的速度，風(fēng)洞氣流速度以及化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。,激光器,聚焦透鏡,流體中的 運(yùn)動(dòng)粒子,管道,接收透鏡,平面鏡,分光鏡,光電倍增管,第四節(jié) 新型傳感器簡(jiǎn)介,科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越依賴于信息資源的開發(fā)，信息的獲取和傳輸。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事、機(jī)器人、資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋探測(cè)、安全防衛(wèi)、醫(yī)療診斷等各行業(yè)都與傳感器的應(yīng)用有緊密聯(lián)系。 反過來，各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)推動(dòng)新型傳感器的研發(fā)。 新型傳感器技術(shù)的發(fā)展方向：,一、高分子有機(jī)材料傳感器,高分子有機(jī)材料具有良好的加工性能，可以大面積薄膜化，柔性好，機(jī)械強(qiáng)度高，質(zhì)量輕。具有離子導(dǎo)電、電子導(dǎo)電、選擇性滲透、光學(xué)敏感等特性。利用這 些特性可以制成對(duì)離子.化學(xué)氣體敏感的傳感器和pH電化學(xué).生物酶?jìng)鞲衅? 如聚偏氟乙烯（PVDF）材料制成的傳感器，已在醫(yī)學(xué)、電聲、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。,二、固態(tài)圖象傳感器,將感光面上的光學(xué)圖象信號(hào)以光點(diǎn)為單位，利用光敏單元（像素）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為各點(diǎn)電信號(hào)的傳感器被稱為圖象傳感器。 固態(tài)圖象傳感器有CCD、CID、BBD等類型。具有小巧、輕便、功耗低、驅(qū)動(dòng)電壓低的特點(diǎn)。 CCD為電荷耦合型圖象傳感器，是集成化光電器件。集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和電信號(hào)傳送為一體，可以完成一維或二維的多通道圖象信息處理。,三、生物傳感器,生物傳感器是利用生物活性材料（酶，蛋白質(zhì)，DNA，抗體，抗原，生物膜）與物理、化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。,生物傳感器在食品、制藥、化工檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生命科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。主要測(cè)定物質(zhì)中的化學(xué)和生物成份含量。,四、智能化傳感器,智能化傳感器是具有信息檢測(cè)、記憶、邏輯思維與判斷功能的微機(jī)控制傳感器。具有如下特點(diǎn)： （1）具有邏輯思維、判斷、信息處理功能。 （2）具有自診斷、自校準(zhǔn)功能。 （3）具有多傳感器、多參數(shù)測(cè)量功能。 （4）檢測(cè)數(shù)據(jù)可存、可取，使用方便。 （5）具有網(wǎng)絡(luò)通信接口，便于網(wǎng)絡(luò)控制、遠(yuǎn)程控制。 智能傳感器 = 主傳感器+輔助傳感器 +微機(jī)控制系統(tǒng),智能式壓力傳感器,