《传感检测技术》PPT课件.ppt

传感技术与智能仪器 Sensing Technology and Intelligent Instrument 朱启兵 2/48 传感技术与智能仪器 第13章传感检测技术 红外检测1.2 超声检测13.1 13.2 激光检测13.3 微波检测 13.4 3/48 w13.1.1 超声波传感器的工作原理 w13.1.2 超声波传感器的应用 第13章传感检测技术 超声波传感器 4/48 13.1.1 超声波传感器的工作原理 第13章传感检测技术 1. 超声波及其物理性质 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2104 Hz的机械波 微波：频率在310831011 Hz之间的波 5/48 图13.1 声波的频率界限图 第13章传感检测技术 6/48 w超声波的波型 w超声波的传播速度 w超声波的反射和折射 w超声波的衰减 第13章传感检测技术 2. 超声波的波形及其转换 7/48 w纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的 波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播； w横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。 它只能在固体中传播； w表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传 播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面 波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短 轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。 第13章传感检测技术 超声波的波型 8/48 纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的 弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波， 其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在900 1900m/s。 在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一 定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表 面波声速约为横波声速的90。 第13章传感检测技术 超声波的传播速度 气体和液体 固体 9/48 图13.2 超声波的反射和折射 第13章传感检测技术 超声波的反射和折射和波形转换 10/48 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以 下函数关系： 式中 : 、 声波在距声源x处的声压和声强； 、 声波在声源处的声压和声强； 声波与声源间的距离； 衰减系数。 超声波的衰减 和超声波的频率和材料的介质密度有关。 第13章传感检测技术 固体和液体的介质密度大，故衰减也大。频率高，衰减也大 11/48 w压电式超声波传感器 w磁致伸缩式超声波传感器 13.1.2 超声波传感器的工作原理 第13章传感检测技术 12/48 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理 来工作的。 w压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动 转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的 频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超 声波最强。 w压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当 超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表 面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大 后送到测量电路，最后记录或显示出来。 压电式超声波传感器 第13章传感检测技术 13/48 图13.3 压电式超声波传感器结构图 第13章传感检测技术 压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十Wcm2。 14/48 磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸 缩效应原理来工作的。 w磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁 场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动， 从而产生出超声波。 w磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用 在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它 的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感 应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动 势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。 磁致伸缩式超声波传感器 第13章传感检测技术 磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W， 声强可达几千Wcm2，能耐较高的温度。 15/48 w超声波测厚 w超声波测物位 w超声波测流量 w超声波探伤 第13章传感检测技术 13.1.2 超声波传感器的应用 16/48 图13.4 脉冲回波法检测厚度工作原理 第13章传感检测技术 17/48 (d) (c ) (b ) (a ) 图13.5 几种超声波检测物位工作原理 超声波测物位 液体中有其他成分 的存在及温度的不 均匀都会使超声波 速度发生变化，引 起测量的误差，故 在精密测量时，要 考虑采取补偿措施 第13章传感检测技术 18/48 超声波测量流体流量是 利用超声波在流体中传输时 ，在静止流体和流动流体中 的传播速度不同的特点，从 而求得流体的流速和流量。 w时差法测流量 w相位差法测流量 w频率差法测流量 图13.6 超声波测流体流量工作原理 超声波测流量 第13章传感检测技术 19/48 w穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量 的变化情况来判断工件内部质量。 w反射法探伤： 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情 况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为 一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。 超声波探伤 第13章传感检测技术 20/48 w优点：指示简单，适用于 自动探伤；可避免盲区， 适宜探测薄板。 w缺点：探测灵敏度较低， 不能发现小缺陷；根据能 量的变化可判断有无缺陷 ，但不能定位；对两探头 的相对位置要求较高。 图13.7 穿透法探伤原理 穿透法探伤 第13章传感检测技术 当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小， 仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷 检测出来。 21/48 图13.8 一次脉冲反射法探伤原理 一次脉冲反射法 第13章传感检测技术 由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性 质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏 上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没 有F波。 22/48 图13.9 多次脉冲反射法探伤原理 第13章传感检测技术 多次脉冲反射法 23/48 第13章传感检测技术 13.2 红外传感器 红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的 传感器。 红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据 的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。 24/48 w红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。 这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16)时，一切 物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外 线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外 辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（ 273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的 能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射 出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后 可以转化成热能。温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上 和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的 。 w 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的 形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、 干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。 一、红外辐射 第13章传感检测技术 25/48 第13章传感检测技术 1希尔霍夫定律 希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时也 吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中 ，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领,这就是希尔霍 夫定律。可用下面公式表示： EraE0， 式中：Er 物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐 射能； a 该物体对辐射能的吸收系数； E0 等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是 常数。 黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体， 黑体的吸收本领与波长和温度无关，即a1。黑体吸收本 领最大，加热后，它的发射热辐射也比任何物体都要大， 红外辐射的基本定律 26/48 第13章传感检测技术 2.斯蒂芬-玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律 即：物体辐射强度 W 与其热力学温度的四次方成正比 式中：W单位面积辐射功率，Wm； 斯蒂芬-玻尔茨曼常数，5.6710-8Wm-2K-4； T 热力学温度，K； 比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。 27/48 第13章传感检测技术 任何温度下能全部吸收任何波长辐射的物体称为黑体，即1 黑体的热辐射能力比其他物体强 一般物体的1，即：不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射 热辐射的能力也小于黑体，称为灰体 黑体是理想物体 一般物体虽不等于黑体，但辐射强度与热力学温度的四次方成正比 物体辐射强度随温度升高而明显地增强 28/48 第13章传感检测技术 3. 3.维恩维移定律维恩维移定律 29/48 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外 辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红 外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光 子探测器两大类。 第13章传感检测技术 二、 红外探测器 30/48 1. 热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的 敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参 数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸 收的红外辐射。 第13章传感检测技术 热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长，约10-3s 量级。 任何波长的红外辐射，只要功率相同，对物体的加热效果也相同 热敏探测器对各种辐射波长有基本相同的响应，光谱响应曲线平坦，响 应波段宽 测量波长范围内灵敏度基本不变，且能在常温下工作 也称“无选择性红外探测器” 31/48 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型 和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。 第13章传感检测技术 32/48 光子探测器是一种半导体器件，其核心是光敏元件 光子投射到光敏元件上时，促使电子-空穴对分离 产生电信号 光电效应产生速度很快 光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测器快得多 最短可达纳秒 2. 光子探测器 第13章传感检测技术 33/48 第13章传感检测技术 光子探测器的波长范围一般不变 对波长的响应率存在峰值p，超过p时响 应曲线迅速截止 图中曲线2 原因是在大于一定波长的范围内，光子储 量不足以激发电子的释出，电活性消失 光子探测器以光子为单元起作用 光子探测器必须在低温下才能工作 34/48 第13章传感检测技术 红外探测器的基本参数(为了便于设计和选用) 红外探测器主要技术参数有下列几项： (1)响应率 所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比 式中 r 响应率(V/W)；U0 输出电压(V)；P 红外辐射功率(W)。 (2) 响应波长范围 红外探测器的响应率与入射辐射的波 长有一定的关系，如右图所示。曲线为 热敏探测器的特性。热敏红外探测器响应 率r与波长无关。光电探测器的分谱响应如 图中曲线所示。 P对应响应峰值rP，rP /2于对应为截止 波长c。 35/48 第13章传感检测技术 (3) 噪声等效功率(NEP) 若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身 的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。噪声等效功率是一个 可测量的量。 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0，然后除去辐射源，测得探测 器的噪声电压为UN，则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为 (4)响应时间 红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间， 而且加入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等。红外探测器的响应时间 是比较短的。 36/48 第13章传感检测技术 反射式光学系统的红外探测器一 般由四面玻璃反射镜组成，其表面镀 金、铝和镍铬等红外波段反射率很高 的材料构成反射式光学系统。为了减 小像差或使用上的方便，常另加一片 次镜，使目标辐射经两次反射聚焦到 敏感元件上，敏感元件与透镜组一体 前置放大器接收热电转换、后的电信 号，并对其进行放大。 透射式红外探测器的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不 同的光学材料。例如，在测量700以上的高温时(波长多为7503000nm范围内 近红外光)，一般用光学玻璃和石英等材料作透镜材料；测量100700 范围的温 度时(多为35m的中红外光)，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；测量100 以 下的温度(波长为514m的中远红外光)，多采用锗、硅、硫化锌等热做材料。 除近红外光外，获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避 免这一困难。 红外探测器的光学系统 37/48 第13章传感检测技术 红外探测器的应用 红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探 伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。红外 传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。 1红外气体分析仪 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。例 如，二氧化碳对于波长为2.7m、4.33m和14.5m红外光吸收相当强烈，并 且吸收谱相当的宽，即存在吸收 带。根据实验分析，只有 4.33m吸收带不受大气中 其他成分影响，因此可以利 用这个吸收带来判别大气中 的CO2的含量。二氧化碳对 红外光的透射光谱如右图所 示。 38/48 第13章传感检测技术 测量时，使待测气体连续流过样品室，参比室里充满不含 CO2的气体（或CO2含量已知的气体）。红外光源发射的 红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室，经反 射镜系统，这两束光可以通过中心波长为4.33m的红外光 滤色片投射到红外敏感元件上。由于斩光调制器的作用， 敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。 39/48 第13章传感检测技术 2红外无损探伤仪 红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。例如 ，检查两块金届板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺 焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利用红外探伤仪。红外无损探伤仪的工 作原理如下图所示。 将红外辐射对金属板进行均匀照射，利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含有 某种气体或真空) 对红外辐射的吸收所存在的差异，可以探测出金属断裂空隙。 当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时，在金属板另一 侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光；如果金属板内部无 断裂，辐射扫描器在扫描过程中，红外接收器收到的是等量 的红外辐射；如果金属板内部存 在断裂，红外接收器在辐射扫描 器在扫描到断裂处时所接收到的 红外辐射值与其他地方不一致， 利用图像处形技术，就可以显示 出金属板内部缺陷的形状。 40/48 第13章传感检测技术 (3)辐射温度计 根据维恩位移定律，物体峰值辐射波长m与物体的自身的绝对温度T成反 比。即： 只要测量出辐射体（源）的峰值辐射波长m，即可推测出辐射体的温度 。这种测温手段的测温范围可达 -1703200；响应速度可达几个微秒；可以实现非接触测量，不会破 坏温度场，还可以测量几百到上千Km之外物体的温度。 多用于800以上的高温测量 41/48 第13章传感检测技术 热敏电阻接在电桥的一个桥臂上 信号经电桥转换为交流电压信号输出，放大后进行显示或记录 光栅盘是两块扇形的光栅片定片和动片 动片受光栅调制电路控制 按一定的频率双向转动，实现开(光透过)和关(光不透过)，使入射光被 调制成具有一定频率的辐射信号作用于光敏探测器上 红外测温装置的测温范围为0700，时间常数为4ms8ms (4)红外测温 被测物的热辐射经光学系统 聚焦在光栅盘上，被调制成 一定频率的