马西秦-第11章其他传感器第三版.ppt

第十一章其他传感器 第一节超声波传感器第二节红外传感器第三节激光传感器第四节新型传感器简介 第一节超声波传感器 声波是一种能在气体 液体和固体中传播的机械波 根据声波振动频率的范围 可分为次声波 声波 超声波和特超声波 人耳能听到的声波频率范围是20 20000Hz 频率超过20000Hz的声波称为超声波 超声检测中常用的工作频率在0 25 20MHz范围内 超声波的波型主要可分为纵波 横波和表面波三种 横波和表面波只能在固体中传播 而纵波可以在固体 液体和气体中传播 因此常用的超声波为纵波 一 超声波的物理基础1 超声波的物理性质 2 超声波的传播性质 超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度 当超声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质时 在两介质的分界面上 一部分能量反射回原介质称为反射波 另一部分能量则透过分界面 在另一介质内继续传播 称为折射波 如图11 1所示 超声波的衰减示意图 为吸收系数 为介质的厚度 二 超声波传感器 由发送传感器和接收传感器两部分组成 在超声波检测中成对使用 1 发送传感器发送传感器由发送电源与换能器组成 发送电源是提供高频电流或电压的电源 换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中幅射 换能器一般有压电式和磁致伸缩式两种 1 压电式超声波发生器 利用压电晶体的电致伸缩现象制成 超声频电信号 换能器 压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度 有关 n为谐波级数 取1 2 3 c为超声波在压电材料里的传播速度 与压电材料的密度有关 压电式超声波发送传感器可以产生几十kHz到几十MHz的超声波 声强可达几十W cm2 2 磁致伸缩超声波发生器 利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成 磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万Hz以内 但声强可达几千W cm2 它与压电式的发送器比较所产生的超声波的频率较低 而强度则大许多 镍 铁钴钒合金等 2 接收传感器接收传感器由换能器与放大电路组成 超声波接收器是利用超声波发生器的逆变效应进行工作的 换能器接收超声波产生机械振动 将其变换成电能量 作为传感器接收器的输出 同样 接收传感器有压电式和磁致伸缩式两种 1 压电式超声波接收器当超声波作用到电晶体片上时 使晶片伸缩 则在晶片的两个界面上产生交变电荷 这种电荷先被转换成电压 经过放大后送到测量电路 最后记录或显示出结果 而实际使用中 发送传感器的压电陶瓷的也可以用做接收器传感器的压电陶瓷 2 磁致伸缩超声波接收器当超声波作用到磁致伸缩材料上时 使磁致材料伸缩引起内部磁场变化 根据电磁感应 磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势 再将此感应电动势送到测量电路及记录显示设备 三 超声波在自动检测中的应用1 超声波探伤主要用于检测板材 锻件和焊接缝等材料中缺陷 也可以测量材料的厚度 1 穿透法探伤 当工件内部有缺陷时 在缺陷处能量被反射 到达接收探头的能量损失了一部分 2 反射法探伤 当工件内部无缺陷时 超声波传到工件底面再反射回来 当工件内部有缺陷时 超声波传到缺陷就反射回来 不同缺陷会造成不同的接收波幅度和周期 2 超声波测厚度 厚度计算 只要测量出超声波脉冲通过工件的时间t 经过信号处理电路就可以直接读出工件的厚度 3 超声波测液位 只要测量出发射波和接收波之间的时间间隔 就可以测出探头到液面的距离 超声波测量液位是利用回声原理进行的 在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器 第二节红外传感器 红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性来实现自动检测的一种传感器 已经广泛应用于生产 科研 军事和医疗等各个领域 红外测量技术是发展检测技术 遥感技术和空间科学的重要手段 在电磁波的波谱图中 可以知道红外线的频率 波长 范围 一 红外辐射的产生与性质 自然界中任何物体 只要其本身温度高于绝对零度 一273 16 就会不断地辐射红外线 也就是说 在常温下所有物体均是红外辐射源 而且物体温度愈高 辐射功率就愈大 红外线具有反射 折射 散射 干涉 吸收等多种性质 红外线在介质中传播时 通过介质后的通量I具有衰减特性 刚射到介质时的通量 介质厚度 介质常数 如金属具有特别大的衰减 二 红外传感器 又称为红外探测器 按工作原理 红外探测器可分为热电红外传感器和光电红外传感器两类 热电红外传感器是利用红外辐射的热效应原理工作的 热电探测器主要有四类 热释电型 热敏电阻型 热电阻型和气体型 光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应原理工作的 光电红外传感器有内光电和外光电红外传感器两种 前者又分为光电导 光生伏特和光磁电红外传感器等三种 光电红外传感器的主要特点是灵敏度高 响应速度快 具有较高的响应频率 但探测波段较窄 一般需在低温下工作 光电红外传感器是由光学系统 敏感元件 前置放大器和调制器等组成 1 透射式红外探测器2 反射式红外探测器 按光学系统分类 其光学系统的元件采用红外光学材料 并且根据所探测的红外波长来选择光学材料 在近红外区 可用一般的光学玻璃和石英等材料 在中红外区 可用氟化镁 氧化镁等材料 在远红外区 可用锗 硅等材料 1 透射式红外传感器 反射式红外传感器是采用凹面玻璃反射镜 将红外辐射聚焦到敏感元件上 反射式的光学系统元件表面镀金 铝或镍铬等对红外波段反射率较高的材料 其材料比较好找 但在制造工艺方面较复杂 透射式光学系统获得透射红外波段的玻璃比较困难 加工制造难度小 2 反射式红外传感器 次反射镜 主反射镜 敏感元件 前置放大器 前置放大器 敏感元件 主反射镜 次反射镜 三 红外传感器的应用 1 红外测温仪 机械 冶金 陶瓷玻璃等高温行业 它是一个包括光 机 电一体化的红外测温系统 利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的 红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的 2 红外气体分析仪 工作时 两束红外线经反射 切光后 滤掉干扰气体的影响 分别射入测量气室和标准气室 由于测量气室中对4 65 m的红外辐射有较强的吸收能力 而标准气室中气体不吸收红外辐射 从而使两吸收室压力不同 于是电容器的可动电极 薄膜 偏向固定电极片方向 改变了薄膜电容两电极间的距离 也就改变了电容C 因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度 镍铬加热丝 红外光源 同步电机 切光片 滤波气室 标准气室 测量气室 信号处理电路与指示装置 3 红外无损探伤 红外无损探测分主动式和被动式两类 某包装袋封口质量的红外检测示意图 工作时 传送带匀速把包装袋的封口送往热源和红外传感器之间 热源对封口均匀加热并使其封合 如果塑料袋封口中夹杂气泡 小颗粒 油腻 空隙起皱等缺陷时 都会妨碍热能的流动而引起温度分布的异常现象 通过温度分布的测量就可判断出缺陷的位置 第三节激光传感器 激光传感器可将输入它的一定形式的能量 光能 热能等 转换成一定波长的光的形式发射出来 已成功应用于精密测量与加工 军事 宇航等生产科研领域 一 激光的本质原子在正常分布状态下 大部分处于低能级E1状态 得到外界能量后 原子被短期激发 跃迁到高能级E2状态 极短时间之后 原子跃迁返回低能级 同时辐射出光子 具有偶然性 自发辐射 受激辐射在外界因素的诱发下 处在激发态的原子也可以跃迁到低能级而发光 这种发光过程称为受激辐射 但是 并非任何外来光子都能引起受激辐射 只有当外来光子的频率大于或等于激发态原子的某一固有频率 才能引起受激辐射 辐射光子的能量 在受激辐射过程中 辐射光子与最初引起受激辐射的外来光子有完全相同的频率 相位和振动方向 受激辐射 可以使所激发出光子的频率 相位方向均与入射光一致 也可以说是一个光子被放大为两个光子 如图所示 这种光称为相干光 如果这些光子再引起其它原子发生受激辐射 那么这些原子所引起的辐射光子在频率 相位和振动方向上也与外来光子完全相同 从而产生激光 由于光子被激发放大或被吸收是一个动态过程 光子在媒介中传播的过程中 也可能被原子吸收而逐渐减少 被称为光的吸收 光的放大 光的吸收 光的放大和吸收是同时进行的 至于最终光是放大还是减小 取决于哪一种运动更激烈 二 激光的形成原理1 粒子数反转分布要想获得光的放大 必须使得光的放大运动更激烈 物质内部粒子数与能量分布方程为 对于T 0的任何值 只要E1 E2 就有N2 N1 即处于高能级上的粒子数大于处于低能级的粒子数 此时光的放大是主要的 介质才能以发射光子为主 被称为粒子数反转 这是形成激光的第一个条件 E1能级的粒子数N1 E2能级的粒子数N2 正常状态 激发状态 低能级E1 高能级E2 高能级E2 低能级E1 2 光的振荡放大由外界激发引起粒子数反转分布而形成的光的放大 这些光子是射向各个方向的 受激辐射将无法持续下去 必须在一个光学共振腔中才能实现光振荡放大 光学共振腔 谢振腔 由各种形状的曲面反射镜组成 镜面具有极高的反射率 工作物质被封装在共振腔中 光子在两反射镜间往返运动 不断地碰撞处于激发态的粒子 使得受激辐射一次又一次的加强 激光是受激辐射和谐振腔共同作用的结果 而粒子数反转分布则是形成激光的必要前提条件 三 激光的特点1 高方向性2 高亮度3 单色性好 频率高度一致 4 高相干性 能产生稳定干涉条纹 四 激光传感器1 气体激光器 一般原理 惰性气体原子 金属蒸气 气体离子等 氦氖激光器 内腔式 外腔式 2 液体激光器它的工作物质是液体 可分为有机液体染料激光器 无机液体染料和聚合物激光器等 较为重要的是有机液体染料激光器 其特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调 可连续工作而不降低效率 3 固体激光器它的工作物质是固体 常用的固体激光器有红宝石激光器 掺铷的钇铝石榴石激光器 简称YAG激光器 和铷玻璃激光器等 工作方式 在共振腔内壁镀上高反射率的金属薄层 使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上 各种聚光腔 固体激光器的一般结构示意图 4 半导体激光器半导体激光器是在固体和气体激光器之后发展起来的一种激光器 它的工作物质是某些性能适合的半导体材料 如砷化镓 磷化铟等 砷化镓激光器可以做成二极管形式 在PN结中注入能量 可以造成电子与空穴重新复合 能量以光子形式释放 形成激光 半导体激光器的主要特点重量非常轻 结构紧凑 转换效率很高 输出功率比较小 受环境温度影响比较大等 主要用于飞机 军舰 坦克 火炮上瞄准 测距等方面 砷化镓激光器 五 激光的应用 1 激光测量长度 迈克尔逊干涉仪 当可动反射镜沿光轴方向每移动半个光波波长时 干涉条纹亮暗变化一次 经光电倍增管放大后 计数得到干涉条纹数 N 干涉条纹数 n为空气折射率 真空中光波波长 可动反射镜的移动位移 2 激光测距 激光测距的原理 首先测量激光射向目标 而后又经目标反射到激光器 测出激光往返一次所需的时间间隔 则探测器到目标距离为 3 激光测速 激光测速是利用光的多普勒效应 当运动体相对于激光光源S有相对运动时 由于运动体的运动速度而引起光波频率偏移 此时 多普勒频移 运动体的运动速度 光源光波波长 只要能测得多普勒频移fd 则可求得物体运动速度v 测量流速所用的仪器称为激光多普勒流速计 它可以测量火箭燃料的流速 飞行器喷射气流的速度 风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及汇聚速度等 激光器 聚焦透镜 流体中的运动粒子 管道 接收透镜 平面镜 分光镜 光电倍增管 第四节新型传感器简介 科学技术的迅猛发展 越来越依赖于信息资源的开发 信息的获取和传输 工业 农业 航天 军事 机器人 资源开发 环境监测 海洋探测 安全防卫 医疗诊断等各行业都与传感器的应用有紧密联系 反过来 各领域科学技术的发展也会推动新型传感器的研发 新型传感器技术的发展方向 一 高分子有机材料传感器 高分子有机材料具有良好的加工性能 可以大面积薄膜化 柔性好 机械强度高 质量轻 具有离子导电 电子导电 选择性渗透 光学敏感等特性 利用这些特性可以制成对离子 化学气体敏感的传感器和pH电化学 生物酶传感器 如聚偏氟乙烯 PVDF 材料制成的传感器 已在医学 电声 计算机 电子技术领域获得广泛应用 二 固态图象传感器 将感光面上的光学图象信号以光点为单位 利用光敏单元 像素 将光信号转换为各点电信号的传感器被称为图象传感器 固态图象传感器有CCD CID BBD等类型 具有小巧 轻便 功耗低 驱动电压低的特点 CCD为电荷耦合型图象传感器 是集成化光电器件 集光电转换 电荷存储和电信号传送为一体 可以完成一维或二维的多通道图象信息处理 三 生物传感器 生物传感器是利用生物活性材料 酶