传感器与检测技术的理论基础PPT课件

主要内容,10.1超声波传感器10.2红外线传感器,声波频率界限人耳听见的波称声波（机械波）频率在162*104Hz；次声波低于20Hz；超声波高于2*104Hz.,声波频率界限,10.1超声波传感器10.1.1超声波及物理特性,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；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。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。,10.1超声波传感器10.1.1超声波及物理特性,10.1超声波传感器10.1.1超声波及物理特性,当波在界面处产生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比,即,发生全反射的条件？当从空气垂直照射到水面会发生什么情况？反之，情况又会怎样？,10.1超声波传感器10.1.1超声波及物理特性,由于声波作用而产生的压强叫“声压”。声波在传播过程中，空气中任一点附近质点由于声波作用，时而疏松，时而紧密，因而压强也相应地忽强、忽弱变化。,声波传播的能流密度。即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量,10.1超声波传感器10.1.1超声波及物理特性,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器,发射元件：利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；接收元件：利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号。,目前市场销售的超声波传感器有两种形式：专用型、兼用型通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。超声波传感器有发射、接收两部分,探头按工作原理可分为压电式、磁致式、电磁式,不同超声波传感器工作方式超声波传感器使用时的两种形式：反射式（TX）直射式（RX）,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器,在超声波发送器双振子施加40KHz电压，通过逆压电效应，送出超声波信号。接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。,超声波传感器的工作原理,如何测距？,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器,测距原理：340m/s*（n*25s）=距离,测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是相应距离。,超声波测距原理时序波形示意图,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器测距原理,h=（s2-a2）1/2,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器的应用,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器的应用,10.1超声波传感器10.1.2超声波传感器的应用,10.1超声波传感器10.1.4超声波传感器应用,红外传感器按应用可分为：红外辐射测量；热成像遥感技术；红外搜索、跟踪目标、确定位置；通讯、测距等。红外传感器有两部分组成：1）红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源；2）红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。,10.2红外线传感器,10.2红外线传感10.2.1红外辐射,红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线(波长范围大致在0.761000m)。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为:近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。,红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。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。而且,红外线被物体吸收时,可以显著地转变为热能。红外辐射和所有电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时,大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带。而红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是22.6m、35m和814m,统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要,因为红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。,10.2红外线传感10.2.1红外辐射,10.2红外线传感器10.2.2红外辐射探测器,红外探测器主要有两大类型：1）热探测器（热电型）包括有：热释电、热敏电阻、气体型等；2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；其中有光敏电阻、光电管、光电池等。光子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热电型红外探测器。,10.2红外线传感器10.2.2红外辐射探测器,热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电阻、气体等。热释电元件基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，包括了光热电，两次信息变换过程；光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号,1、什么是热释电效应？,为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。热释电传感器应用时需要用光调制器，调制器的入射光频率必须大于中和时间的频率：,10.2红外线传感器10.2.2红外辐射探测器,热释电元件绝缘电阻很高，几十至几百兆欧容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。通常热释电传感器已经将前极的场效应管FET和输入电阻安装在管壳中，起到阻抗变换的作用。,热释电元件等效电路：输出电压：,热释电元件等效电路,10.2红外线传感器10.2.2红外辐射探测器,10.2红外线传感器10.2.2红外辐射探测器（光子探测器）,光子探测器是利用光电效应，利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有：光电导型光生伏特光电磁型肖特基型,在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，热释电红外可用于自动门、干手机、自动水龙头等。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。2)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。3)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。,10.2红外线传感器10.2.3红外传感器应用,10.2红外线传感器10.2.3红外辐射应用,10.2红外线传感器10.2.3红外传感器应用,红外测温,红外线气体分析仪,红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。,10.2红外线传感器10.2.3红外传感器应用,下图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正转或反转。,10.2红外线传感器10.2.3红外传感器应用,红外光束报警电路,10.2红外线传感器10.2.3红外传感器应用,热释电红外传感器以其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作湿度范围宽等优点被泛应用于防盗报警、自动门、感应灯、自动水阀等工业和生产领域。,典型电路（红外传感器应用）,BM8072,红外探测器可分为热探测器和光子探测器，请问热探测器与热敏电阻传感器，光子探测器与光电传感器在工作原理上有什么异同之处？,光子外探测器与光电式传感器不同之处：光子探测器接受的是红外线，而光电传感器接受的是从紫外光到红外光所有光谱范围内的光作为输入信号。,热探测器和热敏电阻相同之处：热探测器和热敏电阻都是以热能为输入信号。,热探测器和热敏电阻不同之处：热探测器主要是以红外辐射