第10章 波式和辐射式传感器

1、第第1010章章 波式和辐射式传感器波式和辐射式传感器n超声波传感器超声波传感器n微波传感器微波传感器n红外辐射式传感器红外辐射式传感器 本章主要介绍以上传感器的工作原理及本章主要介绍以上传感器的工作原理及其在各种参数检测中的应用。其在各种参数检测中的应用。 超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介动在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。测技术。 1 1、超声波及其性质、超声波及其性质 1

2、0.1 10.1 超声波传感器超声波传感器 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。它能在固体、液体和气体介质中传播。 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。只能在固体介质中传播。 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。表面波只在固体的表面传播。 l 超声波种类超声波种类 1）超声波的速度）超

3、声波的速度 l 超声波的性质超声波的性质 超声波可在气体、液体和固体中传播，并有各自的传超声波可在气体、液体和固体中传播，并有各自的传播速度，与介质的特性有很大的关系。播速度，与介质的特性有很大的关系。l 固体固体 c横横= 1/2c纵纵 c表表90% c横横l 液体、气体液体、气体 仅有纵波传播仅有纵波传播aBc12）超声波的反射与折射）超声波的反射与折射21sinsincc3）超声波的衰减）超声波的衰减l 与传播介质有关与传播介质有关 气体液体固体气体液体固体 对于不透光的固体，超声波可穿透几十米的厚度。对于不透光的固体，超声波可穿透几十米的厚度。l 与声波频率有关与声波频率有关 频率越高

4、，衰减越大频率越高，衰减越大 超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。的扩散、散射和吸收。 利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。也叫超声波探头。 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式最为常用。式、电磁式等，其中压电式最为常用。 2 2、超声波传感器、超声波传感器 压电式超声波探头常用的材料是压电

5、晶体和压电压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的用压电材料的 压电效应压电效应 来工作的：来工作的： l 逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动，从逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头。而产生超声波，可作为发射探头。l 正压电效应：将超声振动波转换成电信号，可作为接正压电效应：将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。收探头。 它主要由压电晶片、吸收块它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块阻尼块)、保护膜、引、保护膜、引线等组成。线等组成。1121Ef

6、 n 直探头式结构直探头式结构 晶片密度晶片密度11E 晶片的弹性模量晶片的弹性模量n 双探头式结构双探头式结构1）超声波测液位）超声波测液位12hct3、超声波传感器的应用、超声波传感器的应用l 单换能器l 双换能器22ash12dvt2）超声波测厚度）超声波测厚度l 脉冲回波法脉冲回波法3 3）超声波测流量超声波测流量22cvtL4）超声波测距离）超声波测距离10.2 10.2 微波传感器微波传感器 微波传感器是一种新型的非接触式传感器，在工业微波传感器是一种新型的非接触式传感器，在工业中，微波传感器在材料无损检测及物位检测等方面具有中，微波传感器在材料无损检测及物位检测等方面具有独到之处

7、。故广泛应用于工业、农业，能源，国防，公独到之处。故广泛应用于工业、农业，能源，国防，公安，生物医学，环境保护，卫星通信安，生物医学，环境保护，卫星通信 等领域。等领域。n微波是波长为微波是波长为1mm1m的电磁波，既具有电磁波的性的电磁波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同，是一种波长较短、质，又与普通的无线电波及光波不同，是一种波长较短、频率很高的电磁波。频率很高的电磁波。n工作原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时工作原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通

8、过被测物体或由被测物体反射回来的微波，线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，从而实现了微波检测。示出被测量，从而实现了微波检测。1、微波传感器原理、微波传感器原理 定向辐射的装置容易制造。定向辐射的装置容易制造。 遇到各种障碍物易于反射。遇到各种障碍物易于反射。 绕射能力差。绕射能力差。 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小。光的影响很小。 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对介质对微波的吸收与介质的介电

9、常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波的吸收作用最强。 2、微波传感器的特点、微波传感器的特点l 组成组成 微波传感器是由微波振荡器、微波天线和微波检测微波传感器是由微波振荡器、微波天线和微波检测器三部分组成。器三部分组成。n振荡器：产生微波，频率很高（振荡器：产生微波，频率很高（300MHZ300GHz)，电容、，电容、电感很小，常由磁控管、固态器件等构成。电感很小，常由磁控管、固态器件等构成。n天线天线 3 3、微波的组成和分类、微波的组成和分类 (1) 反射式传感器反射式传感器 这种微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波这种微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔

10、来获得被测量的。一般它可以功率或经过的时间间隔来获得被测量的。一般它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。测量物体的位置、位移、厚度等参数。 (2) 遮断式传感器遮断式传感器 这种微波传感器是通过检测接收天线收到的微波这种微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的位置、体或被测物体的位置、 被测物中的含水量等参数。被测物中的含水量等参数。l 分类分类 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。反射式和遮断式两类。 1 1）微波式物位传感

11、器）微波式物位传感器 4、微波传感器的应用、微波传感器的应用2ottr()4PPG GSroPPl 低于设定物位：低于设定物位：l 高于设定物位：高于设定物位：2ttrr22()44PG GPSd2）微波式液位传感器）微波式液位传感器3） 微波式厚度传感器微波式厚度传感器hhLLLLLSABAAB)()(l 红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。光线，故称红外线。l 18001800年，英国赫胥尔发现年，英国赫胥尔发现l 波长介于可见光和微波之间波长介于可见光和微波之间10.3 红外辐射式传感器红外辐射式传感器

12、 红外线易于产生，容易接收。红外线易于产生，容易接收。 采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低。低。 红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。 红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作。红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作。 功率消耗小，反应速度快。功率消耗小，反应速度快。 对环境无污染，对人、物无损害。对环境无污染，对人、物无损害。 抗干扰能力强。抗干扰能力强。l 红外线特点红外线特点 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路红外传感器一般由光学系统、探测

13、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，它及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心，它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，红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。可分为热探测器和光子探测器两大类。 1) 热探测器热探测器 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电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。阻型和气体型。 l 红外探测器红外探测器 光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的

14、光子光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。 2) 光子探测器光子探测器n红外测温是一种红外测温是一种非接触、在线式非接触、在线式检测技术，它通检测技术，它通过红外传感器接过红外传感器接收物体发出的红收物体发出的红外线（红外辐射外线（

15、红外辐射能量），从而测能量），从而测出物体表面的温出物体表面的温度及温度场的分度及温度场的分布情况。布情况。 1）红外测温）红外测温l 红外传感器的应用红外传感器的应用n 红外线的物理本质：是热辐射，即任何物体只要它红外线的物理本质：是热辐射，即任何物体只要它的温度高于绝对零度（的温度高于绝对零度（-273），都会产生自身分子和），都会产生自身分子和原子的无规则运动，并不停地向周围空间辐射出热红外原子的无规则运动，并不停地向周围空间辐射出热红外能量，物体的温度越高，分子和原子的运动愈剧烈，辐能量，物体的温度越高，分子和原子的运动愈剧烈，辐射出来的红外线越多，辐射的能量愈大；反之，辐射的射出来的

16、红外线越多，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量愈小。能量愈小。w 红外检测的优点：红外检测的优点： 非接触测量，使用方便、安全非接触测量，使用方便、安全 响应快、精度高、寿命长响应快、精度高、寿命长 测温范围宽，适用范围广测温范围宽，适用范围广 确定目标尺寸确定目标尺寸n红外测温分类红外测温分类n红外测温仪（便携式、固定式）红外测温仪（便携式、固定式）n红外热像仪红外热像仪w 便携式红外测温仪系统原理框图便携式红外测温仪系统原理框图 系统原理框图系统原理框图l 红外热释电探测器红外热释电探测器 Thermalert MI 由美国由美国Raytek公司生产，高精度红外测温专用探测公司生产，高精度红外测温专用探测器，它集成了一个很小的器，它集成了一个很小的LiTaO3热释电传感器和一