第11章波式、射线式和红外传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第11章章 波式波式、射线射线式和式和红外红外传感器传感器第第11章章 波式波式、射线式和射线式和红外红外传感器传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .4 红外传感器红外传感器11. .5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例11. .1 超声波式传感器超声波式传感器 人耳能听到的声波频率在人耳能听到的声波频率在20 Hz20 kHz之间。超过之间。超过20 kHz的称为的称为超声波超声波，低于，低于20 Hz的的称为称为次声波次声波。常用的超声波

2、频率为几十。常用的超声波频率为几十kHz到到几十几十MHz。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波具有频率高、波长短，特别是的传感器。超声波具有频率高、波长短，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是对不声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是对不透光的固体，可穿透几十米的深度。超声波碰到透光的固体，可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生反射、折射和波型转换等现杂质或分界面会产生反射、折射和波型转换等现

3、象。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生象。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。物医学等方面。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 1. .波型及其转换波型及其转换 ( (1) )波型波型 由于声源在介质中施力方向与波由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不同，通常有三种形式同，通常有三种形式

4、纵波纵波。质点振动方向与传播方向一致的。质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。 横波横波。质点振动方向垂直于传播方向的。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。波称为横波，它只能在固体中传播。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 表面波表面波。质点振动介于纵波和横波之间，。质点振动介于纵波和横波之间，介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图，如图所示。所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减，速衰减，实际上

5、在距表面一个波长以上的地方，实际上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失振动己近消失。 工业应用中主要采用纵波工业应用中主要采用纵波。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 ( (2) )波型转换波型转换 当纵波以某一角度入射到第当纵波以某一角度入射到第二介质二介质( (固体固体) )的界面上时，除了有纵波的反射、的界面上时，除了有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射和折射；在某种情折射以外，还发生横波的反射和折射；在某种情况下，还能产生表面波。各种波型都符合反射及况下，还能产生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。折射定律。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基

6、本性质 2. .传播速度传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。气体中声速有关。气体中声速约约344 m/ /s、液体中为、液体中为9001900 m/ /s；在固体中纵波、横波、表面波三者的；在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一声速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一半，表面波声速约为横波的半，表面波声速约为横波的90 %。在钢材中的。在钢材中的纵波声速约纵波声速约5000 m/ /s。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 3. .反射及折射反射及折射 超声波在两种介质中超声波在两种

7、介质中传播时，在它们的交界面传播时，在它们的交界面上，一部分能量反射回原上，一部分能量反射回原介质，称为介质，称为反射波反射波；另一；另一部分能量透射界面，在另部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为一介质内继续传播，称为折射波折射波。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 对于反射波，当对于反射波，当入射波和反射波的波型入射波和反射波的波型相同、波速相等时，反相同、波速相等时，反射角射角a a 等于入射角等于入射角a a。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 对于折射波，入射对于折射波，入射角角a a、折射角、折射角b b、入射波、入射波在介质在介质1中

8、的速度中的速度c1及折及折射波在介质射波在介质2中的速度中的速度c2之间的关系为：之间的关系为：) 1 .11(sinsin21ccab亦即：亦即：bsinsin21cac11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 考虑到可能有波型转考虑到可能有波型转换，如图所示，可写成统换，如图所示，可写成统一的公式如下：一的公式如下：baaasinsinsinsinsinS2L22S11L1Lccccc11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 当超声波垂直于入射界面，即当超声波垂直于入射界面，即a ab b0时，时，声波的反射系数声波的反射系数R和透射系数和透射系数T分别如下：分

9、别如下：式中，式中，I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的分别为入射波、反射波、透射波的声强；声强；r r1c1、r r2c2分别为两介质的分别为两介质的声阻抗声阻抗，r r为密为密度，度，c为速度。为速度。2221122110t2221122110r)(4ccccIITccccIIRrrrrrrrr,11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 由上面两式可知：由上面两式可知： 若若r r2c2r r1c1，则，则R0，T1，此时声波几乎，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；没有反射，全部从第一介质透射入第二介质； 若若r r2c2r r1c1, R1，

10、则声波在界面上几乎，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。全反射，透射极少。 当当r r1c1r r2c2时，也有时，也有R1。2221122110t2221122110r)(4,ccccIITccccIIRrrrrrrrr11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 例例如，如，20 时水的声阻抗为时水的声阻抗为r r1c11.48106 kg/ /( (m2s) )，空气的声阻抗为，空气的声阻抗为r r2c20.000 429106 kg/ /( (m2s) )，r r1c1r r2c2，故超声波从水中传播至，故超声波从水中传播至水气界面时，将发生全反射。反之亦然。水气界面时，将发

11、生全反射。反之亦然。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 4. .超声波的衰减超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，距离声源加，能量逐渐衰减，距离声源x处的声压处的声压p和声强和声强 I 的衰减规律为：的衰减规律为：)3 .11(e)2 .11(e200AxxAxxIIpp式中，式中，A为衰减系数。为衰减系数。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 衰减系数衰减系数A与介质密度及波的频率有很大与介质密度及波的频率有很大关系。气体关系。气体密度小，则衰减快密度小，则衰减快，尤其在，尤其在频率高

12、频率高时衰减更快时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率。因此在空气中采用的超声波频率较低较低( (几十几十kHz) )，而在固体或液体中较高。，而在固体或液体中较高。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的波的扩散、散射和吸收扩散、散射和吸收。 ( (1) )扩散衰减扩散衰减 是指是指声波在介质中传播时，声波在介质中传播时，其波前逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的其波前逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象。它和波阵面的几何形状有关。现象。它和波阵面的几何形状有关。 在理想介质中，声波的衰减仅

13、来自于声波的在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。扩散。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 ( (2) )散射衰减散射衰减 超声波在介质中传播遇到尺超声波在介质中传播遇到尺寸与其波长可相比或更小的障碍物时会产生散射寸与其波长可相比或更小的障碍物时会产生散射衰减。产生散射衰减的原因很多，可分为两种情衰减。产生散射衰减的原因很多，可分为两种情况：况：材料本身不均匀材料本身不均匀，如两种材料的交界面、，如两种材料的交界面、杂质和气孔、晶体材料的各向异性等；杂质和气孔、晶体材料的各向异性等；晶粒尺晶粒尺寸可与超声波波长相比的粗晶粒材料寸可与超声波波长相比的粗晶粒材料，斜入射的

14、，斜入射的超声波在晶界的散乱反射使得声能变为热能而损超声波在晶界的散乱反射使得声能变为热能而损耗，耗，在金属中这往往是超声波衰减的主要原因在金属中这往往是超声波衰减的主要原因。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 ( (3) )吸收衰减吸收衰减 超声波在介质中传播时，由超声波在介质中传播时，由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的声能损于介质本身的粘滞性和热传导所引起的声能损耗称为吸收衰减。耗称为吸收衰减。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 5. .声阻抗声阻抗 介质有一定的声阻抗，介质有一定的声阻抗，声阻抗等于介质密声阻抗等于介质密度与超声波速的乘积度与超声

15、波速的乘积。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 6. .声压声压 当超声波在弹性介质中传播时，介质质点除当超声波在弹性介质中传播时，介质质点除了承受未遭扰动时的静压强了承受未遭扰动时的静压强p0之外，还有随时间之外，还有随时间交替变化的交替变化的附加压强附加压强p，称后者为声压称后者为声压。声压。声压pf( (x, ,y, ,z, ,t) )，是时间和空间的函数。，是时间和空间的函数。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 7. .聚焦聚焦 超声波可以被聚焦。超声波可以被聚焦。被聚焦后，具有较好的方被聚焦后，具有较好的方向性，能量集中，可用于向性，能量集中，

16、可用于焊接等。超声波塑料焊接焊接等。超声波塑料焊接机如图所示。机如图所示。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用一些超声波传感器如图所示。一些超声波传感器如图所示。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器CUSS 陶瓷超声波传感器如图所示。陶瓷超声波传感器如图所示。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和以超声波作为检测手段，必须产生超声

17、波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为感器，习惯上称为超声换能器超声换能器，或，或超声探头超声探头。 按超声波探头的结构，可分为按超声波探头的结构，可分为直探头，斜探直探头，斜探头，双探头和液浸探头头，双探头和液浸探头等。按其工作原理又可分等。按其工作原理又可分为为压电式、磁致伸缩式、电磁式压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中等。实际使用中压电式探头最为常见。压电式探头最为常见。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器接触式直探头接触式直探头接触式斜探头接触式斜探头11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器发射晶片

18、发射晶片接收晶片接收晶片 双晶探头的结构虽双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收控制电信号的反射和接收控制电路较单晶直探头简单。路较单晶直探头简单。 11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 水浸探头（可用自来水作为耦合剂）水浸探头（可用自来水作为耦合剂）11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 ( (1) )压电式超声波探头压电式超声波探头 图示为压电式超声波图示为压电式超声波探头结构，主要由压电晶体，吸收块探头结构，主要由压电晶体，吸收块( (阻尼块阻尼块) )、保护膜等组成。保护膜等组成。11.

19、 .1. .2 超声波传感器超声波传感器 ( (2) )磁致伸缩型超声波磁致伸缩型超声波换能器换能器 其工作原理是基于其工作原理是基于对磁性材料加上磁场后，就对磁性材料加上磁场后，就在磁场方向产生应变的在磁场方向产生应变的磁致磁致伸缩效应伸缩效应和加上应力后就发和加上应力后就发生磁化的生磁化的逆磁致伸缩效应逆磁致伸缩效应。 图示为典型结构，其上限频率可到图示为典型结构，其上限频率可到100 kHz左左右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器美国蜂鸟美国蜂鸟595C系列鱼群探测器系列鱼群探测器11. .1. .2 超声波传

20、感器超声波传感器 ( (3) )电磁超声换能器电磁超声换能器 特点是超声产生和接特点是超声产生和接收的过程中换能器与媒质表面非接触、无需加声收的过程中换能器与媒质表面非接触、无需加声耦合剂耦合剂( (提高耦合效率，如提高耦合效率，如B超超) )、重复性好、检、重复性好、检测速度高。测速度高。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 如图所示，是洛仑兹力式电磁超声换能器产如图所示，是洛仑兹力式电磁超声换能器产生超声波的原理图。生超声波的原理图。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 ( (4) )激光超声波发生器激光超声波发生器 它是利用激光来产生它是利用激光来产生超声波的。激光可

21、以在固体中产生超声，也可以超声波的。激光可以在固体中产生超声，也可以在气体和液体中产生超声。产生机理主要是热弹在气体和液体中产生超声。产生机理主要是热弹性膨胀机理，脉冲激光将引起振动。性膨胀机理，脉冲激光将引起振动。 对于图示压电式超声波探头，超声波频率与对于图示压电式超声波探头，超声波频率与晶片厚度晶片厚度d、纵波波速、纵波波速c、密度、密度r r的关系为：的关系为：11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器)4 .11( )1(22时ndcdncf式中，式中，n为谐波级数，为谐波级数，n1, ,2, ,3, ,11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .1 超声波的基本

22、性质超声波的基本性质11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 1. .超声波测量厚度超声波测量厚度 超声波测厚主要有超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干脉冲回波法，共振法、干涉法涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。等几种。应用较广的是脉冲回波法。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 如图所示，测量时超声波探头与被测物体表如图所示，测量时超声波探头与被测物体表面接触；主控制器控制发射电路发射一定频率的面接触；主控制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号，

23、激发探头发射超声波脉冲进入试件，脉冲信号，激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后反射回来，并由同一探头接收。到达底面后反射回来，并由同一探头接收。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 测出从发射到接收的时间间隔测出从发射到接收的时间间隔t，则试件厚，则试件厚度为：度为：)5 .11(2/ctH 11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 2. .超声波物位传感器超声波物位传感器 它它是利用超声波在两种介质的分界面上的反是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性

24、制成的。根据发射和接收换能器的功能，射特性制成的。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为传感器又可分为单换能器单换能器和和双换能器双换能器。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 超声波发射和接收换能器可设置在液体中，超声波发射和接收换能器可设置在液体中，让超声波在液体中传播。由于在液体中衰减比较让超声波在液体中传播。由于在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。发射和接收换能器也可以安装在液面上方，播。发射和接收换能器也可以安装在液面上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维让超声波在空气中传播，这种

25、方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 对于图示单换能器来说，超声波从发射到液对于图示单换能器来说，超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为：面，又从液面反射到换能器的时间为：)6 .11(2ht 11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 对于图示双换能器来说，液位高度为：对于图示双换能器来说，液位高度为：)7 .11(222ath 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会特点，但若液

26、体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。有较大的误差。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 3. .超声波流量传感器超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的，超声波流量传感器的测定原理是多样的， 如如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波超声波传输时间差法传输时间差法，它利用的是超声波在静止流体和，它利用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。流动流体中的传输速度不同。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用

27、 在流体的上、下游相在流体的上、下游相距距L设置两个超声波传感设置两个超声波传感器，它们既可发射又可接器，它们既可发射又可接收超声波。设顺流方向的收超声波。设顺流方向的传输时间为传输时间为t1，逆流方向，逆流方向的传输时间为的传输时间为t2，流体静，流体静止时的超声波速度为止时的超声波速度为c，流体流动速度为流体流动速度为 ，则：，则：cLtcLt21,11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一般来说，一般来说， c，得：，得：2221222cLcLcLcLtt则：则：tLc2211. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用在实际应用中，超在实际应用中，超声波传

28、感器安装在管道声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动声波不会给管路内流动的流体带来影响。但公的流体带来影响。但公式需相应地改变。式需相应地改变。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 4. .超声波探伤超声波探伤 超声波探伤主要是通过测量信号往返于表面超声波探伤主要是通过测量信号往返于表面和缺陷之间的时间，来确定缺陷和表面之间的距和缺陷之间的时间，来确定缺陷和表面之间的距离；测量回波信号的幅度和改变发射换能器的位离；测量回波信号的幅度和改变发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和方位。这就是通常所

29、说置，来确定缺陷的大小和方位。这就是通常所说的脉冲反射法或的脉冲反射法或A扫描法。此外还有扫描法。此外还有B扫描法、扫描法、C扫描法、扫描法、D扫描法等。扫描法等。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一种多功能超声一种多功能超声诊断系统如图所示。诊断系统如图所示。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 5. .在医疗领域的应用在医疗领域的应用 超声波在医疗领域有非常广泛的应用，超声波在医疗领域有非常广泛的应用，可用于疾病诊断和治疗。可用

30、于疾病诊断和治疗。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 6. .超声波测速超声波测速 利用利用超声波的多普勒效应，可以测量车速。超声波的多普勒效应，可以测量车速。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用第第11章章 波式波式、射线式和射线式和红外红外传感器传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .4 红外传感器红外传感器

31、11. .5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例11. .2 微波式传感器微波式传感器 1. .微波式传感器的微波式传感器的优点优点 ( (1) )测量具有非接触性，可进行活体检验，测量具有非接触性，可进行活体检验，大部分测量不需要取样。大部分测量不需要取样。 ( (2) )能够适应恶劣环境下的检测。如高温、能够适应恶劣环境下的检测。如高温、高压、有毒、放射性环境及恶劣天气等。高压、有毒、放射性环境及恶劣天气等。11. .2 微波式传感器微波式传感器 2. .微波式传感器的微波式传感器的缺点缺点 ( (1) )零点漂移和标定问题尚未获得较满意的零点漂移和标定问题尚未获得较满意

32、的解决。解决。 ( (2) )受外界影响的因素比较多，如温度、受外界影响的因素比较多，如温度、压压力、取样位置等。此外，一般价格昂贵。力、取样位置等。此外，一般价格昂贵。11. .2 微波式传感器微波式传感器一些应用如图所示。一些应用如图所示。11. .2 微波式传感器微波式传感器 一种用于自动门的微波传感一种用于自动门的微波传感器及微波感应控制器如图所示。器及微波感应控制器如图所示。用途：适用于宾馆、银行、办公用途：适用于宾馆、银行、办公楼、工厂等出入人员较多场所的楼、工厂等出入人员较多场所的自动门。自动门。11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性

33、质与特点11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波是波长为微波是波长为1 mm1 m的电磁波。的电磁波。11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波可细分为三个波段：分米波、厘米波、微波可细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波毫米波( (甚至还包括亚毫米波甚至还包括亚毫米波) )。既具有电磁波的。既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质。微性质，又不同于普通无线电波和光波的性质。微波具有下列特点：波具有下列特点：定向辐射装置容易制

34、造；定向辐射装置容易制造；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；传传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强输特性好，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介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波

35、振荡器与微波天线 微波振荡器微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高长很短，频率很高( (300 MHz300 GHz) )，要求，要求振荡回路具有非常微小的电感与电容。故不能用振荡回路具有非常微小的电感与电容。故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波普通电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有振荡器的器件有调整管调整管，磁控管磁控管或或某些固体元件某些固体元件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管波导管( (波长在波长在10 cm以上可用同轴线以上可用同轴线) )传输，并通过传输，并通过微波微

36、波天线天线发射出去。发射出去。11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线应具有特殊的结构应具有特殊的结构。常用的有喇叭型天线、抛物。常用的有喇叭型天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。面天线、介质天线与隙缝天线等。( (a) )扇形喇叭天线；扇形喇叭天线；( (b) )圆锥形喇叭天线；圆锥形喇叭天线；( (c) )旋转抛物面天线；旋转抛物面天线； ( (d) )抛物柱面天线抛物柱面天线 11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点11. .2. .

37、2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 1. .微波传感器微波传感器 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置，量的器件或装置，通常由通常由微波振荡器微波振荡器、微波天线微波天线以及以及微波检测器微波检测器三部分组成。三部分组成。由发射天线发出微由发射天线发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率发生变化。利用接收天线，接收通过或反射回来发生变化。利用接收天线，接收通过或反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理的微波，并将它

38、转换为电信号，再经过信号调理电路，即可显示出被测量，实现微波检测。电路，即可显示出被测量，实现微波检测。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 根据其工作原理，微波传感器可分为根据其工作原理，微波传感器可分为反射式反射式和和遮断式遮断式两类。两类。 ( (1) )反射式微波传感器反射式微波传感器 它它是通过检测被测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来测量物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。可测量物体的位置、位移、厚度等。被测量的。可测量物体的位置、位移、厚度等。 ( (2) )遮断式微

39、波传感器遮断式微波传感器 它是通过检测接收它是通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接天线接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体或被测物体的厚度、含收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。水量等参数的。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 2. .微波传感器的应用微波传感器的应用 ( (1) )微波液位计微波液位计 它由相互构成一定角度、它由相互构成一定角度、相距为相距为s的发射天线与接收天线构成。的发射天线与接收天线构成。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 微波传播的距离为：微波传播的距离为：2

40、222422dsdsa11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 波长为波长为l l的微波从被测液面反射后进入接收的微波从被测液面反射后进入接收天线。天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异低不同而异。接收天线接收到的功率为：。接收天线接收到的功率为：)8 .11(4422rtt2rdsGGPPl 式中，式中，Pt为发射天线发射的功率；为发射天线发射的功率；Gt为发射天线为发射天线的增益；的增益；Gr为接收天线的增益。为接收天线的增益。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 ( (2) )微波物位计微波物位计

41、图示为微波开关式物位计图示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时，接收天线接收到的示意图。当被测物位较低时，接收天线接收到的功率为：功率为：)9 .11(4rtt20GGPsPl11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 当被测物位升高到天线所在高度时，微波束当被测物位升高到天线所在高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率为：率为：)10.11(0rPP式中，式中， 是由被测物形状、材料性质、电磁性能是由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。等因素决定的系数。 11. .2. .3 微波传感器及其应用微波

42、传感器及其应用 图示为一种新型的导图示为一种新型的导向微波式物位测量仪。极向微波式物位测量仪。极短的微波脉冲沿着一根钢短的微波脉冲沿着一根钢缆、套管、或钢棒发射出缆、套管、或钢棒发射出去，接触到介电常数不同去，接触到介电常数不同的介质后被反射回来。的介质后被反射回来。 通过一种特殊的扫描技术可通过一种特殊的扫描技术可高精度地测量很高精度地测量很短的微波运行时间短的微波运行时间。通过计算微波的运行时间，。通过计算微波的运行时间，可计算出到介质的距离。可计算出到介质的距离。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 ( (3) )微波测厚仪微波测厚仪 在被测金属上、下两面各在被测金

43、属上、下两面各安装一个终端器。微波传输路线如图所示，被测安装一个终端器。微波传输路线如图所示，被测金属厚度增大时微波电行程长度将减小。金属厚度增大时微波电行程长度将减小。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 这个这个电行程长度变化是十分微小的电行程长度变化是十分微小的。为此，。为此，常采用常采用微波自动平衡电桥微波自动平衡电桥。左边为测量臂，右边。左边为测量臂，右边为参考臂。参考臂中微波传输路线如图所示。为参考臂。参考臂中微波传输路线如图所示。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 若测量臂和参考臂电行程完全相同，则反相若测量臂和参考臂电行程完全相同，

44、则反相迭加的微波经检波器检波后，输出为零，电桥平迭加的微波经检波器检波后，输出为零，电桥平衡；若二者电行程长度不同，则有输出。衡；若二者电行程长度不同，则有输出。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 此差值信号经放大后控制可逆电机，使补偿此差值信号经放大后控制可逆电机，使补偿短路器产生位移，改变参考臂的电行程，直到测短路器产生位移，改变参考臂的电行程，直到测量臂与参考臂电行程完全相同为止。量臂与参考臂电行程完全相同为止。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 补偿短路器位移与被测金属厚度增量之间的补偿短路器位移与被测金属厚度增量之间的关系式为：关系式为

45、：式中，式中，LA、LB分别为测量臂和参考臂在电桥平衡分别为测量臂和参考臂在电桥平衡时的电行程长度，且时的电行程长度，且LALB； LA、 LB为电行程为电行程长度的变化值；长度的变化值； h为被测金属厚度变化值，为被测金属厚度变化值， s为为补偿短路器的位移补偿短路器的位移。)11.11(22ABAABBhLsLLLLL11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 ( (4) )微波湿度传感器微波湿度传感器 水分子是极性分子，常水分子是极性分子，常态下成偶极子形式，分布杂乱无章。当微波场中态下成偶极子形式，分布杂乱无章。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不有水分

46、子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量断从电场中得到能量和释放能量和释放能量，前者表现为微，前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波信号的衰减。这波信号的相移，后者表现为微波信号的衰减。这个特性可用复数形式的介电常数个特性可用复数形式的介电常数e e来表征，即：来表征，即：eee 式中式中，e e、e e分别为相移和衰减的度量。分别为相移和衰减的度量。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 e e与与e e不仅与测试信号频率有关，还与材料不仅与测试信号频率有关，还与材料有关，所有有关，所有极性分子均有此特性极性分子均有此特性。一般干燥物体，。一般干燥物体，如

47、木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其e e在在15范围内，而水的范围内，而水的e e则高达则高达64。因此，如果材料中含。因此，如果材料中含有少量水分子时，其复合有少量水分子时，其复合e e将显著上升。将显著上升。e e也有类也有类似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可换算出物体的含水量。减量，就可换算出物体的含水量。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用一种德国生产的微波水分测定仪如图所示。一种德国生

48、产的微波水分测定仪如图所示。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 ( (5) )微波传感器控制的自动灯微波传感器控制的自动灯 电路图如图电路图如图所示。其核心器件是所示。其核心器件是RD627微波多普勒效应传感微波多普勒效应传感器模块。器模块。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 该模块由振荡器、发射器、检测器、信号放该模块由振荡器、发射器、检测器、信号放大器、限幅、稳压、延时等电路组成。大器、限幅、稳压、延时等电路组成。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 振荡器产生的微波信号，经环形天线发射出振荡器产生的微波信号，经环形天线

49、发射出去，构成一个覆盖范围大于去，构成一个覆盖范围大于100 m2的微波监控区的微波监控区域，当有人在该区域内走动时，反射回来的微波域，当有人在该区域内走动时，反射回来的微波信号产生频移，该信号经检测器处理后，再经放信号产生频移，该信号经检测器处理后，再经放大，输出一种和人体移动相应的超低频信号。大，输出一种和人体移动相应的超低频信号。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 SA1接通后，接通后，IC1加电处于守候状态。当有人加电处于守候状态。当有人来时，使来时，使IC2内部开关闭合，继电器内部开关闭合，继电器J驱动驱动SA2闭闭合导通，灯泡合导通，灯泡ZD发光。人走后灯泡

50、熄灭。发光。人走后灯泡熄灭。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 ( (6) )微波测定移动物体的速度微波测定移动物体的速度 它是利用雷它是利用雷达能动地将微波发射到对象物，并接收反射波的达能动地将微波发射到对象物，并接收反射波的能动型传感器能动型传感器。若物体到发射天线的距离为。若物体到发射天线的距离为r、相对运动速度为相对运动速度为 ，则由于多普勒效应，反射波，则由于多普勒效应，反射波的频率的频率fr发生偏移，发生偏移，frf0fD，fD是多普勒频移，是多普勒频移，可表示为：可表示为：cff0D211. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .1 微波的性质与

51、特点微波的性质与特点11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .4 红外传感器红外传感器11. .5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器 核辐射式核辐射式( (射线式射线式) )传感器是根据被测物质对传感器是根据被测物质对核辐射的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质核辐射

52、的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质的电离激发作用而进行工作的。的电离激发作用而进行工作的。11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 1. .同位素同位素 凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称之为元素周期表中占同一位置，称之为同位素同位素。当没。当没有外因作用时，有的同位素的原子核会自动发生有外因作用时，有的同位素的原子核会自动发生

53、衰变并放出射线，这种同位素就称为衰变并放出射线，这种同位素就称为放射性同位放射性同位素素。其衰减规律为：。其衰减规律为：)12.11(e0tlaa式中，式中，a a0、a a分别为初始时与经过时间分别为初始时与经过时间t后的原子后的原子核数；核数；l l为为衰变常数衰变常数。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 常用和常用和l l有关的另一个常数即有关的另一个常数即半衰期半衰期t t来表来表示放射性同位素的原子核数衰变到一半时所需示放射性同位素的原子核数衰变到一半时所需要的时间，可求出要的时间，可求出t t为：为：)13.11(693. 02lnllt t t

54、和和l l都是不受任何外界作用影响而且和时间都是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量。但是，不同放射性元素的无关的恒量。但是，不同放射性元素的t t和和l l是不是不同的。同的。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 2. .核辐射核辐射 放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子束或射线，这种现象称为带有一定能量的粒子束或射线，这种现象称为核核辐射辐射。其放出的粒子束或射线有以下几种：。其放出的粒子束或射线有以下几种：11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 ( (1) )a

55、 a粒子粒子 质量为质量为4.002775 u，带有，带有2个正电个正电荷，亦即氦原子核。放射出荷，亦即氦原子核。放射出a a粒子后同位素的原粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一种元素。子序数将减少两个单位而变为另一种元素。a a粒粒子具有子具有40100 MeV的能量，在空气中射程为几的能量，在空气中射程为几cm到十几到十几cm，主要用于气体分析，测量气体压，主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。力、流量等。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 ( (2) )b b粒子粒子 它它实际上是高速运动的电子，质实际上是高速运动的电子，质量为量为0.00

56、0549 u，带有一个单位的负电荷，能量，带有一个单位的负电荷，能量为为100 keV几几MeV，运动速度比，运动速度比a a粒子高很多，粒子高很多，接近光速，在气体中的射程可达接近光速，在气体中的射程可达20 m。b b衰变是衰变是原子核中的一个中子转变成一个质子而放出一个原子核中的一个中子转变成一个质子而放出一个电子的结果。放射出电子的结果。放射出b b粒子后同位素的原子序数粒子后同位素的原子序数将增加一个单位而变为另一种元素。将增加一个单位而变为另一种元素。b b粒子用于粒子用于测量材料厚度、密度等。测量材料厚度、密度等。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理

57、基础 ( (3) ) 射线射线 它是一种电磁辐射。原子核从不它是一种电磁辐射。原子核从不稳定的高激发态在极短时间内稳定的高激发态在极短时间内( (1014 s) )将多余能将多余能量以电磁辐射量以电磁辐射( (光子光子) )形式放射出来，跃迁到稳定形式放射出来，跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成的的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成的过程称为过程称为 衰变衰变( (或称或称 跃迁跃迁) )，射出的射线称，射出的射线称 射线射线或或 光子光子。 射线的波长较短射线的波长较短( (约约10101012 m) )，不带电，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体不带电，能穿透几十厘米厚

58、的固体物质，在气体中射程达数百米。根据中射程达数百米。根据 辐射穿透力强这一特性来辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 放射性的强弱称为放射性的强弱称为放射强度放射强度( (或或核辐射强核辐射强度度) )，常以单位时间内发生衰变的次数表示。，常以单位时间内发生衰变的次数表示。放射强度也随时间按指数规律而减少，即：放射强度也随时间按指数规律而减少，即：)14.11(e0tIIl 放射强度的单位是放射强度的单位是居里居里( (Ci) )。1 Ci等于放等于放射源每秒钟发生射源

59、每秒钟发生3.71010次核衰变。在检测仪次核衰变。在检测仪表中，表中，Ci单位太大，通常用它的千分之一来单位太大，通常用它的千分之一来表示，称为表示，称为毫居里毫居里( (mCi) )。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 3. .核辐射与物质间的相互作用核辐射与物质间的相互作用 主要是电离、吸收和反射。主要是电离、吸收和反射。 ( (1) )电离作用电离作用 当具有一定能量的带电粒子当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，通过和物质相互作用不断地损失穿透物质时，通过和物质相互作用不断地损失能量，带电粒子的速度越来越小，在它们经过能量，带电粒子的速度越来越小，在

60、它们经过的路程上形成许多离子对，这即是电离作用。的路程上形成许多离子对，这即是电离作用。这是带电粒子和物质相互作用的主要形式这是带电粒子和物质相互作用的主要形式。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 a a离子由于能量、质量和电荷量大，故电离子由于能量、质量和电荷量大，故电离作用最强，但射程较短。离作用最强，但射程较短。 b b离子质量小，电离能力比同样能量的离子质量小，电离能力比同样能量的a a粒子要弱。由于粒子要弱。由于b b离子易于散射，所以其行程是离子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。弯弯曲曲的。 粒子几乎没有直接电离作用。粒子几乎没有直接电离作用。1