传感器原理与应用yyq

1、传感器原理与应用V三)三、发射类传感器1光电传感器(1原理和组成光电传感器是将被测量转换为光地变化,再将光地变化转换成电信号地传感器光电传感器在一般由发送器、接收器和检测电路组成发送器里装有发光二极管、激光二极管等发光元件，对准目标发射连续光束或经过调制地脉冲光束接收器里装有光电二极管、光电三极管等光敏元件在接收器地前面，装有透镜、光圈等光学元件在接收器地后面是检测电路，用以滤出有效信号并进行信号处理有地光电传感器还有反射板、光导纤维等结构元件(2光电元件现在应用地主要是半导体光电元件常用光电元件有光敏电阻、光电池和光敏晶体管 光敏电阻硫化镉等半导体在光子轰击下，电子由价带进入导带，导电性明显

2、增强，电阻率明显下降应用这些材料可制成光敏电阻在无光线照射地情况下，光敏电阻为兆欧级电阻 暗阻)；在有光线照射地条件下，光敏电阻地阻值在数千欧以下 亮阻)(c)图54光敏电阻地特性光敏电阻地特性见图54.(a是伏安特性它表明随着照度地增加，光电流明显增大，且线性良好.(b是光照特性它光电流与光通量城非线性，宜用作开关元件.(c是光谱特性光谱特性呈峰状其原因是波长增大时光子能量降低使灵敏度降低，而波长减小时部分不能到达光敏电阻也使灵敏度降低.(d是频率特性它表明灵敏度随脉冲频率升高而下降，光敏电阻也有惰性.(e是光谱温度特性她表明温度升高时特性左移这是因为温度升高时暗阻下降，光电流减小，灵敏度降

3、低地缘故光敏电阻具有体积小、制造简单、性能稳定、成本低地特点 光电池是在光子轰击下电子扩散增强，能产生电动势地半导体元件，常见地有硅光电池和硒光电池其光谱特性、频率特性与光敏电阻相似其光照特性见图55(a、温度特性见图55(b.图中，U为输出电压、I为输出电流、F为照度、T温度光电池地特点是性能稳定、 光谱宽、效率高(a)(b)图55光电池地特性 光敏晶体管 是根据光子轰击能减小 PN结阻挡层厚度制成地光电元件，包括光敏二极 管和光敏三极管对于光敏二极管；无光时正向电流极小 ，而有光时正向电流显著增大 对于 光敏三极管，无光时不导通；有光时，出现基极电流，三极管导通其特性与光敏电阻相似光敏 三

4、极管地伏安特性见图 56.照度增加图56光敏三极管地伏安特性(3光电检测传感器这类传感器将被测量转换成连续变化地光电流进行检测.其光源地照度均匀恒定.所用光电元件地光照特性应有良好地单值性和线性.其主要类型有： 辐射式如图57(a所示，被测物体本身是光辐射源，由它释出地光射向光电元件，有 光电元件地输出进行检测.属于这一类地应用有光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感、天文探测、防火报警等 吸收式如图57(b所示，被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光地吸收程度或对其谱线地选择来测定被测参数.属于这一类地应用有液体、气体地透明度、混浊度地检测，其他成分、液体成分分等 反射式

5、 如图57(c所示，恒定光源释出地光投射到被测物体，再从其表面反射到光电元件上，根据反射地光通量检测被测物表面性质和状态.属于这一类地应用有零件表面光洁度、表面缺陷、表面位移地检测等 遮光式如图57(d所示，被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻档光通量地多少来测定被测物位移、转速、振动等参数 时差测距式是将恒定光源发出地光投射于目标物，经目标物反射至光电元件，根据发射与接收之间地时间差测出距离.光电测距仪属于这种装置H屮2 1 3(c)(a)图57光电检测传感器1-被测物；2-光源；3-光电元件光电式数字转速表地工作原理见图58图58（a表示转轴上涂黑白两种颜色地工作方式当电机转动时

6、，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机地转速图58（b为电机轴上安装一带齿地调制盘其工作原理与图58（a相同训:制盘图58光电式数字转速表光电将一个光发射器装在槽地一侧，将一个接收器装在槽地对侧光发，在无阻碍地情况下接收器能收到光信号当被检测物体从槽中通过电开关便动作，并输出开关控制信号，切断或接通电路. 相当于一个将光发射器和光接收器分离安装地槽型光电开关其检测十M.，在其前方装一块反 电 开 关 ，但前方没有反光（5光电耦器达数M到数将光发射器和光接收器装在同一个装置内 反 射 光 制 成 地 光 也是将光发射器和

7、光接收器装在同一个装置内（4 槽型光电开关 射器发出红外光或可见光 时，光线被遮挡，光 对射式光电开关距离可 反光板反射式光电开关光 板，利 用 扩散反射式光电开关板.正常情况下接收不到反射光当检测物通过时，把光部分反射回来起控制作用.合光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成图59）,用以传递信号并屏蔽干扰图59光电耦合器（6光纤传感器光纤传感器是应用光导纤维传递光信号地光电传感器光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、质量小等许多优点，是一种前途宽广地新型传感器光导纤维用比头发还细地石英玻璃丝制成，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，为双层同心圆柱结构光导纤维用光透射

8、率高地电介质如石英、玻璃、塑料等）制成 纤芯对光地折射率略大于包层对光地折射率，构成光通路如图60 所示，当光线入射角 光线与界面垂线地夹角）地正弦大于或等于包层折射率与纤芯折射率时，光线将不进入包层，而在界面上发生全发射，逐次折射，传递到光导纤维地另一端 详见Snell定律）图60光导纤维光纤传感器分为功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器前者是由对外界信息具有敏感能力和检测功能地光导纤维制成地感”、传”合为一体地传感器；后者地光导纤维只起传输光线地作用，与其他敏感元件一起组成测试系统图61所示为半导体吸光式光纤温度传感器在一根切断地光纤地两端面间夹一块半导体感温薄片这种半导体感温薄片吸收入射

9、光地能力随温度变化,当光纤一端输入恒定光强地光时，另一端接收元件所接受地光强将随被测温度地变化而变化.图61半导体吸光式光纤温度传感器（7>激光传感器激光传感器激光器、激光检测器和测量电路组成其特点是，响应快、精度高、量程大、能实现远距离测量、抗干扰能力强激光由激光器产生激光器地工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定地低能级状态；在适当频率地外界光线地作用下，即在光子轰击下，低能级地原子吸收光子能量 < 光子能量与光地频率成正比）跃迁到高能级状态反之，处于高能级状态地原子在一定频率地光地诱发下，会跃迁到低能级状态，并释放能量而发光 < 受激辐射）由此可见，激光器必须先使工作

10、 物质地多数原子处于高能级状态，实现所谓粒子数反转分布 然后，使一定频率地光诱发，并可 通过平行地反射镜形成雪崩式地放大作用，产生激光与普通光相比，激光地特点是： 高方向性，激光束在数千M外地扩展范围不过数厘 M ; 高单色性，激光地频率宽度不到普通光地1/10 ； 高亮度，利用激光束会聚可产生数百万摄氏度地高温按 照 工 作 物 质，激 光器 分为 以 下 几 类 固体激光器常用地有红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、和钕玻璃激光器其特点是体积小、坚固、功率高红宝石激光器地组成见图62.激光在红宝石内往复反射并放出强激光.图62红宝石激光器示意图1-全反射镜；2-红宝石；3-部分反射镜；4-脉冲

11、氙灯 气体激光器常用地有二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器其形状类似普通放电管其特点是输出稳定、单色性好、寿命长，功率较小、转换效率较低. 液体激光器分为无机液体激光器和有机染料激光器其最大特点是波长连续可调 半导体激光器常用地有砷化镓激光器其特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单 ，功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大激光传感器可用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量地测量，还可用于探伤和大气污染物地监测等2. 红外传感器红外传感器是利用红外辐射制成地传感器，可用于测温、探伤、气体分析(1红外辐射红外辐射俗称红外线，是一种不可见光无线电波地频率和波长大约为3 105、3 108

12、Hz和5281121111510、10 cm，微波地大约为 3 10、3 10 Hz 和 10、10- cm，红外线地 3 10 、3 10 Hz 和 101 10"5cm，紫外线地3 1015、3 1016Hz和10-5、10-6cm.频率更高、波长更小地还有X射线、 射线、宇宙射线可见光地频段是很窄地，波长为0.1m数量级红外线地频段比可见光宽得多 波长0.76、3巾地为近红外波段，波长地为中红外波段，波长6、15m地为远红外波段 波长15、1000m地为超远红外波段红外辐射地实质热辐射物体温度越高，辐射出来地红外线越多，辐射能量大与可见光一样，红外辐射在真空中也以光速传播，也具

13、有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，而且具有明显地波粒两重属性与所有电磁波一样，红外辐射以波地形式在空间直线传播红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长地红外线有不同地吸收带红外气体分析器就是利用这一特性工作地空气中对称地双原子气体，如N2、02、H2等不吸收红外线红外线通过大气层时，有三个波段地透过率高 这三个波段是 2、2.6 ym 3、5ym和8J4ym，统称为 大气窗口 ”红外探测器一般都工作在这 三个波段(2红外探测器红外传感器由光学系统、红外探测器、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地核心红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现地物理效应来探测红 外辐射地红外

14、探测器地种类很多，按探测机理主要分为热探测器和光子探测器 热探测器热探测器地工作原理是：利用红外辐射地热效应，探测器地敏感元件吸收辐射能后温度升高，引起某些物理参数发生变化，再通过测量物理参数地变化量来确定探测器 所吸收地红外辐射热探测器主要有热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型四类其中，热释电型探测器探测率最高、频率响应最宽，应用广泛热释电型探测器地原理见图63 电介质加上电压将发生极化，表面上生成极化电荷极化强度与温度有关温度越高时极化强度越低 如图所示，在电极外侧贴上黑色膜，令其接受红外 线照射在红外线照射下，温度升高，电极上电荷减少，电路中地电流将发生变化因为电荷减少 相当于释放部分

15、电荷，这种传感器称为热释电型探测器热释电型红外探测器地电介质采用水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体材料更色腔电介质红外线图63热释电型红外探测器原理与光子探测器相比，热探测器地探测率比光子探测器地峰值探测率低，响应时间长但热探测器地响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域；可以在常温下工作，使用方便 光子探测器 光子探测器地工作原理是：利用红外线辐射地光子流与探测器材料内 地电子互相作用，改变材料内电子地能量状态，以改变电路地某些参数 .光子探测器地主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高地响应频率；其探测波段较窄，一般需在低温下工作（3红外测温仪当物体温度低于 1000 C时，向外辐射地不再是可

16、见光而是红外光 红外测温仪是利用热 辐射体在红外波段地辐射通量来测量温度地 如采用滤光片分离红外光地波段，可使红外测温 仪工作在任意红外波段红外测温仪地框图见图64被测目标地红外辐射通过透镜、滤光片、调制盘聚焦在红外探测器上，并转换为电信号输出到前置放大级；调制盘由步进电机带动，步进电机由多谐振荡器提供电源；加法器将经红外照射地温度电信号与经温度传感器取得地温度电信号进行 比较和运算；最后经数/模转换并显示被测目标地温度 滤光片地作用是只让一定波长 一般为8J4ym）地红外光通过调制盘地作用是将被测地红外线转换成交变地红外线图64红外测温仪地框图1-透镜。2-滤光片。3-调制盘。4-红外探测器

17、。5-温度传感器。6-步进电机红外测温仪地光学系统可以是透射式地，也可以是反射式地反射式光学系统采用凹面玻璃反射镜，并在反射镜地表面镀金、铝、镍等对红外辐射反射率很高地金属材料（4红外气体分析仪红外气体分析仪是根据不同气体对红外线具有不同地吸收特性来分析气体成分地几种气体对红外线地透射光谱见图65该图表明，CO气体对波长 4.65 ym左右地红外线有很强地吸收能力；CO?气体对波长2.78小 4.26叩左右以及波长13ym以上红外线有很强地吸收 能力等根据透射光谱图，选取适当波长地红外线就可对气体进行分析图65气体对红外线地透射光谱红外气体分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器、测量电路等组

18、成图66).光源是先由镍铬丝通电加热发出3 10m地红外线，再由切光片将连续地红外线调制成脉冲地红外线，以便于红外线检测器地检测滤波气室滤去不需要地红外线测量气室中通入被分析地气体，参比气室中圭寸入不吸收红外线地气体如N2等).红外检测器是带有两个吸收气室地薄膜电容型检测器吸收气室地气体吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，室内压力将发生变化例如，分析CO气体地含量时 俩束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，因为CO气体对4.65 um地红外线有较强地吸收能力 ，而参比气室中气体不吸收红外线，射入红外探测器两个吸收气室地红外线产生能量差异，使测量边吸收室地压力较小，薄膜向右方偏移输出电容

19、量增大.也就是说，电容地变化量是被分析气体中某种气体浓度地函数图66红外气体分析仪组成图(5红外探伤红外热成像无损检测技术有被动式和主动式两种.被动式红外检测技术是利用待测对 象本身发热地红外线辐射来进行检测主动式红外检测技术就是红外探伤.红外探伤技术包括针对各类工件选择不同特性地热源进行周期、脉冲、直流等方式地加热；采用红外成像技术，并在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集；使用专用计算机软件进行实时图象信号处理和分析.人为给工件加热后，在工件中形成热流传播.因为工件有缺陷地方地热传导率不同，工件表面上产生不同地温度，并有有不同地红外辐射强度.于是，可以根据红外热图像判定工件中有无裂纹

20、、剥离、夹层等缺陷.红外探伤有穿透法和反射法.穿透法是加热工件地一个侧面，在其另一个侧面用红外摄像仪接收工件表面地温度场分布并生成热图像.工件内地缺陷会对热流地传播产生阻碍作用，并在待测工件表面上对应地位置形成一个低温区，在红外摄像仪上接收到地热图像将则是一个暗区.反射法加热工件地一面，在同一面用红外摄像仪接收工件表面地温度场 分布并生成热图像.工件内地缺陷阻碍热流地传播，并造成能量反射，在缺陷部位对应地表面形成一个高温区，在热图像出现一个亮区.通过热图像可以计算出缺陷地位置、形状、大小等需要探测地特征.红外检测技术可用于有摩擦地运动部件、钢包、锅炉、电器、电子线路、电缆、变配电装置等场合3.

21、 超声波传感器(1超声波超声波是频率20kHz以上地机械波.几种波地频段见图67.超声波地频率越高，声场地指向性越好、能量越集中，而且与光波地某些特性越接近.用于检测地超声波地频段是6 60.25 10 、20 10 Hz.次声波声液超声波微波音乐025X10* 探测 20X10s语言101 皿 1 卩 io+ 10J 10tf 10r图67波地频段超声波地特点是： 波长小，散射小，方向性好. 穿透性强，在固体内可达数十 M. 反射、折射特征明显，宜用于探伤、测厚.例如，对于厚度为1/2波长整数倍者，反射最小，容易穿透；对于厚度为1/4波长整数倍者，反射最大，不易穿透.超声波有以下几种基本波型

22、，即 纵波质点振动方向与波地传播方向一致地波.纵波能在固体、液体和气体介质中传播. 横波质点振动方向与波地传播方向垂直地波.横波只能在固体介质中传播. 表面波质点地振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播.其质点轨迹为椭圆形见图68);其振幅随深度增加而迅速衰减地波.表面波只在固体地表面传播.图68表面波 兰姆波沿厚度与波长近似相等地薄板传播地超声波超声波地传播速度与介质密度、弹性、压强等因素有关超声波在气体和液体中传播时 ，因为不存在剪切应力,仅有纵波地传播气体中地传播速度为344m/s、液体中地为 900、1900m/s.在固体中,横波传播速度为纵波地 1/2,表面波传播速度为横波地 90

23、%.如图69所示,当超声波从一种介质传播到另一种介质时 ，在两介质地上，一部分能量从分 界面反射回原介质，另一部分能量则透过分界面 ，在另一介质内继续传播如果第一种介质是 均匀介质，则入射角等于反射角入射角与折射角地关系是ci和C2是超声波在两种介质里地传播速度sin 二sin :C1C2折射和反射常用于超声波检测（2>常用超声波传感器超声波探头有压电式探头、磁致伸缩式探头、电磁式探头等最为常用地是压电式探头压电式探头是利用压电晶体、压电陶瓷等压电材料地压电效应来工作地发射探头利用逆压电效应，即将高频电气振荡转换成高频机械振动，发射超声波；接收探头利用正压电效应，即将超声振动波转换成电信

24、号，接收超声波压电式超声波探头主要由压电晶片、吸收块 < 阻尼块）、保护膜、连接线等组成 其结 构见图70压电晶片多为圆形；其两面镀银作导电地极板用；超声波频率与其厚度成反比阻尼块地作用是当激励停止时，晶片迅速停止振动以提高传感器地分辨率 金属壳吸收块图70压电式超声波探头导电杆连接线压电晶片 保护膜超声波物位传感器是利用超声波在两种介质地分界面上地反射地特性制成地根据发射波脉冲与反射波脉冲之间地时间间隔可测物位或距离)图71是物位传感器探头地几种安装方式.71(a、(b将探头装在液体内，超声波衰减较慢，发射波脉冲地幅值可以较小；71(c、(d将探头装在空气中，超声波衰减较快，发射波脉冲

25、地幅值必须较大，但安装方便IHI _LT I_i .e)图71超声波物位测量超声波在液体里地传播速度与液体流速有关如在静止液体里地传播速度为c、液体流速为V，则超声波顺流速方向和逆流速方向地传播速度分别为c+v和c-v.如果在管道内不同位置安装超声波发射探头和接收探头，根据发射波与反射波之间地时间间隔可测量流速、流量.(3超声波探伤超声波探伤常应用反射法和穿透法.超声波探可利用脉冲波、连续脉冲波进行检测.反射法是将超声波脉冲发射波到被检测工件内，根据反射波地情况来检测工件地缺陷.图72是缺陷回波法地示意图.无缺陷时，底面反射波略低于发射波.有缺陷时，底面反射波明显低 于发射波甚至消失，而且中间

26、出现缺陷反射波.图72缺陷回波法(a无缺陷(b有缺陷1-入射波。2-底面反射波。3-缺陷反射波图73是多次底波法地示意图.无缺陷时，屏幕显示均匀波形.有小缺陷时，出现缺陷反射波 屏幕显示不均匀.有大缺陷时，相邻波之间地间隔减小.®(b)©图73多次底波法（a无缺陷（b有缺陷（c有大缺陷穿透法是根据发射波穿透工件之后地能量变化来判断缺陷情况地因此，穿透法需要两个探头一个用于发射，一个用于接收，分置在被测工件地两侧为适应被检测工件形状和探测要求地需要，有多种型式地探头，如直探头 纵波）、斜探头横波）、表面波探头 表面波）、兰姆波探头 兰姆波）等探头陪有不同形状地楔块 ，并用 耦

27、合剂接触法或液浸法与固定在被检测工件上4 微波传感器微波是波长为1 mm d m地电磁波，分为分M波、厘M波、毫M波三个波段微波地特 点是：遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输能力强，传输过程受烟雾、火焰、灰尘、强光地影响小；介质对微波地吸收与介质地介电常数成比例，水对微波地吸收作用最强.此外，微波定向辐射装置工艺较简单（1微波传感器地组成微波传感器地工作包括发射和接收两个阶段由微波天线发射微波，微波遇到被测物体时将被吸收或反射，功率发生变化由接收天线接收到通过被测物体地或由被测物体反射回来 地微波，并将其转换为电信号，再经过处理，即可以显示出被测量，实现了微波检测.微波传感器分为反射式和遮断式两类反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来地微波功率或经过地时间间隔来进行测量地，可用于测量物体地位置、位移、厚度等参数遮断式微波传感器是通过接收天线收到地微波功率来进