传感器技术与应用

1、一、一、 红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在的波长范围大致在0.761000 mm。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即即近红外、中红外、近红外、中红外、 远红外和极远红外。远红外和极远红外。 n3.7 红外传感器和紫外传感器红外传感器和紫外传感器n3.7.1 红外传感器红外传感器 红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是热辐射热辐射，一个炽热物体向，一个炽热物体向外辐

2、射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体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，辐射的能量就的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真它在真空中也以光速传播，并具有明显的空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性波粒二相性。 而红外线在通过大气层时，有三个波段透过而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是率高，它们是22.6m、35 m和和814 m，统称它们为统称它

3、们为“大气窗口大气窗口”。这三个波段对红。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 1. 热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。收的红外辐射。 与光子探测器相比，热

4、探测器的探测率比光子探测器的峰与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 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，便， 应用相当广泛。应用相当广泛。 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型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。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。

5、这里我频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。们主要介绍热释电型探测器。 2. 光子探测器光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探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，从而改变电子的能量状态，引起测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象各种电学现象这种现象称为光电效应。根据所产生的不同电这种现象称为光电效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光电探测器。学现象，可制成各种不同的光电探测器。 光电探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较光电探测器的主要特点是

6、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。高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。 红外传感器红外传感器光子探测器光子探测器（基于光电效应）（基于光电效应）热探测器热探测器（基于热效应）（基于热效应）光电导探测器光电导探测器光伏探测器光伏探测器光电子发射器光电子发射器热电阻辐射计热电阻辐射计热电偶探测器热电偶探测器热释电探测器热释电探测器气动探测器气动探测器 举例举例 1红外气体分析仪红外气体分析仪 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。气体成分进行分析。 例如，二氧化碳对于波长为例如

7、，二氧化碳对于波长为2.7m、4.33m和和14.5m红外光吸收相当强烈，并且吸收谱相当的宽，红外光吸收相当强烈，并且吸收谱相当的宽，即存在吸收即存在吸收带。带。根据实验分析，只有根据实验分析，只有4.33m吸收带不受大吸收带不受大气中其他成分影响，气中其他成分影响，图图 几种气体对红外线的透射光谱几种气体对红外线的透射光谱 100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)23456789 10 11 12 13 14 15 / m23456789 10 11 12 13 14 15 / mCOCO2CH4C2H4C

8、2H6C2H2 举例举例 2红外无损探伤仪红外无损探伤仪 红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。红外无损探伤仪的工作原理如下图所示。结构无任何损伤。红外无损探伤仪的工作原理如下图所示。 举例举例 3辐射温度计辐射温度计 根据维恩位移定律，物体峰值辐射波长根据维恩位移定律，物体峰值辐射波长m与物体与物体的自身的绝对温度的自身的绝对温度T成反比。即：成反比。即：只要测量出辐射体（源）的峰值辐射波长只要测量出辐射体（源）的峰值辐射波长m，即可，即可推测出辐射体的温度。这种测温手段的测温范围可达推测出辐射体的温度。这种测温手段的测温

9、范围可达- -1703200。)(2897mTmn3.7.2 紫外传感器紫外传感器n3.8 表面等离子体谐振检测技术表面等离子体谐振检测技术表面等离子体谐振（表面等离子体谐振（surface plasmon resonance, SPR）技术利用光学原理，对表面微量改变进行检测，）技术利用光学原理，对表面微量改变进行检测，主要用于生物化学量的检测。主要用于生物化学量的检测。1982年，年，Nylander和和Liedberg首次将首次将SPR技术用于技术用于气体检测和生物传感器中。气体检测和生物传感器中。近年来，近年来，SPR传感技术在实现方式、仪器开发和应用传感技术在实现方式、仪器开发和应用

10、领域的拓展上都获得了飞速的发展。领域的拓展上都获得了飞速的发展。光在不同折射率介质界面传播的情况光在不同折射率介质界面传播的情况（全反射）（全反射）n3.8.1 SPR原理简介原理简介Evanescent field, E在光疏介质中的传播在光疏介质中的传播入射光波矢在界面方向上的投影入射光波矢在界面方向上的投影Kx为为sin2pxnK 其中其中为入射光波长，为入射光波长，为入射角，为入射角，np为玻璃折射率。为玻璃折射率。SPW的固有传播波矢的固有传播波矢Ksp满足：满足：112mmspK其中其中m为金属介电常数的实部，为金属介电常数的实部， 1为金属表面光疏为金属表面光疏媒质的介电常数。媒

11、质的介电常数。spxKK时，时，Evanescent Wave与与SPW谐振。谐振。谐振发生以后，入射光能量大部分被谐振发生以后，入射光能量大部分被SPW吸收，使吸收，使得反射光能量急剧下降，从而出现谐振吸收峰，即得反射光能量急剧下降，从而出现谐振吸收峰，即SPR现象。现象。入射角入射角反射光强反射光强sprspr不仅强烈的依赖于金属边界层的物理性质，而不仅强烈的依赖于金属边界层的物理性质，而且更为主要的依赖于直接接触金属膜的临近介质的且更为主要的依赖于直接接触金属膜的临近介质的介电特性。介电特性。SPR可用于测量水溶液中微量乙醇的浓度、检测表可用于测量水溶液中微量乙醇的浓度、检测表面上生物抗

12、原面上生物抗原/抗体分子相互作用的过程等。抗体分子相互作用的过程等。n3.8.2 SPR检测系统的结构形式及应用检测系统的结构形式及应用Kretschmann结构响应曲线根据根据 SPR 激励原理的分析方法：激励原理的分析方法：(1)角度调制法：固定入射光的波长，改变入射角角度调制法：固定入射光的波长，改变入射角度观测反射光的归一化强度。度观测反射光的归一化强度。(2)波长调制法：固定入射光的角度，改变入射光的波长调制法：固定入射光的角度，改变入射光的波长，观测反射光的归一化强度。波长，观测反射光的归一化强度。BiAcore系列系列SPR仪器原理图仪器原理图图图6 （A）在厚度为）在厚度为30

13、0纳米的银薄膜上，利用聚焦离纳米的银薄膜上，利用聚焦离子束挖一个直径为子束挖一个直径为5纳米的孔。周边被一系列同心圆糟纳米的孔。周边被一系列同心圆糟所环绕（两表面上都刻糟），形成所环绕（两表面上都刻糟），形成公牛的眼睛状公牛的眼睛状。它。它的显微像示于此。（的显微像示于此。（B）不同角度下收集的透射谱。）不同角度下收集的透射谱。（C）样品的光学像（）样品的光学像（D）透射强度的分布）透射强度的分布SPPs中光中光透射增强现象透射增强现象光从一单缝，周边是一有限阵列的槽所围绕时，计算得到图样。对于光从一单缝，周边是一有限阵列的槽所围绕时，计算得到图样。对于这个模拟计算，在缝的一边有这个模拟计算，

14、在缝的一边有1010个槽，每一个槽宽度为个槽，每一个槽宽度为40nm40nm和槽深度和槽深度100nm100nm，槽的周期是，槽的周期是500nm500nm。其等轮廓线被画出。对于一波长。其等轮廓线被画出。对于一波长560nm560nm，对，对应于谱透射率一极大值。辐射方向应于谱透射率一极大值。辐射方向Poynting vectorPoynting vector分量的空间依赖性。分量的空间依赖性。兰色表示低强度（兰色表示低强度（3X103X10-4-4 ），红色为高强度（），红色为高强度（1.01.0）。）。SPPs中光中光透射增强现象透射增强现象n3.9 超声波传感器超声波传感器声波：频率在

15、声波：频率在162104 Hz，能为人耳所闻的机械波，能为人耳所闻的机械波次声波：低于次声波：低于16 Hz的机械波的机械波超声波：高于超声波：高于2104 Hz的机械波的机械波微波：频率在微波：频率在310831011 Hz之间的波之间的波 超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。性。 按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用，称之谓波使物体或物件发生变化的功率应用，称之谓功率超功率超声声；利用超声波获取若干信息，称之谓；利用超声波获取若干信息，称之谓检测超声检测超声。

16、这。这两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器 (换换能器或探头能器或探头)来实现。来实现。 一、超声波的基本特性一、超声波的基本特性 超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，果超声波的波长与声场的尺度相比，远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；散； 反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散

17、。于是超声则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用。波在传播过程中产生如下特性和作用。 1超声波的传播速度超声波的传播速度 超声波在介质中可产生三种形式的波：超声波在介质中可产生三种形式的波： n纵波纵波质点振动方向与波的传播方向一致的质点振动方向与波的传播方向一致的 波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播；波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播； n横波横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。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；它只能在固体中传播； n表面波表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面质点的振动介

18、于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表向，短轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。面传播。 超声波与其他声波一样超声波与其他声波一样, 波波速与介质密度和弹性特性有关。速与介质密度和弹性特性有关。 (1) 超声波在气体和液体中超声波在气体和液体中( (纵波纵波) )的传播速度的传播速度CgL为：为： 式中：式中： 介质的密度；介质的密度； Ba 绝对压缩系数

19、（绝对压缩系数（B为容变模量）。为容变模量）。21211 BBCagL (2)超声波在固体中的传播速度超声波在固体中的传播速度 纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在9001900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90。 超声波的反射和折射 图 超声波的反射和折射 21sinsincc超声波的衰减超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰

20、减规律满足以能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：下函数关系：xxeII20 xxePP0式中式中: : xP、 xI 声波在距声源声波在距声源x x处的声压和声强；处的声压和声强； x0P、 0I 声波在声源处的声压和声强；声波在声源处的声压和声强； x 声波与声源间的距离；声波与声源间的距离； 衰减系数。衰减系数。 二、超声波传感器二、超声波传感器 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。来工作的。n压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频

21、机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。声波最强。 n压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。后送到测量电路，最后记录或显示

22、出来。 图13.3 压电式超声波传感器结构图 磁致伸缩式超声波传感器磁致伸缩式超声波传感器 磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的。效应原理来工作的。n磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。n磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导缩材料上

23、时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。或显示出来。 超声波测厚超声波测厚图图13.4 13.4 脉冲回波法检测厚度工作原理脉冲回波法检测厚度工作原理超声波测物位超声波测物位(d)(d) (c)(c) (b)(b) (a)(a) 图图 几种超声波检测物位工作原理几种超声波检测物位工作原理 超声波测流量超声波测流量 超声波测量流体流量是超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传

24、输时，利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。求得流体的流速和流量。n时差法测流量时差法测流量 n相位差法测流量相位差法测流量 n频率差法测流量频率差法测流量 图图 超声波测流体流量工作原理超声波测流体流量工作原理 超声波探伤超声波探伤 n穿透法探伤穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。的变化情况来判断工件内部质量。 n反射法探伤反射法探伤： 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情反射法探伤是根据超声波在工件中反射情

25、况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为为一次脉冲反射法一次脉冲反射法和和多次脉冲反射法多次脉冲反射法两种。两种。穿透法探伤穿透法探伤 n优点：指示简单，适优点：指示简单，适用于自动探伤；可避用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄免盲区，适宜探测薄板。板。n缺点：探测灵敏度较缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相定位；对两探头的相对位置要求较高。对位置要求较高。 图图13.7 13.7 穿透法探伤原理穿透法探伤原理 一次脉冲反射法一次脉冲反射法

26、图图13.8 13.8 一次脉冲反射法探伤原理一次脉冲反射法探伤原理 多次脉冲反射法多次脉冲反射法 图图13.9 13.9 多次脉冲反射法探伤原理多次脉冲反射法探伤原理 辐射温度计辐射温度计 根据维恩位移定律，物根据维恩位移定律，物体峰值辐射波长体峰值辐射波长m与物体的与物体的自身的绝对温度自身的绝对温度T成反比。成反比。即：即：只要测量出辐射体（源）的只要测量出辐射体（源）的峰值辐射波长峰值辐射波长m，即可推，即可推测出辐射体的温度。这种测测出辐射体的温度。这种测温手段的测温范围可达温手段的测温范围可达- -1703200；响应速度；响应速度)(2897mTm 可达几个微秒；可以实现非接触测量，不会破坏温度场，还可以测量几可达几个微秒；可以实现非接触测量，不会破坏温度场，还可以测量几百到上千百到上千Km之外物体的温度。之外物体的温度。 2 2超声波诊断仪超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波( (主要主要采用纵波采用纵波) )，然后接收经人体各组织反射回来的超声，然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组波信号并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常用的有用的有M M型超声波心动图仪