传感与检测技术_09其他传感器

1、第9章 其他传感器 本章将对微波传感器、红外线传感器、视觉传感器、超声波传感器、生物传感器的工作原理和应用进行介绍。9.1 微波传感器v微波是电磁波的一部分，它与红外光、可见光、紫外线、X射线、Y射线、及无线电波一起构成整个无限连续电磁波谱，其波长为1mm1m，如图9.1所示 图9.1 电磁波波谱v微波具有如下一些特点: (1)定向辐射装置容易制造； (2)遇到各种障碍物易于反射； (3)不易产生绕射； (4)传输性好,传输过程中受烟雾、灰尘、强 光等影响很小； (5)传输介质对微波有吸收作用并与其介电 常数成比例，水对微波的吸收作用明显 v微波振荡器是产生微波的装置 v微波波长很短,频率范围

2、为300MHz300GHz .v微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管,传输，并通过天线发射出去,常用的天线如图9.2所示. 图9.2 常见微波天线 v微波传感器是用微波特性来检测一些物理量的装置 ;v微波传感器可分为反射式和遮断式两种 (1)反射式微波传感器 通过检测被测物反射回来的微波功率或从发射微波到接收微波的时间间隔来测量被测物的位置、厚度等参数; (2)遮断式微波传感器 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收天线之间有无被测物或被测物的位置等参数。v微波液位计 图9.3为微波液位计示意图,它由相互构成一定角度、相距为s的发射天线与接收天线组成; 图9.3 微波液位计示

3、意图v接收天线接收到的功率Pr为: 式中： d两天线与被测液面间的垂直距离； Pt发射天线发射的功率； Gt发射天线的增益； Gr接收天线的增益； S发射天线与接收天线之间的直线距离。 v当发射功率、波长、增益均为恒定值时，上式可改写为:22244dSGGPPrttr Kl取决于波长、发射功率和天线增益的常数； K2取决于天线安装方法和安装距离的常数 v微波物位计 图9.4所示为微波物位计示意图22122244dKKdSGGPPrttr图9.4 微波开关式物位计v微波测厚仪 图9.5为微波测厚仪原理图 v该测厚仪是利用微波在传播过程中遇到金属表面被反射的特性进行厚度测量 图9.5 微波测厚仪原

4、理9.2 红外传感器v红外辐射指的是波长从0.761000m，相对应的频率大致在410310Hz之间的红外光.红外光在续电磁波谱中的分布如图9.1所示.v红外光分为三个区域:近红外区、中红外区、远红外区v红外辐射的物理本质是热辐射,其在真空中的传播速度如下式: c= (9-3) 红外辐射的波长(m)； 红外辐射的频率(Hz)； c光在真空中的传播速度，c=310m/s v图9.6为红外线在一海里长度的大气中透过率曲线。 图9.6 红外光经过一海里的长度大气的透过率曲线 v红外辐射源 红外辐射源根据其几何尺寸的大小可分为点源和面源 v辐射强度J是点源在某一指定方向、单位立体角内发射的辐射功率，如

5、下式:图9.7 点源热辐射 (9-4) 为立体角，P为立体角内的发射功率 由式（9-4）可见，点源的幅射强度J仅与方向有关，而与源面积无关PJv基尔霍夫定律 基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能.如下式表示: (9-5) Er 物体在单位面积和单位时间内发射出来辐射能； 该物体对辐射能的吸收系数； E0 等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数 0EErv斯忒藩玻尔兹曼定律 在单位时间内，其单位面积辐射的总能量E为: (9-6)T 物体的绝对温度(K) 斯忒藩一玻尔兹曼常数 比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐 射本领的比值，黑体的 =1v维恩位移定律 热辐射

6、发射的电磁波中包含着各种波长，实验证明，物体辐射峰值波长与物体的自身的绝对温度T成反比,如下式表示: 4TE)/(1067. 5428KmW (9-7)v图9.8给出了不同温度的辐射光谱分布曲线 )(2897mTm图9.8 物体峰值辐射波长与温度关系曲线v热敏红外传感器 热敏红外传感器在吸收红外辐射能后引起某种物理性质的变化，如温差热电变化、金属或半导体电阻变化、气体压强变化、金属热膨胀变化等; 热敏红外传感器有以下几种: 热敏电阻型红外传感器 热电偶型红外传感器 热释电型红外传感器 v光子红外传感器 光子红外传感器是根据光电效应原理制成的.根据材料导电特性不同，光子红外传感器可分为光电导型和

7、光伏特型两种: (1) 光电导型红外传感器 光电导型红外传感器是根据内光电效应制成的 (2) 光伏特红外传感器 光伏特红外传感器是根据光生伏特效应制成的 v红外遥测 运用红外光电传感器遥测装置，可代替空中照相技术，从空中获取地球环境的各种图像资。 图9.9为现代遥测装置普遍应用的行扫描仪结构示意图 图9.9 红外传感器遥感装置示意图v红外气体分析仪 外气体分析仪是根据物质吸收光能特性来进行工作的 图9.10为CO2气体透射光谱图 图9.10 CO2气体透射光谱图vCO2红外气体分析仪的工作原理 如图9.11所示 图9.11 CO2红外气体分析仪原理图9.3 视觉传感器v人工网膜 人工网膜是用光

8、电管阵列代替网膜感受光信号，其最简单的形式是33光电管阵列。 以数字字符1为例，由33阵列得到的正、负像如图9.12所示 图9.12 字符1的33正、负像v输入字符为I，所得正、负像如图9.13所示 v工作时得到数字字符1的输入，其正、负像可与已储存的图像进行比较， 其结果如表9-1图9.13 字符I的33正、负像v光电探测器 v光电探测器件有两种:光导管和光敏二极管 光导管工作机理:其电阻随光照度而变化; 光敏二极工作机理:产生与光照强度成正比的电流 v固态光电探测器件:将单个光敏二极管排列成线性阵列或矩阵阵列，使之具有直接测量或摄像功能;v固态摄影器:做在硅片上的集成电路，硅片上有一个极小

9、的光敏单元阵列和一个存储单元阵列及电荷读出扫描电路;v固态阵列器件包括:自扫描光敏二极管（SSPD）、电荷耦合器（CCD）、电荷耦合光敏二极管（CCPD）和电荷注入器（CID）等v主要区别:电荷形成的方式和电荷读出的方式不同v另一种存储单元阵列:模拟移位寄存器 v双目视觉传感器v结构:由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成 v工作原理:基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，如圆孔的中心、三棱顶点位置等; v机器人的视觉传感器作用的过程如图9.14所示:v客观世界中三维物体经由传感器(如摄像机)转变为二维的平面图像，再经图像处理，输出该物体的图像 图9.14 视觉作用过程9.4

10、超声波传感器v超声波的反射和折射 超声波在传播过程中的路线,如图9.15所示 图9.15 波的反射和折射v图9.15所示中的入射波速,反射波速与折射波用方程式表示如下: (9-8) -入射角 -反射角 -入射波速 C -反射波速 -折射角sinsinccaa21sinsinccaCv超声波的波形及转换 纵波:质点的振动方向与传播方向一致,它能 在固体、液体和气体中传播; 横波:质点的振动方向垂直于传播方向的波, 它只能在固体中传播; 表面波:质点振动介于纵波和横波之间,它只能沿着固体表面传播;v以上各种波形都符合反射及折射定律，如图9.16所示. v公式表示如下: (9-9) 式中: 入射角；

11、 图9.16 波型转换图 sinsinsinsinsin222111SLSLLCCCCC 纵波与横波的反射角； 纵波与横波的折射角 入射介质，反射介质与折射介质内的 纵波速度 反射介质与折射介质内的横波速度 v传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,超声波的纵波在气体中传播速度为344m/s，在液体中传播速度在9001900m/s之间,通常认为横波声速为纵波的一半，表面波约为横波声速的90%。 21,11,SLLCCC32,SLCCv超声波的衰减 超声波在介质中传播时,其能量逐渐衰减,衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关; v距离声源处的声压P和声强I 可用以下式表示:

12、(9-10) (9-11) 式中: 声源处的声压和声强； e自然对数的底； a衰减系数； P，I距离声源处的声压和声强。 axePP0axeII2000, IPv超声波在介质中传播时，会对介质产生机械作用和热学作用: (1)机械作用 在传播过程中，会引起介质质点运动而使介质产生交替的压缩和伸张，从而对介质产生了机械力作用 (2)热学作用 在传播过程中，由于其振动，使介质产生强烈的同频振动，介质之间因振动产生互相摩擦而发热，从而使介质的温度升高 v超声波传感器构成:超声波发生器和超声波接收器,主要由压电晶片、吸收块、保护膜等组成;v如图9.17所示; 图9.17 超声波传感器结构示意图v超声波传

13、感器产生超声波时，是利用逆压电效应原理工作,接收超声波时则利用顺压电效应原理工作.v图9.18所示为其电路示意图:图9.18 超声波传感器电路原理图v超声波测厚 超声波测厚常用的是脉冲回波法.超声波探头与被测物体表面接触,如图9.19所示; 图9.19 脉冲回波法测厚原理图 由上图得出工件厚度可用下式表示: (9-12) C-超声波在工件中的传播速度 t-脉冲波从发射到接收的时间间隔;v障碍物探测 利用超声波检测汽车后面有无障碍物的装置为驾驶员倒车时提供了方便. 其原理如图9.20所示 2ctv超声波液位测量 图9.21所示为脉冲回波式测量液位的原理图, 其 测量装置可分为单探头液体介质式、单

14、探头气体介质式、双探头气体介质式和双探头液体介质式等数种. 图9.20 超声波障碍物距离探测原理图v在实际生产中，有时只需测量某个或几个固定点的液位高度，此时可采用图9.22所示 图9.21 超声波反射式液位测量原理图 图9.22 超声波定点液位计 9.5 生物传感器v生物传感器构成:由敏感膜和敏感元件两部分组成; 基本原理框图如图9.23所示 图9.23 生物传感器原理图 v生物传感器的分类 按照敏感膜材料的不同，生物传感器可分为:细胞传感器、微生物传感器、免疫传感器、酶传感器和组织传感器。 如图9.24所示 图9.24 生物传感器按敏感膜分类v按照敏感元件的工作原理不同，生物传感器又可分为

15、:生物电极、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器、光生物传感器等 如图9.25所示。图9.25 生物传感器按敏感元件分类 v生物传感器的特点 生物传感器与通常的化学分析法相比，具有以下特点： （1）分析速度快，可以在较短的时间内得到结 果。 （2）准确度高，一般相对误差可以达到1。（3）操作较简单，容易实现自动分析。 （4）生物传感器的主要缺点是使用寿命较短。 v酶的特性与特点 酶是由生物体内产生并具有催化活性的一类蛋白质，此类蛋白质表现出特异的催化功能，酶被称为生物催化剂; 酶与一般催化剂有相似之处,酶与一般摧化剂的不同之处是: 1）酶的催化效率比一般催化剂要高 2）酶催化反应

16、条件较为温和，在常温、常压条件下 即可进行。 3) 酶的催化具有高度的专一性，即一种酶只能作用于一种或一类物质，产生一定的产物，而非酶催化剂对作用物没有如此严格的选择性。 v酶传感器的结构与原理 酶传感器可分为:电流输出型和电压输出型两种 图9.26是葡萄糖酶传感器结构原理图，它的敏感膜为葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝胶上. 图9.26 葡萄糖酶传感器结构原理图1.Pt阴极 2.聚四氟乙烯膜 3.固相酶膜 4.半透膜多孔层 5.半透膜致密层v微生物传感器的分类及结构 微生物传感器从原理上分为两类:呼吸机能型和代谢机能型; 结构原理框图如图9.27所示 图9.27 微生物传感器结构原理框图v呼吸机能型微生物传感器 微生物呼吸机能存在好气型和厌气型两种, 图9.28是呼吸机能型微生物传感器结构示意图 图9.28 呼吸机能型微生物传感器结构示意图1.电解液 2.O型环 3.Pb阴极 4.聚四氟乙烯 5.固化微生物膜 6.尼龙网 7.Pt阴极v图9.29是呼吸机能型微生物传感器时间响应曲线; 曲线中稳定电流值表示传感器处于O2饱和溶液中