《传感器技术与应用》第8章

1、第8章 辐射与波式传感器的应用,学 习 目 标 知识能力：了解辐射与波式传感器的基本原理，掌握超声波传 感器、红外线传感器等传感器在各种检测中的应用。 技能能力：掌握超声波传感器的识别、选用和检测方法。 综合能力：培养学生分析问题、解决问题的能力；培养学生 的沟通能力及团队协作精神。,【知识能力】,红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。, 8.1.1 红外传感器,一、红外辐射,电磁波谱图, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗

2、报警电路设计,红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。 另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。 红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。, 8.1.1 红外传感器,红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不

3、同波长红外线存在不同吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35m和814m，统称它们为“大气窗口”。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都工作在这三个波段（大气窗口）之内。, 8.1.1 红外传感器,二、 红外探测器 红外传感器一般由光学系统、 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的核心。红外探测器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，分为热探测器和光子探测器两

4、大类。, 8.1.1 红外传感器,1. 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收的红外辐射。 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，使用方便， 应用相当广泛。, 8.1.1 红外传感器,热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和高莱气动型。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。这里我们主要介绍热释电型探测器。,热释电效应,热释电效应：由于温度变化而产生电荷的

5、现象 在外加电场作用下，电介质中的带电粒子（电子、原子核等）将受到电场力的作用，正电荷趋向阴极、负电荷趋向阳极，结果电介质的一个表面带正电，相对表面带负电，这就是“电极化”。 电压去除后，大多数电介质的极化状态消失，但铁电体会保持。,思考：图中的红外光起什么作用？, 8.1.1 红外传感器,“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度就是“居里点”。在居里点以下，极化强度是温度的函数。 如果将负载电阻

6、与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 当铁电体薄片的温度达到平衡值时，表面电荷达到平衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。,极化强度与温度（变化）的关系, 8.1.1 红外传感器,2.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，引起光子效应。 根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。 通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。, 8.1.1 红外传感器,3.红

7、外测温仪,红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。,物体单位面积所发射的辐射功率,斯蒂藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律：,物体表面的法向比辐射率（一般物体在0与1之间，1为黑体,斯蒂藩-玻尔兹曼常数,物体的绝对温度, 8.1.1 红外传感器,3.红外测温仪,前放：起阻抗转换和放大作用 选放：只放大调制频率的信号，抑制其它频率的噪声 同步检波：将交流输入信号变换成峰峰值的直流信号输出 加法器：将环境温度与测量值相加，实现环境温度补偿 发射率调节电路：实为放大电路，恢

8、复测量信号相对于标定值减小的部分 多谐振荡器：通过一系列分频器输出一定时序的方波信号，驱动步进电机和同步检波器的开关电路, 8.1.1 红外传感器,4.红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。 空气中双原子气体具有对称结构，无极性（如N2，O2，H2），以及单原子惰性气体（如He,Ne

9、,Ar），它们不吸收红外辐射。 红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，透过的射线强度I按指数规律减弱（朗伯贝尔定律）：, 8.1.1 红外传感器,几种气体对红外线的透射光谱, 8.1.1 红外传感器,光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线 切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线 测量室中通入被分析气体，参比室中封入不吸收红外线的气体（如N2等） 红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室内压力增大。,红外线气体分析仪测量方案, 8.1.1 红外传感器,测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比

10、室， 由于测量室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 m的红外线有较强的吸收能力， 而参比室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大， 则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,红外线气体分析仪结构原理图,红外线气体分析仪测量原理, 8.1.1 红外传感器,为了消除干扰气体对测量结果的影响。 所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45

11、 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。 为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。,设置滤波气室的目的, 8.1.1 红外传感器,红外线气体分析仪结构原理图, 8.1.2 热释电人体红外线传感器,热释电红外(PIR)传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。,热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所

12、不同。如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计, 8.1.2 热释电人体红外线传感器,当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。 当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。 当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运

13、动的人体和体温近似人体的物体起作用。, 8.1.2 热释电人体红外线传感器,滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.014um波长以外的红外线。人体的正常体温为3637.5，即309310.5K，其辐射最强红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。, 8.1.2 热释电人体红外线传感器,被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部

14、分组成，其结构框图如图所示。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。 当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。, 8.1.2 热释电人体红外线传感器,人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范

15、围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器 。,【实操技能】, 8.1.3 任务描述,基于热释电红外传感器的防盗报警电路制作 本任务主要通过热释电红外传感器防盗报警电路的制作，将热释电红外传感器、检测电路、防盗报警自动控制电路集于一体，从而掌握红外传感器的性能、特点及相关应用。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计, 8.1.4 任务分析,本任务采用高灵敏度红外探头，无需声音、光线、震动，即使是漆黑的状态，

16、窃贼一旦进入10米左右监控范围，热释红外电子狗就会自动检测并发出高强度报警声，可有效吓阻入侵人员。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计, 8.1.4 任务分析,集成电路BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路，静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感报警器。,IC1的2脚输出信号Vo驱动报警音乐片IC2工作，Q2和Q3构成复合三极管用来推动压电蜂鸣片发出声音。,当电源开关K1在“OFF”位置时，电源经R1使Q1饱和导通，则IC1的9脚保持为低电平，从而封锁热释电红外传感器来的触发信号Vs，电路不工作。当电源开关K1在“ON”位置时

17、，热释传感器经R2得电处于工作状态，Q1处于截止状态使IC1的9脚保持为高电平，IC1处于工作状态。C1、C2、C3是电源滤波电容，LED1和R16构成电源指示电路。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计, 8.1.5 任务实施,1.元件检测 根据电路图检查相应元器件，并对每个元器件进行检测。,2电路安装 （1）根据原理图、PCB 图，对照电路工作过程说明，看懂电路。实物PCB板图如图8-10所示。 （2）为了更好地实现电路功能，必须选择电路合适的元器件参数。在装配与调试过程中，根据原理图或者元件清单选择相应的元件参数，也可以根据个人的需要，适当调整元件参数。 （3）检测热释电红外

18、线传感器的质量，这是电路工作和功能实现的关键。 （4）要按照装配工艺要求进行焊接和安装，电阻R15 直接装在音乐芯片IC2 上，然后插装在印制板上，请注意脚位顺序。实物制作效果图如图8-11所示 （5）要配置合适的电源电压，不能随意改动电源的电压，否则电路不能正常工作。 （6）测试电路时要按规范操作仪器设备，不得在带电情况下进行器件焊接与安装。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计, 8.1.5 任务实施,3整机电路调试 （1）组装完成并认真检查无误后，将电路板装入壳中并用螺钉固定，同时把前、后壳扣在一起，然后装入电池测试效果。放在桌上并拨动开关K1打到“ON”一边，即可产生“报警

19、声”，延时一段时间后自动停止，然后可以进行热释红外人体报警实验，当人体靠近时即可产生报警声。若没有报警声，则认真检查电路，直到正确为止。 （2）完成整机效果后，将前、后盖紧扣在一起，并在后盖上插装好万向轮，万向轮座可以按您的要求自行安装。, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计,观察检测电路运行状态的变化，分析电路检测灵敏度的影响因素。, 8.1.6 结果分析, 8.1 基于热释电红外传感器的防盗报警电路设计,8.2.1 超声波及其物理性质, 8.2 基于超声波传感器的测距电路设计,波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次

20、声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2104 Hz的机械波,一、超声波的波型,纵波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； 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； 表面波质点的振动介于纵波与横波之间，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。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面传播。,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

21、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。,8.2.1 超声波及其物理性质,二、超声波的反射和折射,超声波的反射和折射,8.2.1 超声波及其物理性质,三、超声波的衰减,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：,式中:,、, 声波在距声源x处的声压和声强；,、, 声波在声源处的声压和声强；, 声波与声源间的距离；, 衰减系数。,8.2.1 超声波及其物理性质,8.2.2 超声波传感器,利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、 探测器或传感器。超声波

22、探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等， 而以压电式最为常用。 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。 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，此时产生的超声波最强。（“电致伸缩”） 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。, 8.2 基于超声波传感器的测距电路设计,通用型（几十kHz) 高频型(100kHz),

23、压电式超声波传感器结构,8.2.2 超声波传感器,一、超声波测物位,几种超声波检测物位工作原理,8.2.2 超声波传感器,二、超声波测流量,超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。 时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量,超声波测流体流量工作原理,8.2.2 超声波传感器,【实操技能】, 8.2.4 任务描述,简易超声波测距仪电路制作 本任务通过简易超声波测距仪的电路制作，了解超声波工作原理、超声波测距原理和超声探头的结构特点，并掌握超声波传感器在距离测量中的应用。, 8.2 基于超声波传感器的测距电路设计, 8

24、.2.5 任务分析,本任务采用高灵敏度红外探头，无需声音、光线、震动，即使是漆黑的状态，窃贼一旦进入10米左右监控范围，热释红外电子狗就会自动检测并发出高强度报警声，可有效吓阻入侵人员。, 8.2 基于超声波传感器的测距电路设计, 8.2.5 任务分析,本测距系统采用工业级STC15W202S 单片机作主控芯片，通过对超声波发射和接收往返时间的计时实现距离测量并显示。测量范围在2cm2.00m，测量精度1cm，采用0.36 寸高亮红色数码管作显示，能够清晰稳定地显示测量结果。 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。, 8.2 基于超声波传感器的测距电路设计, 8.2.5 任务分析,本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰