第9章_其他传感器技术

第9章其他传感器技术第9章其他传感器技术9.1红外传感器9.2超声波传感器9.3光纤传感器9.4传感新技术简介红外技术在军事、工农业生产、医学、科学研究等方面的应用得到了快速的发展，红外技术的应用几乎普遍化，例如军事上的热成像系统、搜索跟踪系统、红外警戒系统，天文学上基于红外线的天体演化研究，医学上的红外诊断和辅助治疗，工农业生产中的温度探测及红外烘干等等。9.1红外传感器9.1.1红外检测的物理基础9.1.2红外探测（传感）器9.1红外传感器9.1.1红外检测的物理基础红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。它的波长范围大致在0.76～1000μm，工程上又把红外线所占据的波段分为近红外、中红外、远红外和极远红外。除了太阳能辐射红外线外，自然界任何物体只要它本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光，而且物体温度越高，发射的红外辐射能越多。物体在向周围发射红外辐射能的同时，也吸收周围物体发射的红外辐射能。由于各种物质内部的原子分子结构不同，它们所发射出的辐射频率也不相同，这些频率所覆盖的范围也即称为红外光谱。由实验可知，物体辐射的电磁波中，其峰值幅射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即有：m=2897/T(m)（7-1）9.1.1红外检测的物理基础图7-2为不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了峰值辐射波长λm与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着温度的升高其峰值波长向短波方向移动。9.1.1红外检测的物理基础9.1.2红外探测（传感）器主动式被动式利用红外辐射源对被测物进行辐射，通过被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，物体自身或红外光将发生变化。被测物本身就是红外辐射源，检测其红外辐射能实现温度测量，或通过物体各个点辐射能大小生成的热像图，进行无损探伤等。凡是能把红外辐射量转变成另一种便于测量的物理量（如电量等）的器件都可称为红外探测器。红外检测从原理上可分为主动式和被动式两种。红外检测系统无论是利用物体的红外辐射特性还是物体对红外的反射、吸收、透射等来实现红外检测，构成的检测系统中一般包含有红外源、传输红外的光学系统和接收红外的探测器，以及信号调理等组成部分。红外探测器是红外传感器或红外检测的核心，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。探测器的基本类型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，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量相关物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。根据吸收红外辐射能后探测器物理参数的变化，可以将热探测器分为四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。其中，热释电型探测器探测率最高，频率响应最宽，也是目前用得最广的红外传感器。热探测器1探测器的基本类型利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常见的光子效应有外光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。相应的，光探测器主要包括，利用外光电效应而制成的光电子发射探测器；利用内光电效应制成的光电导探测器；利用阻挡层光电效应制成的光生伏特探测器；利用光磁电效应制成的光磁探测器。光探测器2热探测器不需要冷却热探测器对各种波长都能响应热探测器响应时间比光子探测器长热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关热探测器的特点探测器的基本类型红外检测技术的应用从红外检测原理知，利用红外的反射、透射、吸收特性可实现气体成分分析、厚度测量、无损探伤等，利用其辐射特性，可检测辐射体的温度，或建立红外报警系统。9.1红外传感器9.2超声波传感器9.3光纤传感器9.4传感新技术简介第9章其他传感器技术9.2超声波传感器超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础、在各行各业都得到使用的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声检测、超声探伤和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。9.2.1超声检测的物理基础9.2.2超声波传感器及应用9.2超声波传感器9.2.1超声检测的物理基础振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，如图7-3所示。频率在3×108～3×1011Hz之间的波，称为微波。纵波横波表面波质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它只能在固体介质中传播质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播超声波的波形及其传播速度超声波的波形及其传播速度超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在0～74℃时，声速随温度的升高而增加，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速为900～1900m/s。波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质时，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称为声波的反射和折射。如图7-4所示。21sinsincc（7-2）波型的转换当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图7-5所示。式中，α为入射角，α1、α2为纵波与横波的反射角，、为纵波与横波的折射角；cL、cL1、cL2分别为入射介质、反射介质与折射介质内的纵波速度，cs1、cs2分别为反射介质与折射介质内的横波速度。如果第二介质为液体或气体，则仅有纵波，而不会产生横波和表面波。（1）纵波全反射：折射波中便只有横波存在（2）横波全反射：介质的分界面上只传播表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律：sinsinsinsinsin222111SLSLLccccc（7-3）波型的转换式中，P0、I0分别为声源处的声压和声强，P、I分别为距声源处的声压和声强，为衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。在平面波的情况下，距离声源处的声压和声强的衰减规律如下：超声波的衰减0xxPPe20xxIIe（7-4）（7-5）超声波检测中，首先要把超声波发射出去，然后再把超声波接收回来，变换成电信号，完成这一工作的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。9.2.2超声波传感器及应用超声波探头1超声波探头图7-6为压电式探头结构图，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。超声波检测技术的应用穿透法探伤反射法（脉冲回波法）探伤根据超声波穿透工件后，能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。根据声波在工件中反射的情况不同而探测工件内部的情形。9.1红外传感器9.2超声波传感器9.3光纤传感器9.4传感新技术简介第9章其他传感器技术9.3光纤传感器光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。9.3.1光纤传感器基础9.3.2光纤传感器9.3光纤传感器9.3.1光纤传感器基础如图7-8所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套以增加机械强度。光纤结构及传光原理设有一段光纤，它的两个端面均为光滑的平面，如图7-9所示。当光线射入一个端面并与光纤轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后，又以i角入射至纤芯与包层的界面，这时光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。当入射角i小于临界角c时，光线就不会透射出界面，而全部被反射。这就是光纤传光的工作基础。依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有光纤结构及传光原理01sinsininn12sinsininn(7-6)(7-7)若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，由式（7-7）可有：21sincnn(7-8)221201arcsin()icnnn(7-11)光纤的分类阶跃型和梯度型光纤多模光纤和单模光纤阶跃型光纤：纤芯的折射率分布均匀，不随半径而变化；梯度型光纤：纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模，而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，后者称为单模光纤。9.3.2光纤传感器光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。光纤传感器的分类光纤传感器的应用光纤角速度传感器，又名光纤陀螺，它是一种由单模光纤做光通路的萨格奈克（Sagnac）干涉仪。该干涉仪由光源、分束板、反射镜和光纤环组成。光在A点入射，并被分束板分成等强的两束。反射光a进入光纤环沿着圆形环路逆时针方向传播。透射光b被反射镜反射回来后又被分束板反射，进入光纤环沿着圆形环路顺时针方向传播。这两束光绕行一周后，又在分束板处汇合。其中l=2πR，表示光纤环的周长。相位差与干涉条纹的光强之间存在确定的函数关系，通过用光电检测器对干涉条纹光强进行检测，可以实现对旋转角速率的测量。两束光的光程差L与输入角速度成正比。通过测量两束光之间的相位差即相移即可获得被测角速度。两束光之间的相移为：光纤传感器的应用24RlLc（9-23）9.1红外传感器9.2超声波传感器9.3光纤传感器9.4传感新技术简介第9章其他传感器技术7.4.1微波传感器7.4.2核辐射传感器7.4.3生物传感器9.4传感新技术简介9.4.1微波传感器微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有电磁波的性质。基于微波而发展起来的微波传感器是继超声波、激光、红外等传感器之后的一种非接触式传感器。它不仅用于无线通讯，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的应用。微波是波长为1m～1mm的电磁波。可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同。微波的特点遇到各种障碍物易于反射可定向辐射微波的装置容易制造绕射能力差传输特性好介质对微波的吸收与介电常数成比例9.4.1微波传感器微波传感器分类反射式微波传感器遮断式微波传感器反射式微波传感器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检测被测物的位置、厚度等参数。遮断式微波传感器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收天线之间有无被测物或被测物的位置、厚度与含水量等参数。微波传感器的应用微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行厚度测量的。如图7-11所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。一般情况，微波传输过程的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法。若测量臂与参考臂行程完全相同