传感器第5章概要

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1、第五章 波式及射线式传感器 第一节 超声波式传感器 第二节 微波式传感器 第三节 射线式传感器 第四节 红外传感器,第一节 超声波式传感器 .超声波及其性质 .超声波传感器 .超声波传感器的基本电路 .超声波传感器的应用,第一节 超声波式传感器 超声波技术：是一门以物理、电子、机械、材料学为基础的通用技术。广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等的超声清洗、超声加工、超声焊接、超声医疗等方面。,第一节 超声波式传感器 .超声波及其性质 超声波定义：是一种振动频率高于声波的机械波，人们听到的声音是物体振动产生的，声波的频率在Hz20kHz的范围内；超过20kHz称为超声波；低于20Hz称为次声波。超声

2、波是由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。 性质：超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光下不透明的固体中，可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射、折射、波型转换，碰到活动物体能产生多普勒效应。 超声波传感器是利用超声波的特性 研制而成的传感器。,第一节 超声波式传感器 .超声波及其性质 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，能在固体、液体、气体介质中传播 横波：质点振动方向垂直于波的传播方向，只能在固体介质中传播 表面波：质点的振动介于横波之间，沿着介质表面传播，

3、只在固体介质的表面传播 气体中的声速为m/s，液体中的声速为m/s之间，固体中的声速更大。（贝多芬）,第一节 超声波式传感器 .超声波及其性质 超声波在发射出去后，其强度会随着距离的增加而逐渐弱。 超声波遵从反射定律、折射定律，有透射、干涉现象，跟光一样。 超声波的特点：束射特性、吸收特性、能量传递特性、声压特性。,第一节 超声波式传感器 .超声波及其性质 超声波在发射出去后，其强度会随着距离的增加而逐渐弱。 超声波遵从反射定律、折射定律，有透射、干涉现象，跟光一样。 超声波的特点：束射特性、吸收特性、能量传递特性、声压特性。,第一节 超声波式传感器 .超声波传感器 以超声波作为检测手段，必须

4、产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器（超声换能器，超声波探头）。 超声波探头主要由压电晶片或压电陶瓷组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。 压电材料组成的超声波传感器是一种可逆传感器。它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，作为发射探头；同时它接收到超声波时，也能将超声振动转变成电能，作为接收探头。,第一节 超声波式传感器 .超声波传感器 按工作原理可分为：压电式、磁致伸缩式、电磁式等 结构：压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线 压电晶片：多为圆板形，厚度与超声波频率f成反比，两面有镀层，作为极板 阻尼块：降低晶片的机械品质 吸收声能量 结构如图.,超声波传感器外

5、形图,第一节 超声波式传感器 .超声波的基本电路 超声波传感器的驱动电路 自激型驱动电路：图 他激型驱动电路：图 超声波传感器的接收电路 使用运算放大器的接收电路：图 使用比较器的电路：图,第一节 超声波式传感器 .超声波传感器的应用,超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探

6、测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。,第一节 超声波式传感器 .超声波传感器的应用,超声波测厚 金属零件厚度vT/2 v为超声波在工件中的声速 为从发射到接收的时间间隔 空间扰动侦测器 侦测空间中有没有异物侵入 超声波探伤 有穿透法探伤、反射法探伤、多次 脉冲反射法,第二节 微波式传感器 .微波的基础知识 .微波传感器的工作原理及分类 .微波传感器的组成 .微波传感器的特点 .微波传感器的应用,第二节 微波式传感器 .微波的基础知识,电磁波谱图 按波长从小到大排列： 射线、射线、紫外线、可见光、红外线、 微波、无线电波 /f C:光速,X108 m/s f:波的频率

7、 微波：是波长为mmm的电磁波 微波的特点： 空间辐射的装置容易于制造 遇到各种障碍物易于反射 绕射能力较差 传输特性良好，传输过程中受烟、 灰尘、强光等的影响很小 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例， 水对微波的吸收作用最强,第二节 微波式传感器 .微波传感器的工作原理及分类,微波传感器的重要组成部分 微波振荡器：产生微波的装置 微波天线： 发射、接收微波的装置 微波传感器的工作原理：由微波振荡器产生振荡信号，即微波信号，用波导管或同轴线传输，通过天线发射出去，微波遇到被测物体时被吸收或反射，使其功率发生变化。利用接收天线接收透过被测物反射回来的微波以，并将它转换电信号。根据发射与接收时

8、间差，再由测量电路处理，就可以显示出被测量，实现微波检测。,第二节 微波式传感器 .微波传感器的工作原理及分类,微波传感器的分类： 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测量被测物的位置、位移、厚度等参数的。 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、含水量等参数。可测量物体的厚度、含水量,微波液位计,微波开关式物位计,第二节 微波式传感器 .微波传感器的组成 微波振荡器：产生微波的装置，构成微波振荡器的器件 有速调管、磁控管或某些固体元件 微波天线 ：接收、发射微波的装置，形状有： 扇形喇叭天

9、线、圆锥形喇叭天线、 旋转抛物面天线、抛物柱面天线 微波检测器：使用电流、电压为非线性的电子元件作 探测器的敏感探头。 微波的检测方法有两种： 一是将微波变化为电流的视频变化方式 二是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法,为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。,第二节 微波式传感器 .微波传感器的特点,有极宽的频谱可供选择，波长=1mm1m。 烟雾、粉尘、水汽、化学气体以及高、低温环境对检测信号的传播影响极小，适应恶劣环境。 反应速度快，灵敏度高，可进行动态检测与实时处理，便于自动控制。 测量信号本身就是电信号，不需非电量电量的转换，便于遥测和遥控。 微波无显著

10、辐射公害。可以实现非接触测量，因此可进行活体检测，大部分测量不需要取样。,微波传感器存在的问题 主要问题是零点漂移和标定问题尚未得到很好的解决；使用时外界因素影响较多，如温度、高压及取样位置等,第二节 微波式传感器 .微波传感器的应用,微波液位计 微波液体检测 微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱地分布。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，不断从电场中得到能量（储能），又不断地释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。 使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。,

11、第二节 微波式传感器 .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，且反射波的波长与都不变的特性进行测厚的。 微波无损检测 微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等组成。 是综合利用微波与物质的相互作用。一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射；另一方面微波还能与被检测材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。 通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测内部缺陷的目的。,第四节 红外传感器 一、红外辐射 二、红外传感器的应用 三、红外传感器,第四节 红外传感器 一、红外辐射 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，位于可见

12、光中红色光以外的光线。,红外线：波长780106nm，分 近红外线：波长3m（即3000nm）以下的红外线 远红外线：波长超过3m 的红外线,第四节 红外传感器 一、红外辐射 、红外光的最大特点就是具有光热效应，能辐射热量。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高，辐射出来的红外线越多。 2、红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质，在真空中以光速传播。 3、红外光在介质中传播会产生衰减，红外光在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大； 4、自然界中任何物体，只要其温度在热力学绝对零度(-273)

13、之上，总是在不断地发射红外辐射。,第四节 红外传感器 一、红外辐射 、红外线在空间中以波的形式沿直线传播。气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。 应用：红外线气体分析器 空气中对称的双原子气体，如：N2、2、2等不吸收红外线。 红外线在通过大气层时，有三个波段透过率最高： .m、35 m、14 m，称为大气窗口,第四节 红外传感器 一、红外辐射 、红外探测器：工作在大气窗口内 利用红外敏感元件测得红外光的变化，进而可以确定待测非电量。凡是能感受红外辐射量并转变成另一种便于测量的物理量的器件称为红外敏感元件，在红外技术领域里习惯叫红外探测器。 红外探测器的组成：光学

14、系统、探测器、信号调理电路、显示单元等 红外探测器是红外传感器的重要组成部分 红外探测器是利用红外辐射与物质作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的 按探测原理不同，分： 热探测器、光子探测器,第四节 红外传感器 一、红外辐射 、红外探测器 热探测器 热探测器的工作原理：利用红外线的热效应，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。 分四类：热敏电阻型、热电阻型、气体型、热释电型 热释电型红外探测器工作原理：热释电效应。 热释电效应：电石、水晶等晶体 受热产生温度变化时，其原子排列 将发生变化，晶体自然极化，在

15、其两 表面产生电荷的现象。,第四节 红外传感器 一、红外辐射 、红外探测器 光子探测器 光子探测器的工作原理：光子效应 光子效应：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，引起各种电学现象。 分 内光电探测器 光电导 探测器 类 外光电探测器 光生伏特探测器 光磁电 探测器 光子：是电子在跳动时，对真空能的 一次激发产生的波形振动,第四节 红外传感器 二、红外传感器的应用 、红外测温仪 、红外线气体分析仪 、红外无损探伤 、天气预报：利用人造卫星上的红外传感器对地球云层进行监视，实现大范围的天气预报。 、空间技术：检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。 三、

16、红外传感器：利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。包括光学系统、检测元件、转换电路。,第三节 射线式传感器 一、核辐射的物理基础 二、核辐射传感器的组成 三、核辐射检测的应用 四、放射性辐射的防护,第三节 射线式传感器 一、核辐射的物理基础 、放射性同位素 凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表 中占有同位置，称为同位素。如 、 原子如果不是由于外来的原因，而自发的产生核结构变 化，称为核衰变。 具有核衰变性质的同位素，叫做放射性同位素。 放射性同位素从0个原子衰变到 0/2个原子所经历的时间，称为 半衰期。,第三节 射线式传感器 一、核辐射的物理基础 、核辐射 放射性同位素在衰变过程中会放出一些特殊的带有一定 能量的粒子或射线，这种现象称为放射性或核辐射。有： 射线（ 粒子）：质量为