[工学]第10章 新型传感器

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1、第10章 新型传感器,本章内容,10.1 光纤传感器 10.2 超声波传感器 10.3 红外传感器 10.4 核辐射传感器,学习目标,了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用。 了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参数、掌握超声传感器的典型应用。 掌握红外辐射的特点和红外探测的机理、红外传感器的应用。 了解核辐射的基础知识、核辐射传感器的原理及应用。,10.1 光纤传感器,10.1.1 光纤结构 光纤，是一种多层介质结构的对称圆柱体，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包层和涂敷层，它的外形与结构如图10-l所示。 在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤的传输基于光的全

2、内反射。设有一段圆柱形的光纤，如图10-2所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成 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，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会投射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。,图10-1 光纤传感器的结构 图10-2 光纤的传光原理 1纤芯；2包层；3保护层,10.1.2 光纤传感器的类型与原理 1类型 （1）传光型光纤传感器 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介

3、质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件来完成。如图10-3所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。,图10-3 传光型光纤传感器组成示意图 1被测对象；2光源；3光探测器；4光纤；5光敏感元件,（2）传感型光纤传感器 传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。因此，传感

4、器中的光纤是连续的，如图10-4所示。,图10-4 传感型光纤传感器组成示意图 1被测对象；2光源；3光探测器；4光纤；5光纤敏感元件,2光纤传感器的调制原理 1）光强调制 利用被测量直接或间接改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为光强调制。 例如，微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成，例如一对锯齿板，如图10-5（a）所示。相邻齿之间的距离决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。,（a） （b） 图10-5 微弯光纤传感器 （a）微弯光纤传感器原理图

5、；（b）光纤微弯曲对传播光的影响 1裸光纤；2机械变形器,2）相位调制 利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物理量，称为相位调制。 只要利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。由于应变或压力也会改变光纤的传输特性，使光信号相位变化，因此也可以检测应变和压力。,3）波长调制 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理量，称为波长调制。波长调制技术比光强调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，通常要使用分光仪。但是，采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。波长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感，该方法广

6、泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析，以及用在光学滤波器上。,4）频率调制 利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量，称为频率调制。常采用传光型光纤传感器，即光纤只起传光作用。光频率调制是基于被测物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应，当光源发射出的频率为f1的光波照射到运动物体上，从该运动体反射的光波频率发生变化为f2，相对于原频率发生变化。,图10-6 多普勒效应示意图,3光纤传感器的特点 （1）传光性能、电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可在强电磁干扰下完成传统传感器不能完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量，损耗小于0.2dB/km。 （2）

7、质量轻、体积小、可挠性好，光波传输无电能和电火花，在恶劣环境下，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。 （3）频带宽、动态范围大、对被测对象不产生影响，可进行非接触式、远距离测量，有利于提高测量精确度。,10.1.3 光纤传感器应用 1光纤传感器对位移的测量 利用反射式光纤位移传感器测微小位移的原理图如图10-8所示。它利用光纤传送和接收光束，可以实现无接触测量。 光源经一束多股光缆把光传送到传感器端部，并发射到被测物体上；另一束多股光缆把被测物反射出来的光接受并传递到光敏元件上，这两股光缆在接近目标之前汇合成Y形，汇合是将两束光缆里的

8、光纤分散混合而成的。由于传感器端部与被测物体间距离d的变化，因此反射到接收光纤的光通量不同，可以反映传感器与被测物体间距离的变化。,（a） （b） 图10-7 反射式光纤位移传感器 （a）原理图；（b）接收相对光强与距离的关系特性曲线 1光源；2发射光纤；3被测物；4接收光纤；5光敏元件,图10-8（a）所示是利用挡光原理测位移，图10-8（b）所示是利用改变斜切面间隙大小的原理测位移。这两种方法更为简单，但可测范围及线性不如反射法。 光纤位移传感器测量范围为0.05mm0.12mm，分辨率为0.01mm。光纤微位移传感器可测量位移为0.08nm，动态范围为110dB。,（a） （b） 图10

9、-8 光纤位移传感器的其他形式 （a）利用挡光原理测位移；（b）利用改变斜切面间隙大小测位移 1光纤1；2挡板；3光纤2；4光敏元件；5缝隙； 6光源；7可动光纤；8斜切间隙；9固定光纤,10.2.1 超声波传感器的工作原理与结构 1超声波传感器的工作原理 超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应分为正压电效应和逆压电效应。超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理。图10-10所示为采用双压电晶片超声波传感器示意图。若在发送器的双压电晶片（谐振频率为40KHZ）上所施加频率为40KHZ的高频电压，压电陶瓷片1、2就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是发射频率为40KHZ

10、的超声波。,10.2 超声波传感器,图10-10 双压电晶片超声波传感器示意图 1、2压电陶瓷片,2超声波传感器的基本结构 超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可兼有发射和接收功能。超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在实际应用中，以压电式探头最为常见。,（a） （b） 图10-11 超声波传感器的典型外形和表示符号 （a）典型外形 （b）表示符号 1金属网；2外壳；3标签,（a） （b） （c） 图10-12 超声波探头结构示意图 （a）单晶直探

11、头 （b）双晶直探头 （c）斜探头 1接插件；2外壳；3阻尼吸收块；4引线； 5压电晶体；6保护膜；7隔离层；8延迟块； 9有机玻璃斜楔块；10耦合剂；11试件,1）以固体为传导介质的超声探头,2）以空气为传导介质的超声探头,（a） （b） 图10-13 空气传导型超声发生、接收器结构 （a）超声发射器 （b）超声接收器 1外壳；2金属丝网罩；3锥形共振盘；4压电晶片； 5引脚；6阻抗匹配器；7超声波束,10.2.2 超声波传感器的应用 1超声波探伤 1）直探头探伤 如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一小部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现

12、缺陷脉冲F，如图10-14所示。 荧光屏上的水平亮线为扫描线，通过判断缺陷脉冲在荧光屏上的位置可确定缺陷在工件中的深度。 通过缺陷脉冲幅度的高低差别可以判断缺陷的大小。通过移动探头还可确定缺陷大致长度和走向。,2）斜探头探伤 斜探头探伤示意图如图10-15所示。在直探头探伤时，当超声波束中心线与缺陷截面垂直时，探测灵敏度最高。但如遇到图10-15所示方向的缺陷时，就不能真实反映缺陷的大小，甚至有可能漏检。这时若用斜探头探测，可提高探伤效率。,图10-15 斜探头探伤示意图 （a）横波在试件中的传播 （b）缺陷回波 1试件；2斜探头；3斜楔块；4斜向缺陷（焊渣或气孔）； 5V形焊缝中的焊料,2超

13、声波测物位 图10-16所示给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图10-16（a）所示。由于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图10-16（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。,图10-16 几种超声波物位传感器的结构原理示意图 （a）换能器设置于液面下；（b换能器设置于液面上,单换能器:,双换能器 :,3超声波测厚度 图10-17所示为便携式超声测厚仪示意图，它可用于测量钢及其他金属、有

14、机玻璃、硬塑料等材料的厚度。 双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。,图10-17 超声波测厚原理 1双晶直探头；2引线电缆；3入射波； 4反射波；5试件；6测厚显示器设定键,4超声波防碰撞电路 图10-18所示为超声波防碰撞电路，电路采用LM1812并由时基电路来控制LM1812的发射和接收（LM1812既发射又接收）。控制距离可用5K的电位器来调节，一般可控制23m. 时基电路组成单稳态电路，当达到报警距离时，时基电路的2脚输入一低电平（相当于Ucc/3），单稳态电路被触法，3脚输出高电平，VL点亮的同时，电子蜂鸣器HA也

15、发声报警。本电路超声波发射/接收传感器采用T/R-40系列。,图10-18 超声波防碰撞电路,10.3.1 红外辐射介绍 红外线是一种不可见光是太阳光谱的一部分，实质上是一种电磁波。波长范围在0.751000之间，其中近红外线波长范围在0.751.4。 红外辐射是由于物体内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的。在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。 红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。,10.3 红外传感器,10.3.2 红外线传感器 红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件，通常称为红外探测器。 热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数发生相应的变化的原理研制成的。通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型和热释电型等几种。 光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化的原理研制成的。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电探测器和内光电探测器两种。,10.3