传感器原理与应用yyq3

1、传感器原理与应用（三）三、发射类传感器1光电传感器 (1)原理和组成光电传感器是将被测量转换为光的变化，再将光的变化转换成电信号的传感器。光电传感器在一般由发送器、接收器和检测电路组成。发送器里装有发光二极管、激光二极管等发光元件，对准目标发射连续光束或经过调制的脉冲光束。接收器里装有光电二极管、光电三极管等光敏元件。在接收器的前面，装有透镜、光圈等光学元件。在接收器的后面是检测电路，用以滤出有效信号并进行信号处理。有的光电传感器还有反射板、光导纤维等结构元件。 (2)光电元件现在应用的主要是半导体光电元件。常用光电元件有光敏电阻、光电池和光敏晶体管。光敏电阻 硫化镉等半导体在光子轰击下，电子

2、由价带进入导带，导电性明显增强，电阻率明显下降。应用这些材料可制成光敏电阻。在无光线照射的情况下，光敏电阻为兆欧级电阻（暗阻）；在有光线照射的条件下，光敏电阻的阻值在数千欧以下（亮阻）。图54 光敏电阻的特性 光敏电阻的特性见图54。(a)是伏安特性。它表明随着照度的增加，光电流明显增大，且线性良好。(b)是光照特性。它光电流与光通量城非线性，宜用作开关元件。(c)是光谱特性。光谱特性呈峰状。其原因是波长增大时光子能量降低使灵敏度降低，而波长减小时部分不能到达光敏电阻也使灵敏度降低。(d)是频率特性。它表明灵敏度随脉冲频率升高而下降，光敏电阻也有惰性。(e)是光谱温度特性。她表明温度升高时特性

3、左移。这是由于温度升高时暗阻下降，光电流减小，灵敏度降低的缘故。光敏电阻具有体积小、制造简单、性能稳定、成本低的特点。光电池 是在光子轰击下电子扩散增强，能产生电动势的半导体元件，常见的有硅光电池和硒光电池。其光谱特性、频率特性与光敏电阻相似。其光照特性见图55(a)、温度特性见图55(b)。图中，U为输出电压、I为输出电流、F为照度、T温度。光电池的特点是性能稳定、光谱宽、效率高。图55 光电池的特性 光敏晶体管 是根据光子轰击能减小PN结阻挡层厚度制成的光电元件，包括光敏二极管和光敏三极管。对于光敏二极管；无光时正向电流极小，而有光时正向电流显著增大。对于光敏三极管，无光时不导通；有光时，

4、出现基极电流，三极管导通。其特性与光敏电阻相似。光敏三极管的伏安特性见图56。图56 光敏三极管的伏安特性 (3)光电检测传感器 这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流进行检测。其光源的照度均匀恒定。所用光电元件的光照特性应有良好的单值性和线性。其主要类型有：辐射式  如图57(a)所示，被测物体本身是光辐射源，由它释出的光射向光电元件，有光电元件的输出进行检测。属于这一类的应用有光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感、天文探测、防火报警等。 吸收式  如图57(b)所示，被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。

5、属于这一类的应用有液体、气体的透明度、混浊度的检测，其他成分、液体成分分等。反射式  如图57(c)所示，恒定光源释出的光投射到被测物体，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量检测被测物表面性质和状态。属于这一类的应用有零件表面光洁度、表面缺陷、表面位移的检测等。遮光式 如图57(d)所示，被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻档光通量的多少来测定被测物位移、转速、振动等参数。时差测距式 是将恒定光源发出的光投射于目标物，经目标物反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。光电测距仪属于这种装置。图57 光电检测传感器1-被测物；2-光源；3-光电元件光电式数字

6、转速表的工作原理见图58。图58(a)表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图58 (b)为电机轴上安装一带齿的调制盘。其工作原理与图58(a)相同。图58 光电式数字转速表(4)光电开关槽型光电开关 将一个光发射器装在槽的一侧，将一个接收器装在槽的对侧。光发射器发出红外光或可见光，在无阻碍的情况下接收器能收到光信号。当被检测物体从槽中通过时，光线被遮挡，光电开关便动作，并输出开关控制信号，切断或接通电路。 对射式光电开关 相当于一个将光发射器和光接收器分离安装

7、的槽型光电开关。其检测距离可达数米到数十米。 反光板反射式光电开关 将光发射器和光接收器装在同一个装置内，在其前方装一块反光板，利用反射光制成的光电开关。 扩散反射式光电开关 也是将光发射器和光接收器装在同一个装置内，但前方没有反光板。正常情况下接收不到反射光。当检测物通过时，把光部分反射回来起控制作用。 (5)光电耦合器 光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成（图59），用以传递信号并屏蔽干扰。图59 光电耦合器 (6)光纤传感器光纤传感器是应用光导纤维传递光信号的光电传感器。光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、体积小、质量小等许多优点，是一种前途宽广的新型传感器。光导纤维用比

8、头发还细的石英玻璃丝制成，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，为双层同心圆柱结构。光导纤维用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）制成。纤芯对光的折射率略大于包层对光的折射率，构成光通路。如图60所示，当光线入射角（光线与界面垂线的夹角）的正弦大于或等于包层折射率与纤芯折射率时，光线将不进入包层，而在界面上发生全发射，逐次折射，传递到光导纤维的另一端（详见Snell定律）。图60 光导纤维光纤传感器分为功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器。前者是由对外界信息具有敏感能力和检测功能的光导纤维制成的“感”、“传”合为一体的传感器；后者的光导纤维只起传输光线的作用，与其他敏感元件一起组成测

9、试系统。图61所示为半导体吸光式光纤温度传感器。在一根切断的光纤的两端面间夹一块半导体感温薄片。这种半导体感温薄片吸收入射光的能力随温度变化，当光纤一端输入恒定光强的光时，另一端接收元件所接受的光强将随被测温度的变化而变化。图61 半导体吸光式光纤温度传感器 (7)激光传感器 激光传感器激光器、激光检测器和测量电路组成。其特点是，响应快、精度高、量程大、能实现远距离测量、抗干扰能力强。激光由激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级状态；在适当频率的外界光线的作用下，即在光子轰击下，低能级的原子吸收光子能量（光子能量与光的频率成正比）跃迁到高能级状态。反之，处于高能级

10、状态的原子在一定频率的光的诱发下，会跃迁到低能级状态，并释放能量而发光（受激辐射）。由此可见，激光器必须先使工作物质的多数原子处于高能级状态，实现所谓粒子数反转分布。然后，使一定频率的光诱发，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用，产生激光。与普通光相比，激光的特点是：高方向性，激光束在数千米外的扩展范围不过数厘米；高单色性，激光的频率宽度不到普通光的1/10；高亮度，利用激光束会聚可产生数百万摄氏度的高温。 按照工作物质，激光器分为以下几类。 固体激光器 常用的有红宝石激光器、钇铝石榴石激光器、和钕玻璃激光器。其特点是体积小、坚固、功率高。红宝石激光器的组成见图62。激光在红宝石内往复反射

11、并放出强激光。图62 红宝石激光器示意图1-全反射镜；2-红宝石；3-部分反射镜；4-脉冲氙灯 气体激光器 常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器。其形状类似普通放电管。其特点是输出稳定、单色性好、寿命长，功率较小、转换效率较低。 液体激光器 分为无机液体激光器和有机染料激光器。其最大特点是波长连续可调。 半导体激光器 常用的有砷化镓激光器。其特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。激光传感器可用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。2红外传感器 红外传感器是利用红外辐射制成的传感器，可用于测温、探

12、伤、气体分析。 (1)红外辐射红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。无线电波的频率和波长大约为3´1053´108Hz和105102cm，微波的大约为3´1083´1011Hz和10210-1cm，红外线的3´10113´1015Hz和10-110-5cm，紫外线的3´10153´1016Hz和10-510-6cm。频率更高、波长更小的还有X射线、g射线、宇宙射线。可见光的频段是很窄的，波长为0.1mm数量级。红外线的频段比可见光宽得多。波长0.763mm 的为近红外波段，波长36mm 的为中红外波段，波长615mm

13、 的为远红外波段，波长151000mm 的为超远红外波段。红外辐射的实质热辐射。物体温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射能量大。与可见光一样，红外辐射在真空中也以光速传播，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，而且具有明显的波粒两重属性。 与所有电磁波一样，红外辐射以波的形式在空间直线传播。红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线有不同的吸收带。红外气体分析器就是利用这一特性工作的。空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。红外线通过大气层时，有三个波段的透过率高。这三个波段是22.6m、35m和814m，统称为“大气窗口”。红外探测器一般都工作在这三个波段。 (2

14、)红外探测器红外传感器由光学系统、红外探测器、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，按探测机理主要分为热探测器和光子探测器。热探测器 热探测器的工作原理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后温度升高，引起某些物理参数发生变化，再通过测量物理参数的变化量来确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器主要有热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型四类。其中，热释电型探测器探测率最高、频率响应最宽，应用广泛。热释电型探测器的原理见图63。电介质加上电压将发生极化，表面上生成极化电

15、荷。极化强度与温度有关。温度越高时极化强度越低。如图所示，在电极外侧贴上黑色膜，令其接受红外线照射。在红外线照射下，温度升高，电极上电荷减少，电路中的电流将发生变化。由于电荷减少相当于释放部分电荷，这种传感器称为热释电型探测器。热释电型红外探测器的电介质采用水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体材料。图63 热释电型红外探测器原理与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器的响应波段宽，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。 光子探测器 光子探测器的工作原理是：利用红外线辐射的光子流与探测器材料内的电子互相作用，改变材料内电子的能量状态，以改

16、变电路的某些参数。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率；其探测波段较窄，一般需在低温下工作。 (3)红外测温仪当物体温度低于1000时，向外辐射的不再是可见光而是红外光。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。如采用滤光片分离红外光的波段，可使红外测温仪工作在任意红外波段。红外测温仪的框图见图64。被测目标的红外辐射通过透镜、滤光片、调制盘聚焦在红外探测器上，并转换为电信号输出到前置放大级；调制盘由步进电机带动，步进电机由多谐振荡器提供电源；加法器将经红外照射的温度电信号与经温度传感器取得的温度电信号进行比较和运算；最后经数/模转换并显示被测目标的温

17、度。滤光片的作用是只让一定波长（一般为814m）的红外光通过。调制盘的作用是将被测的红外线转换成交变的红外线。图64 红外测温仪的框图1-透镜;2-滤光片;3-调制盘;4-红外探测器;5-温度传感器;6-步进电机 红外测温仪的光学系统可以是透射式的，也可以是反射式的。反射式光学系统采用凹面玻璃反射镜，并在反射镜的表面镀金、铝、镍等对红外辐射反射率很高的金属材料。 (4)红外气体分析仪红外气体分析仪是根据不同气体对红外线具有不同的吸收特性来分析气体成分的。几种气体对红外线的透射光谱见图65。该图表明，CO气体对波长4.65m左右的红外线有很强的吸收能力；CO2气体对波长2.78m、4.26m左右

18、以及波长13m以上红外线有很强的吸收能力等。根据透射光谱图，选取适当波长的红外线就可对气体进行分析。 图65 气体对红外线的透射光谱 红外气体分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器、测量电路等组成（图66）。光源是先由镍铬丝通电加热发出310m的红外线，再由切光片将连续的红外线调制成脉冲的红外线，以便于红外线检测器的检测。滤波气室滤去不需要的红外线。测量气室中通入被分析的气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是带有两个吸收气室的薄膜电容型检测器。吸收气室的气体吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，室内压力将发生变化。例如，分析CO气体的含量时，两束红外线经反射、切光后射

19、入测量气室和参比气室，由于CO气体对4.65m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，射入红外探测器两个吸收气室的红外线产生能量差异，使测量边吸收室的压力较小，薄膜向右方偏移，输出电容量增大。也就是说，电容的变化量是被分析气体中某种气体浓度的函数。 图66 红外气体分析仪组成图(5)红外探伤红外热成像无损检测技术有被动式和主动式两种。被动式红外检测技术是利用待测对象本身发热的红外线辐射来进行检测。主动式红外检测技术就是红外探伤。红外探伤技术包括针对各类工件选择不同特性的热源进行周期、脉冲、直流等方式的加热；采用红外成像技术，并在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集；使用专

20、用计算机软件进行实时图象信号处理和分析。人为给工件加热后，在工件中形成热流传播。由于工件有缺陷地方的热传导率不同，工件表面上产生不同的温度，并有有不同的红外辐射强度。于是，可以根据红外热图像判定工件中有无裂纹、剥离、夹层等缺陷。红外探伤有穿透法和反射法。穿透法是加热工件的一个侧面，在其另一个侧面用红外摄像仪接收工件表面的温度场分布并生成热图像。工件内的缺陷会对热流的传播产生阻碍作用，并在待测工件表面上对应的位置形成一个低温区，在红外摄像仪上接收到的热图像将则是一个暗区。反射法加热工件的一面，在同一面用红外摄像仪接收工件表面的温度场分布并生成热图像。工件内的缺陷阻碍热流的传播，并造成能量反射，在

21、缺陷部位对应的表面形成一个高温区，在热图像出现一个亮区。通过热图像可以计算出缺陷的位置、形状、大小等需要探测的特征。红外检测技术可用于有摩擦的运动部件、钢包、锅炉、电器、电子线路、电缆、变配电装置等场合。3超声波传感器 (1)超声波 超声波是频率20kHz以上的机械波。几种波的频段见图67。超声波的频率越高，声场的指向性越好、能量越集中，而且与光波的某些特性越接近。用于检测的超声波的频段是0.25´10620´106Hz。图67 波的频段超声波的特点是：波长小，散射小，方向性好。穿透性强，在固体内可达数十米。反射、折射特征明显，宜用于探伤、测厚。例如，对于厚度为1/2波长整

22、数倍者，反射最小，容易穿透；对于厚度为1/4波长整数倍者，反射最大，不易穿透。超声波有以下几种基本波型，即纵波 质点振动方向与波的传播方向一致的波。纵波能在固体、液体和气体介质中传播。 横波 质点振动方向与波的传播方向垂直的波。横波只能在固体介质中传播。 表面波 质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播。其质点轨迹为椭圆形（见图68）；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。图68 表面波 兰姆波 沿厚度与波长近似相等的薄板传播的超声波。超声波的传播速度与介质密度、弹性、压强等因素有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，仅有纵波的传播。气体中的传播速度为3

23、44m/s、液体中的为9001900m/s。在固体中，横波传播速度为纵波的1/2，表面波传播速度为横波的90%。如图69所示，当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的上，一部分能量从分界面反射回原介质，另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。如果第一种介质是均匀介质，则入射角等于反射角。入射角与折射角的关系是c1和c2是超声波在两种介质里的传播速度。折射和反射常用于超声波检测。图69 超声波反射和折射 (2)常用超声波传感器 超声波探头有压电式探头、磁致伸缩式探头、电磁式探头等。最为常用的是压电式探头。压电式探头是利用压电晶体、压电陶瓷等压电材料的压电效应来工作的。发射探头利用

24、逆压电效应，即将高频电气振荡转换成高频机械振动，发射超声波；接收探头利用正压电效应，即将超声振动波转换成电信号，接收超声波。 压电式超声波探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、连接线等组成。其结构见图70。压电晶片多为圆形；其两面镀银作导电的极板用；超声波频率与其厚度成反比。阻尼块的作用是当激励停止时，晶片迅速停止振动以提高传感器的分辨率。 图70 压电式超声波探头 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射的特性制成的。根据发射波脉冲与反射波脉冲之间的时间间隔可测物位（或距离）。图71是物位传感器探头的几种安装方式。71 (a)、(b)将探头装在液体内，超声波衰减较慢，发

25、射波脉冲的幅值可以较小；71 (c)、(d) 将探头装在空气中，超声波衰减较快，发射波脉冲的幅值必须较大，但安装方便。图71 超声波物位测量超声波在液体里的传播速度与液体流速有关。如在静止液体里的传播速度为c、液体流速为v，则超声波顺流速方向和逆流速方向的传播速度分别为c+v和c-v。如果在管道内不同位置安装超声波发射探头和接收探头，根据发射波与反射波之间的时间间隔可测量流速、流量。 (3)超声波探伤超声波探伤常应用反射法和穿透法。超声波探可利用脉冲波、连续脉冲波进行检测。反射法是将超声波脉冲发射波到被检测工件内，根据反射波的情况来检测工件的缺陷。图72是缺陷回波法的示意图。无缺陷时，底面反射

26、波略低于发射波。有缺陷时，底面反射波明显低于发射波甚至消失，而且中间出现缺陷反射波。图72 缺陷回波法(a)无缺陷 (b)有缺陷1-入射波;2-底面反射波;3-缺陷反射波图73是多次底波法的示意图。无缺陷时，屏幕显示均匀波形。有小缺陷时，出现缺陷反射波，屏幕显示不均匀。有大缺陷时，相邻波之间的间隔减小。图73 多次底波法(a)无缺陷 (b)有缺陷 (c)有大缺陷 穿透法是根据发射波穿透工件之后的能量变化来判断缺陷情况的。因此，穿透法需要两个探头，一个用于发射，一个用于接收，分置在被测工件的两侧。 为适应被检测工件形状和探测要求的需要，有多种型式的探头，如直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探

27、头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）等。探头陪有不同形状的楔块，并用耦合剂接触法或液浸法与固定在被检测工件上。4微波传感器微波是波长为1 mm1 m的电磁波，分为分米波、厘米波、毫米波三个波段。微波的特点是：遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输能力强，传输过程受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响小；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。此外，微波定向辐射装置工艺较简单。 (1)微波传感器的组成 微波传感器的工作包括发射和接收两个阶段。由微波天线发射微波，微波遇到被测物体时将被吸收或反射，功率发生变化。由接收天线接收到通过被测物体的或由被测物体反射回来的微波，并将其转换为电信号，再经过处理，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 微波传感器分为反射式和遮断式两类。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进行测量的，可用于测量物体的位置、位移、厚度等参数。遮断式微波传感器是通过接收天线收到的微波功率来进行测量的，可用于测量被测物体的厚度、含水量等参数