传感器与检测技术-周杏鹏-清华大学出版社(7)

1、第7章 其他传感器技术 7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介 红外技术在军事、工农业生产、医学、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，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，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。温度探测及红外烘干等

2、等。7.1.1 红外检测的物理基础红外检测的物理基础7.1.2 红外探测（传感）器红外探测（传感）器 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。它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的波长范围大致在0.761000m，工程上又把，工程上又把红外线所占据的波段分为红外线所占据的波段分为和和。 除了太阳能辐射红外线外，自然界任何物体只要它本身具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。物体在向周围发射体温度越高，发射的红外辐射能越多。物体在向周围

3、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。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，光谱。由实验可知，即有：，即有：m=2897/T (m) （7-1）图图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值辐射波长m与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着温度的升

4、高其峰值波长向短波方向移动。温度的升高其峰值波长向短波方向移动。主动式主动式被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。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。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（如凡是能把红外辐射量转变成另一种便

5、于测量的物理量（如电量等）的器件都可称为红外探测器。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红外检测从原理上可分为和和两种。两种。无论是利用物体的红外辐射特性还是物体对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，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构成的检测系统中一般包含有、传输传输红外的红外的和接收红外的和接收红外的，以及，以及等组成部分。等组成部分。，是利用红外辐射与，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物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。辐射的。热探测器的工作机理是：利用红外辐射

6、的热效应，探测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。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：热探测器分为四类：。其中，。其中，热探测器热探测器1 利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常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、

7、光生伏特效应、光电磁效应、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应而制成的；利用内光电效应制成的；利用内光电效应制成的；利用阻挡层光电效应制成的；利用阻挡层光电效应制成的；利用光磁电效应制成的利用光磁电效应制成的。光探测器光探测器2热探测器的特点热探测器的特点从红外检测原理知，利用红外的反射、从红外检测原理知，利用红外的反射、透射、吸收特性透射、吸收特性等，利用其辐射特等，利用其辐射特性，性，。7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介

8、 超声技术是一门以物理、电子、机械及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和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。益和经济效益。7.2.1 超声检测的物理基础超声检测的物理基础7.2.2 超声波传感器及应用超声波传感器及应用 振动在弹性介质内的传播称

9、为波动，简称波。频率在振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在之间，能为人耳所闻的机械波，称为之间，能为人耳所闻的机械波，称为；低于；低于的的机械波，称为机械波，称为；高于；高于的机械波，称为的机械波，称为，如图，如图7-3所示。频所示。频率在率在之间的波，称为之间的波，称为。纵波纵波横波横波表面波表面波质点振动方向与波的传播方向一质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播介质中传播质点振动方向垂直于波的传播方向的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，沿着质

10、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衰减的波，表面波只在固体的表面传播超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。以水为例，当蒸馏水温度在为例，当蒸馏水温度在074时，声速随温度的升高时，声速随温度的升高而增加，在而增加，在74时达到最大值，大于时达到最大值，大于74后，声速随后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强等也会引起声速温度的增加而减小。此外，水质、压强等也会引起声速的变化。的变化。在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定在固体中

11、，纵波、横波及表面波三者的声速间有一定的关系：通常可认为的关系：通常可认为。气体中纵波声速为。气体中纵波声速为344m/s，液，液体中纵波声速为体中纵波声速为9001900m/s。 声波从一种介质传播到另一种介质时，在两个介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。如图为声波的反射和折射。如图7-4所示。所示。21sinsincc （7-2） 当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界当声波以

12、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，如图的反射和折射，如图7-5所示。所示。sinsinsinsinsin222111SLSLLccccc （7-3） 0 xxPPe20 xxII e （7-4） （7-5） 超声波检测中，首先要把超声波发射出去，然后再超声波检测中，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装置就是，也称为超声波换能器或超声，也称为超声波换能器或超声波探头。波探头。 超声波探头按其作用原

13、理可分为超声波探头按其作用原理可分为等，其中以等，其中以最为常用。最为常用。超声波探头超声波探头1 图图7-6为压电式探头结构图，它主要由压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、引线电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。等组成。穿透法探伤穿透法探伤反射法（脉冲回波法）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。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。的情形。7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.

14、3 光纤传感器7.4 传感新技术简介 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、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、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、浓磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、度、pH值等值等70多个物理量的测量，且具有十多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。分广泛的应用潜力和发展前景。7.3.1 光纤传感器基础光纤传感器基础7.3.2 光纤传感器光纤传感器 如图如图7-8所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤所示。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芯的

15、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。纤芯的折射率石英玻璃制成。纤芯的折射率n1大于包层的折射率大于包层的折射率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。面还常有一层保护套以增加机械强度。 设有一段光纤，它的两个端面均为光滑的平面，设有一段光纤，它的两个端面均为光滑的平面，如图如图7-9所示。当光线射入一个端面并与光纤轴线成所示。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，又以角时，在端面发生折射进入光纤后，又以 i角入射至角入射至纤芯与包层的界面，这时光线有一部

16、分透射到包层，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。一部分反射回纤芯。01sinsininn12sinsininn(7-6) (7-7) 21sincnn(7-8) 221201arcsin()icnnn(7-11) 阶跃型和梯度型光纤阶跃型和梯度型光纤多模光纤和单模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；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。大渐小，至界面处与包层折射率一致。通常纤芯通常纤芯

17、时，能传播几百个以上的模，而时，能传播几百个以上的模，而时，只能传播一个模。前者称为时，只能传播一个模。前者称为，后者称为，后者称为。 光纤传感器一般可分为两大类：一类是光纤传感器一般可分为两大类：一类是(Function Fiber Optic Sensor)，又称，又称FF型光纤传感器；另型光纤传感器；另一类是一类是(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又又NF型光纤传感器。型光纤传感器。，把光纤作为敏感元件；，把光纤作为敏感元件；，光纤仅作为光的传输介，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，也称质，用以传输来自远处或难以接近场

18、所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。传光型光纤传感器。光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤角速度传感器，又名光纤陀螺，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它是一种由单模光纤做光通路的萨格奈克（格奈克（Sagnac）干涉仪。）干涉仪。该干涉仪由光源、分束板、反射镜该干涉仪由光源、分束板、反射镜和光纤环组成。光在和光纤环组成。光在A点入射，并点入射，并被分束板分成等强的两束。反射光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进入光纤环沿着圆形环路逆时针方向传播。透射光向传播。透射光b被反射镜反射回来被反射镜反射回来后又被分束板反射，进入光纤环沿后又被

19、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，又在分束板处汇束光绕行一周后，又在分束板处汇合。合。 24 RlLc （7-23） 7.1 红外传感器7.2 超声波传感器7.3 光纤传感器7.4 传感新技术简介微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有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、传感器。它不仅用于无

20、线通讯，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的应用。遥感等方面也有着重要的应用。微波是波长为微波是波长为1m1mm的电磁波。可以细分为三的电磁波。可以细分为三个波段：个波段：。微波。微波。微波的特点微波的特点反射式微波传感器反射式微波传感器遮断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、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。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微波

21、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。无被测物或被测物的位置、厚度与含水量等参数。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。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。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

22、度便减小测物体厚度增加时，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，则反相叠加的微波经检波器行程完全相同，则反相叠加的微波经检波器C检检波后，输出为零；若两臂行程长度不同，则两路波后，输出为零；若两臂行程长度不同，则两路微波因相位角不同，经叠加后不能相互抵消，经微波因相位角不同，经叠加后不能相互抵消，经检波器检波后便有不平衡信号输出。检波器检波后便有不平

23、衡信号输出。()()BAABASLLLLLhh (7-24) 核辐射传感器是核辐射检测仪表的重要组核辐射传感器是核辐射检测仪表的重要组成部分，它是利用放射性同位素在蜕变成另成部分，它是利用放射性同位素在蜕变成另一元素时发出射线这一特性来进行相关物理一元素时发出射线这一特性来进行相关物理量的检测。量的检测。，如线位移、角位移、转速、液，如线位移、角位移、转速、液位、材料的成分、厚度以及覆盖层厚度等的位、材料的成分、厚度以及覆盖层厚度等的检测，核辐射检测具有检测，核辐射检测具有等等优点，特别在无损探伤等方面具有重要的应优点，特别在无损探伤等方面具有重要的应用。用。生物传感器是利用各种生物或生物物质

24、做成的、用生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的、用以检测与识别生物体内的化学成分及其变化的传感器。以检测与识别生物体内的化学成分及其变化的传感器。生物或生物物质主要指生物或生物物质主要指等。等。生物传感器由生物敏感膜和变换器构成，被测物质生物传感器由生物敏感膜和变换器构成，被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，利用相应的变换器将其转换成或产生新的化学物质，利用相应的变换器将其转换成量化的、可传输和处理的电信号。量化的、

25、可传输和处理的电信号。按所用生物活性物质的不同，可以将生物传感器分按所用生物活性物质的不同，可以将生物传感器分为五大类，即：为五大类，即：和和。依据所用变换器器件的不同，可将生物传感器分为：依据所用变换器器件的不同，可将生物传感器分为：和和。使用生物材料作生物敏感膜，必须研究如何使生物活性材料使用生物材料作生物敏感膜，必须研究如何使生物活性材料固定在载体（或称基质）上，这种结合技术称为固定化技术。固定在载体（或称基质）上，这种结合技术称为固定化技术。在研制传感器时，关键是把生物活性材料与载体固定化成为生在研制传感器时，关键是把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。物敏感膜。常用的载体有三大类：（常用的载体有三大类：（1）丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系）丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子；（聚合物等合成高分子；（2）胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等）胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等天然高分子；（天然高分子；（3）陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物。）陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物。将生物活性材料封闭在双层滤