第9章新型传感器

1、第9章新型传感器 上图为常用的脉冲回波法测厚原理图。主控制器产生一定重复频上图为常用的脉冲回波法测厚原理图。主控制器产生一定重复频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大激励压电式探头，以产率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大激励压电式探头，以产生重复的超声脉冲，并耦合到被测工件中，脉冲传播到工件的另一生重复的超声脉冲，并耦合到被测工件中，脉冲传播到工件的另一面被反射回来，被同一探头接收，若超声波在工件中的声速面被反射回来，被同一探头接收，若超声波在工件中的声速v已知，已知，设工件厚度为设工件厚度为d，脉冲波从发射到接收的时间间隔为，脉冲波从发射到接收的时间间隔为t可以测量，可可以测量，可以求

2、出工件的厚度为：以求出工件的厚度为：1.波的概念波的概念振动在弹性介质内的传播频率在振动在弹性介质内的传播频率在16Hz2104 Hz之间，声波为人之间，声波为人耳能听见的机械波；次声波为低于耳能听见的机械波；次声波为低于16 Hz的机械波；超声波为高于的机械波；超声波为高于2104 Hz的机械波；微波为频率在的机械波；微波为频率在3108 Hz31011 Hz之间的之间的波。波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形

3、转换等现象。声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形也不同。一般有以下几种：波形也不同。一般有以下几种：（1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、）纵波：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。液体和气体介质中传播。（2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播。质中传播。 （3）表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传）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，其振幅

4、随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播，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。播。2.超声波的性质超声波的性质（1）超声波的传播速度）超声波的传播速度 超声波可以在气体、液体及固体中传播，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度，纵波、横波及表面波的传播速度与介质密度并有各自的传播速度，纵波、横波及表面波的传播速度与介质密度和弹性特性有关；在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速有一和弹性特性有关；在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速有一定的关系，一般横波声速为纵波的定的关系，一般横波声速为纵波的1/2，表面波声速为横波声速的，表面波声速为横波声速

5、的90%。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此仅有纵波的传播，在常温下空气中的声速为仅有纵波的传播，在常温下空气中的声速为334m/s，在水中的声速，在水中的声速约为约为1440m/s，而在钢铁中的声速约为，而在钢铁中的声速约为5000m/s。其传播速度。其传播速度c为：为：（2）超声波的反射与折射）超声波的反射与折射 声波从一种介质传播到另一种介质，在声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分被反射回原介质的波称为反射波；另一两个介质的分界面上一部分被反射回原介质的波称为反射波；另一部分透射过界面，在另一种

6、介质内部继续传播的波称为折射波，如部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播的波称为折射波，如下图。当波在界面上产生反射时，入射角下图。当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦与反射角的正的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角的正弦的正弦与折射角与折射角的正弦之比，等于入射波在介质的正弦之比，等于入射波在介质1中的波速中的波速c1与折射波在与折射波在介质介质2中的波速中的波速c2之比：之比：（3）超声波的衰减）超声波的衰减 超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，气体超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大

7、，液体次之，固体吸收最小而衰减最小，因此吸收最强而衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小，因此对于给定强度的声波，在气体中的传播距离会明显比在液体和固体对于给定强度的声波，在气体中的传播距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。在传播时的衰减更明显。 上图为热释电红外传感器的结构及内部电路图。热释电红外传感器主要由电阻、上图为热释电红外传感器的结构及内部电路

8、图。热释电红外传感器主要由电阻、外壳滤光片、光敏元件（外壳滤光片、光敏元件（PZT）、结型场效应管（）、结型场效应管（FET）和二极管等组成。热释）和二极管等组成。热释电红外传感器的工作原理是入射的红外线首先照射在滤光片上，滤光片为电红外传感器的工作原理是入射的红外线首先照射在滤光片上，滤光片为6m多多层膜干涉滤光片，它对层膜干涉滤光片，它对5m以下短波长光有高反射率，而对以下短波长光有高反射率，而对6m以上人体发射出以上人体发射出来的红外线热源（来的红外线热源（10m）有高穿透性。透射过来的红外线照射在光敏元件上，）有高穿透性。透射过来的红外线照射在光敏元件上，那么光敏元件输出的信号由高输入

9、阻抗的场效应管（那么光敏元件输出的信号由高输入阻抗的场效应管（FET）放大器放大，并转换）放大器放大，并转换为低输出阻抗的输出电压信号。按照采用的敏感元件的不同，热释电红外传感器为低输出阻抗的输出电压信号。按照采用的敏感元件的不同，热释电红外传感器又分为热敏电阻型红外传感器、热电偶型红外传感器、光电池型红外传感器、光又分为热敏电阻型红外传感器、热电偶型红外传感器、光电池型红外传感器、光导纤维型红外传感器、光敏电阻型红外传感器等。导纤维型红外传感器、光敏电阻型红外传感器等。1.红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分通过红外红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能

10、量大部分通过红外线辐射，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光线辐射，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。2.红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。红外线的波长介于可见光和微波之间，波长在红外线的波长介于可见

11、光和微波之间，波长在3m为近红外区，为近红外区，3m30m为为中红外区，中红外区，30m1000m为远红外区或极远红外区，红外线在电磁波谱中的位为远红外区或极远红外区，红外线在电磁波谱中的位置如下图。红外线不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的能力，置如下图。红外线不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的能力，红外线的辐射距离一般为几米到几十米或更远。红外线的辐射距离一般为几米到几十米或更远。3.红外线的特点：红外线的特点：（1）易于产生和接收；）易于产生和接收；（2）结构简单、易于小型化、成本低；）结构简单、易于小型化、成本低；（3）采用红外发光二极管，调制简单，依靠调制信

12、号编码可实现）采用红外发光二极管，调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制；多路控制；（4）红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；）红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；（5）功耗小，反应快；）功耗小，反应快；（6）对环境无污染，对人、物无损害；）对环境无污染，对人、物无损害；（7）抗干扰能力强。）抗干扰能力强。4.外传感器可以检测到物体发射出的红外线，用红外线作为检测媒外传感器可以检测到物体发射出的红外线，用红外线作为检测媒介，实现某些非电量的测量，比可见光做媒介的检测方法要好。主介，实现某些非电量的测量，比可见光做媒介的检测方法要好。主要体现在不受周围可见光的影响，可昼

13、夜测量；由于被测对象本身要体现在不受周围可见光的影响，可昼夜测量；由于被测对象本身会辐射红外线，故不必设光源，比较方便；大气对某些特定波长范会辐射红外线，故不必设光源，比较方便；大气对某些特定波长范围内的红外线吸收很少，适用于遥感、遥测技术。红外传感器及检围内的红外线吸收很少，适用于遥感、遥测技术。红外传感器及检测技术广泛应用于工业、农业、水产、医学、土木建筑、海洋、气测技术广泛应用于工业、农业、水产、医学、土木建筑、海洋、气象、航空、宇航等各个领域，应用非常广泛。象、航空、宇航等各个领域，应用非常广泛。 上图为光纤转速测量传感器原理示意图。凸块上图为光纤转速测量传感器原理示意图。凸块4随被测

14、转轴随被测转轴2转动，在转到透镜转动，在转到透镜6内时，将光路遮断形成光脉冲信号，再由光电内时，将光路遮断形成光脉冲信号，再由光电元件元件5将光脉冲信号转变为电脉冲信号，经计数器处理而获得转速将光脉冲信号转变为电脉冲信号，经计数器处理而获得转速值。值。 光纤传感器由光源、光敏器件、入射光纤、出射光纤、调制器光纤传感器由光源、光敏器件、入射光纤、出射光纤、调制器和信号处理系统等部分组成（下图）。光纤传感器的基本原理是将和信号处理系统等部分组成（下图）。光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。常见光纤传感器再经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。常见光纤传