第11章波式、射线式和红外传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第第11章章 波式、射线波式、射线式和红外传感器式和红外传感器第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基

2、本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质) 1 .11(sinsin21cca亦即：亦即：sinsin21cac11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质sinsinsinsinsinS2L22S11L1Lccccc11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质式中，式中，I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的分别为入射波、反射波、透射波的声强；声强；r r1c1、r r2c2分别为两介质的分别为两介质的声阻抗声阻抗，r r为密为密度，度，c为速度。为速度。2221122110t2221122110r)(4ccccIITccccIIRrrrr

3、rrrr,11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质2221122110t2221122110r)(4,ccccIITccccIIRrrrrrrrr11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质)3 .11(e)2 .11(e200AxxAxxIIpp式中，式中，A为衰减系数。为衰减系数。11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1

4、 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质11. .1. .1 超声波的基本性质超声波的基本性质 7. .聚焦聚焦 超声波可以被聚焦。超声波可以被聚焦。被聚焦后，具有较好的方被聚焦后，具有较好的方向性，能量集中，可用于向性，能量集中，可用于焊接等。超声波塑料焊接焊接等。超声波塑料焊接机如图所示。机如图所示。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器接触式直探头接触式直

5、探头接触式斜探头接触式斜探头11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片 双晶探头的结构虽双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收控制电信号的反射和接收控制电路较单晶直探头简单。路较单晶直探头简单。 11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 水浸探头（可用自来水作为耦合剂）水浸探头（可用自来水作为耦合剂）11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 图示为典型结构，其上限频率可到图示为典型结构，其上限频率可到100 kHz左左右

6、，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器美国蜂鸟美国蜂鸟595C系列鱼群探测器系列鱼群探测器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器 对于图示压电式超声波探头，超声波频率与对于图示压电式超声波探头，超声波频率与晶片厚度晶片厚度d、纵波波速、纵波波速c、密度、密度r r的关系为：的关系为：11. .1. .2 超声波传感器超声波传感器)4 .11( )1(22时ndcdncf式中，式中，n为谐波级数，为谐波级数，n1, ,2,

7、,3, ,11. .1 超声波式传感器超声波式传感器11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用)5 .11(2/ctH 11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用)6 .11(2ht 11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用

8、)7 .11(222ath 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。有较大的误差。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用cLtcLt21,11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用2221222cLcLcLcLtt则：则：tLc2211. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超

9、声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 5. .在医疗领域的应用在医疗领域的应用 超声波在医疗领域有非常广泛的应用，超声波在医疗领域有非常广泛的应用，可用于疾病诊断和治疗。可用于疾病诊断和治疗。11. .1. .3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 6. .超声波测速超声波测速 利用利用超声波的多普勒效应，可以测量车速。超声波的多普勒效应，可以测量车速。11. .1 超声波式传感器超声波式传感器第第11章章 波式、射线式和

10、红外传感器波式、射线式和红外传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点11. .2. .1 微波的性质与特点微波的性质与特点11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11. .2. .2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线( (a) )扇形喇叭天线；扇形喇叭天线；( (b) )圆锥形喇叭天线；圆锥形喇叭天线；( (c) )旋转

11、抛物面天线；旋转抛物面天线； ( (d) )抛物柱面天线抛物柱面天线 11. .2 微波式传感器微波式传感器11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用2222422dsdsa11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用)8 .11(4422rtt2rdsGGPP 式中，式中，Pt为发射天线发射的功率；为发射天线发射的功率；Gt为发射天线为发射天线的增益；的增益；Gr为接收天线的增益。为接收天线

12、的增益。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用)9 .11(4rtt20GGPsP11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用)10.11(0rPP式中，式中， 是由被测物形状、材料性质、电磁性能是由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。等因素决定的系数。 11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 通过一种特殊的扫描技术可通过一种特殊的扫描技术可高精度地测量很高精度地测量很短的微波运行时间短的微波运行时间。通过计算微波的运行时间，。通过计算微波的运行时间，可计算出到介质的距离。可计算出到介质的距离。11. .2. .3 微波传感器及

13、其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用式中，式中，LA、LB分别为测量臂和参考臂在电桥平衡分别为测量臂和参考臂在电桥平衡时的电行程长度，且时的电行程长度，且LALB； LA、 LB为电行程为电行程长度的变化值；长度的变化值； h为被测金属厚度变化值，为被测金属厚度变化值， s为为补偿短路器的位移补偿短路器的位移。)11.11(22ABAABBhLsLLLLL11. .2. .3

14、微波传感器及其应用微波传感器及其应用 式中式中， 、 分别为相移和衰减的度量。分别为相移和衰减的度量。11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用11. .2. .3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用cff0D211. .2 微波式传感器微波式传感器第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式

15、、射线式和红外传感器11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础)12.11(e0t式中，式中， 0、 分别为初始时与经过时间分别为初始时与经过时间t后的原子后的原子核数；核数； 为为衰变常数衰变常数。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础)13.11(693. 02ln 和和 都是不受任何外界作用影响而且和时间都是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量。但是，不同放射性元素的无关的恒量。但是，不同放射性元素的 和和 是不是不同的。同的。11. .3.

16、 .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础)14.11(e0tII 放射强度的单位是放射强度的单位是居里居里( (Ci) )。1 Ci等于放等于放射源每秒钟发生射源每秒钟发生3.71010次核衰变。在检测仪次核衰变。在检测仪表中，表中，Ci单位太大，通常用它的千分之一来单位太大，通常用它的千分之一来表示，

17、称为表示，称为毫居里毫居里( (mCi) )。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础)16.11(em0hJJr式中，式中，h为穿透物质的厚度；为穿透物质的厚度；r r为物质的密度；为物质的密度； m为物质的为物质的质量吸收系数质量吸收系数。11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础11. .3. .1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础)17.11()e1 (hmhhJJ11. .

18、3 核辐射式传感器核辐射式传感器11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 图示为图示为 厚度计辐射厚度计辐射源容源容器，辐射线出口处装器，辐射线出口处装有耐辐射薄膜，以防灰尘有耐辐射薄膜，以防灰尘侵入，并能防止辐射源受侵入，并能防止辐射源受到意外损伤而造成污染。到意外损伤而造成污染。11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成123U

19、U2U1OI11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3. .2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成11. .3 核辐射式传感器核辐射式传感器第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11. .4 红外传感器红外传感器11. .4 红外传感器红外传感器11. .4 红外传感器红外传感器壁装式被动红外传感器壁装式被动红外

20、传感器红外测距传感器红外测距传感器11. .4 红外传感器红外传感器红外温度传感器红外温度传感器矿用红外二氧化碳传感器矿用红外二氧化碳传感器11. .4 红外传感器红外传感器红外测温仪红外测温仪 11. .4 红外传感器红外传感器11. .4. .1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识11. .4. .1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识11. .4. .1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识11. .4. .1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识11. .4. .1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识11. .4 红外传感器红外传感器11. .4. .2 红外辐射的基本定律红外辐

21、射的基本定律)18.11(0rEE式中，式中，Er为物体在单位面积和单位时间内发射出为物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；的辐射能； 为物体的吸收系数；为物体的吸收系数；E0为常数，其为常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。11. .4. .2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律)19.11(4TE式中，式中，T为物体的绝对温度，单位为为物体的绝对温度，单位为K； 为为斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数； 为比辐射率，即物为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的体的 1。11. .

22、4. .2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律)20.11()m(2897mT11. .4. .2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律11. .4 红外传感器红外传感器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11. .4. .3 红外探测器红外探测器11.

23、.4 红外传感器红外传感器第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11. .5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用11. .5. .1 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用)21.11()ln(ln10IIH式中，式中， mr