56124自动检测技术、电子课件第11章其它传感器

第一节超声波传感器第二节红外传感器第三节激光传感器第四节新型传感器概述第十一章其他传感器第五节新型传感器应用实例

由于科学技术的发展，相关领域中的一些新材料、新技术已在检测技术中得到应用。目前，超声波、红外辐射、激光等传感器的应用范围在不断地扩大，特别是在环境条件恶劣或非接触测量的许多场合，这些传感器更显示出它们的优越性。本章主要讲述超声波传感器、红外传感器、激光传感器，并简要介绍一些新型传感器及其应用实例。本章教学要求超声波原理及超声波传感器红外辐射、红外传感器的原理及应用激光原理、激光传感器及其应用新型传感器的类型及其应用领域新型传感器应用实例

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可分为次声波、声波、超声波和特超声波。人耳能听到的声波频率范围是20～20000Hz。频率超过20000Hz的声波称为超声波。超声检测中常用的工作频率在0.25～

20MHz范围内。超声波的波型主要可分为纵波、横波和表面波三种。横波和表面波只能在固体中传播，而纵波可以在固体、液体和气体中传播。因此常用的超声波为纵波。第一节超声波传感器一、超声波的物理基础超声波的传播性质超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度。当超声波以一定的入射角α从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。反射定律折射定律当β=90°时的入射角称为临界入射角α0透射率和反射率取决于两种介质的密度。当从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，反射率也较大。反之，透射率和反射率较小。透射律反射率超声波在介质中的衰减二、超声波传感器

超声波传感器由发送传感器和接收传感器两部分组成，在超声波检测中成对使用。

发送传感器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的电源；换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中幅射。换能器一般有压电式和磁致伸缩式两种。

压电式发送传感器根据压电晶体的电致伸缩原理制成。磁致伸缩式发送传感器是根据铁磁物质的磁致伸缩效应原理制成的。压电式超声波发送传感器高频正弦交流电压产生并发射超声波压电晶体电致伸缩n为谐波级数，c为超声波在压电材料里的传播速度磁致伸缩式发送传感器高频正弦交变磁场铁磁材料机械振动频率只能在几万Hz以内，但声强可达几千W/cm2产生并发射超声波

超声波接收传感器传感器

超声波接收器是利用超声波发生器的逆变效应进行工作的。接收传感器由换能器与放大电路组成，包括压电式和磁致伸缩式两种形式。压电式超声波接收器：当超声波作用到电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷，这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路。磁致伸缩超声波接收器：当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩引起内部磁场变化，根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，再将此感应电动势送到测量电路及记录显示设备。三、超声波在自动检测中的应用穿透法超声波探伤发射超声工件内部缺陷接收能量损失部分反射工件内无缺陷接收能量最大全部透射反射法超声波探伤发射T波接收器接收工件没有缺陷收到B波工件内部缺陷收到F波超声波测量厚度发射超声波接收器接收记录发送接收时间间隔t超声波测量液位发射超声波接收器接收记录发送接收时间间隔t计算液位显示输出超声波测量车速示意图

红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性实现自动检测的一种传感器。已经广泛应用于生产、科研、军事和医疗等各个领域。红外测量技术是检测技术、遥感技术和空间科学的重要手段。第二节红外传感器一、红外辐射的产生和性质

自然界中任何物体，只要其本身温度高于绝对零度(-273.16℃)，就会不断地辐射红外线。也就是说，在常温下所有物体均是红外辐射源，而且物体温度愈高，辐射功率就愈大。红外线具有反射、折射、散射、干涉、吸收等多种性质。红外辐射在介质中传播时，输入与输出能量关系为穿出通量入射通量吸收系数介质厚度二、红外传感器

热电红外传感器是利用红外辐射的热效应原理工作的。热电探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。

按工作原理可分为热电红外传感器和光电红外传感器两类。

光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应原理工作的。光电红外传感器有内光电和外光电红外传感器两种，前者又分为光电导、光生伏特和光磁电红外传感器等三种。

按光学系统又分为透射式和反射式红外探测器。透射式红外传感器光学系统的元件采用红外光学材料，并且根据所探测的红外波长来选择光学材料：在近红外区，选用一般的光学玻璃和石英等材料；在中红外区，选用氟化镁、氧化镁等材料;在远红外区，选用锗、硅等材料。

反射式红外传感器

反射式红外传感器是采用凹面玻璃反射镜，将红外辐射聚焦到敏感元件上。反射式的光学系统元件表面镀金、铝或镍铬等对红外波段反射率较高的材料，但在制造工艺方面较复杂。三、红外传感器的应用红外测温仪

它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度。

根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。工作时，两束红外线经反射、切光后，滤掉干扰气体的影响，分别射入测量气室和标准气室。由于测量气室中对4.65μm的红外辐射有较强的吸收能力，而标准气室中气体不吸收红外辐射，从而使两吸收室压力不同，于是电容器的可动电极（薄膜）偏向固定电极片方向，改变了电容极距，即改变电容C。电容量变化反映了被分析气体中被测气体的浓度。

红外气体分析仪红外无损探伤

工作时，传送带匀速把包装袋的封口送往热源和红外传感器之间，热源对封口均匀加热并使其封合，如果封口中存在气泡、空隙等缺陷，会妨碍热能的流动而引起温度分布异常。通过温度分布的测量就可以判断出缺陷的位置。红外自动感应门第三节激光传感器一、激光的本质基态原子外界因素激发自发辐射处于激发态激发态原子外界因素诱发产生激光受激辐射自发辐射:原子在正常分布状态下，大部分处于低能级E1状态，得到外界能量后，原子被短期激发，跃迁到高能级E2状态。极短时间后，原子跃迁返回低能级，同时辐射出光子。受激辐射:在外界因素的诱发下，处在激发态的原子也可以跃迁到低能级而发光，这种发光过程称为受激辐射，但并非任何外来光子都能引起受激辐射。只有当外来光子的频率大于或等于激发态原子的某一固有频率，才能引起受激辐射。

受激辐射所激发出光子的频率、相位方向均与入射光一致，这种光称为相干光。如果这些光子再引起其它原子发生受激辐射，那么这些原子所引起的辐射光子在频率、相位和振动方向上也与外来光子完全相同，从而产生激光。二、激光的形成原理粒子数反转分布粒子数反转分布外界因素激发N2>N1光以放大为主物质内部粒子数与能量方程光的振荡放大

光学共振腔由各种形状的曲面反射镜组成，镜面具有极高的反射率，工作物质被封装在共振腔中。光子在两反射镜间往返运动，不断地碰撞处于激发态的粒子，使得受激辐射一次又一次的加强。激光是受激辐射和谐振腔共同作用的结果，而粒子数反转分布则是形成激光的必要前提条件。三、激光的特点方向性强：激光光束的发散角很小，在几公里以外的光斑直径可以小于几厘米，因此一般认为激光是平行光。单色性好：单色光是指频谱很窄的光波。激光的频带宽度很窄，是最好的单色光。激光的谱线单纯，波长变化范围很小，因此单色性非常好。相干性好：相干性是指两束光在相遇区域内相互叠加后，能形成比较稳定的干涉条纹所表现的性质。相干性有时间相干性和空间相干性两种。由于激光的传播方向、频率和相位完全相同，因此激光的时间相干性和空间相干性都很好。四、激光传感器气体激光器气体激光器通常是利用激光管中的气体放电现象来工作的。光学共振腔由一个平面镜和一个球面镜构成成。气体激光器的工作物质是气体，目前已开发出各种气体激光器。常用的有CO2激光器、氦氖激光器等。氦氖激光器在激光管内充有一定容量的氦氖混合比的气体，形成低压放电管。在阳极与阴极之间加几千伏电压，使之放电，产生大量动能很高的自由电子发生受激辐射。液体激光器

液体激光器的工作物质是液体，可分为有机液体染料激光器、无机液体染料和聚合物激光器等。其特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调。可连续工作而不降低效率。固体激光器

固体激光器的工作物质是固体。常用的固体激光器有红宝石激光器等。固体激光器的常用激励方式为光激励，也就是用强光去照射工作物质，使它激发出激光。为了有效地利用各种光泵源的光能，常采用各种聚光腔。在共振腔内壁镀上高反射率的金属薄层，使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。

半导体激光器的主要特点重量非常轻，结构紧凑，转换效率很高，输出功率比较小，受环境温度影响比较大等。主要用于军工武器瞄准、测距等方面。半导体激光器

半导体激光器的工作物质是某些半导体材料，如砷化镓等。砷化镓激光器可以做成二极管形式，在PN结中注入能量，可以造成电子与空穴重新复合，能量以光子形式释放，形成激光。五、激光的应用激光干涉位移传感器

当可动反射镜沿光轴方向每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，经光电倍增管放大后，计数得到干涉条纹数。激光测距探测器到目标距离为激光射向被测目标计算距离目标反射回激光器求出往返所需时间激光测速

激光测速是利用光的多普勒效应。多普勒效应是指当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射（或反射）光的频率将发生改变的现象。相应地，将散射（或反射）光的频率与光源光频率之差称为多普勒频移。据此可测量运动物体速度、流体流速等。当运动体相对于激光光源S有相对运动时，由于运动体的运动速度而引起光波频率偏移，称为多普勒频移多普勒频移结论：只要测出

fd，则可求出物体运动速度v激光多普勒流速计

测量流速所用的仪器称为激光多普勒流速计，它可以测量火箭燃料的流速，飞行器喷射气流的速度，风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。第四节新型传感器概述

随着社会的发展，工业的进步，传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。传统的传感器技术在精度、灵敏性、集成度、可靠性等方面已经逐渐不能满足要求。人们对传感器提出了越来越高的要求，这也成为传感器技术发展的强大动力。在这种背景下，近年来人们对传感器新原理、新材料和新技术的研究更加深入广泛，传感器新品种、新结构、新应用不断涌现。新型传感器的特征以及发展趋势主要表现在以下几个方面。微型化传感器

随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展，传感器的生产制造引入了许多新工艺并实现了规模化生产，这为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。在传感器微型化方面值得一提的是近年来微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems

缩写为MEMS）的发展。MEMS是指可批量制作的，集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信等于一体的微型系统。智能化传感器

智能化传感器是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。智能化传感器集成了传感器与微处理器（或微控制器）的功能，可全部或部分实现信号检测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，它的应用使传感器技术提高到一个新的水平，发展到一个崭新的阶段。智能化传感器的特点具有逻辑判断及信息处理功能智能化传感器带有微处理器，因此它不但能够对信息进行处理、分析和调节，而且还能够对所测的数值及其误差进行补偿。它可以借助表格对非线性信号进行线性化处理，也可以借助数字滤波软件对信号进行滤波，还能够利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，从而极大地提高了测量精度。具有自诊断和自校准功能智能化传感器可以检测工作环境。当外部工作环境临近其极限条件时，它能够发出报警信号并给出相关的诊断信息，从而提高了可靠性。实现多传感器多参数测量智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量，能更加方便地对多种信号进行实时处理。具有数据存取功能智能化传感器能实时处理检测数据，也能存储信息，以备事后查询。存储的内容可以是检测数据，也可以包括设备的历史工作记录以及其它相关信息。具有通信功能智能化传感器带总线接口，能执行与计算机之间的通信，实现信息的相互交换。它可以通过接口向计算机传递现场的实时数据，并通过接口接收来自上位机的控制指令。多功能集成传感器

多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。这里的集成有两种定义。一种是同类型多个传感器的集成，即用集成工艺将多个同一功能的传感元件排列在同一平面上，组成线性传感器（如CCD图像传感器）。另一种是多功能传感器的集成，即将几种不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成多功能一体化传感器。而后者正是当前传感器集成化发展的主要方向。网络传感器

传感器网络是由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过无线通信网络将所感知信息传送到用户终端。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值。第五节新型传感器应用实例设计一个以单片机为核心的实时温度检测系统。单片机为AT89C2051，温度传感器为智能化集成温度传感器DS18B20。温度测量范围为-55℃～+125℃，分辨率为0.0625℃。使用五位LED数码管动态显示温度值，温度精确到小数点后两位。设计单片机和DS18B20的接口电路及相应软件。一、功能要求系统硬件由DS18B20、单片机和显示元件三部分组成二、系统硬件DS18B20的内部结构DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的操作命令ROM操作命令命令字功能33H读ROM命令：通过该命令主机可以读出DS18B20ROM中的8位系列产品代码、48位产品序列号和8位CRC校验码。该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。55H匹配ROM命令：当多片DS18B20在线时，主机发出该命令，后面跟随64位ROM编码序列。挂在总线上的DS18B20，只有其内部ROM与该64位数相同者才能响应随后的存储器操作命令。0F0H搜索ROM命令：该命令可以查询总线上的DS18B20数目及其64位序列号。0CCH跳过ROM命令：该命令允许主机跳过ROM序列号检测而直接使用功能命令。该命令仅限于单个DS18B20在线的情况。0ECH报警搜索命令：只有满足报警条件的DS18B20才对该命令作出响应。DS18B20的操作命令存储器