《自动检测技术》第6章 其他传感器简介

第6章其他传感器简介6.1光电式传感器6.2超声波传感器6.3红外传感器6.4激光传感器第6章其他传感器简介在自动检测技术中，用来将非电量转换成电量的检测方法是很多的，在前几章中已经介绍了许多种常用的传感器及一些新型传感器。但是，随着科学技术的进步，相关领域中的技术相互渗透，一些技术逐步应用到自动检测技术中，如光电传感器、超声波传感器、红外辐射传感器、激光传感器等，而且他们的应用范围在不断扩大，特别是在一些环境恶劣、要求特殊的场合，这些传感器就更显示出他们的优越性来。本章将重点介绍光电、超声波、红外辐射、激光等传感器的工作原理、测量技术及应用。返回6.1光电式传感器光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器的内容极其丰富，在检测和控制领域获得了广泛的应用。6.1.1光电效应由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。下一页返回6.1光电式传感器

光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应就是物体吸收了光子的能量E后所产生的电效应。通常光电效应可分为外光电效应和内光电效应两大类。1.外光电效应在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象称为外光电效应。光是由以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量为:E=Hf上一页下一页返回6.1光电式传感器

根据爱因斯坦假设:一个光子的能量只能给一个电子。因此，如果一个电子要从物体中逸出表面，必须使光子能量E大于表面逸出功A0，这时逸出表面的电子具有的动能Ek为:

Ek=Hf-A0

可知光子能量必须超过逸出功，才能产生光电子。入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比，光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生。为使光电流为零，必须加负的截止电压。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。上一页下一页返回6.1光电式传感器2.内光电效应在光的照射下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为两类:光电导效应和光生伏特效应。

1）光电导效应。光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃人导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大，从而使电导率增大的现象。上一页下一页返回6.1光电式传感器

2)光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。光生伏特效应又包括两种情况。①势垒效应(结光电效应)。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。②侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管、光电池、半导体光电位置敏感器件(PSD)等。上一页下一页返回6.1光电式传感器6.1.2光电元件1.基于外光电效应的光电元件光电管有真空光电管(又称电子光电管)和允气光电管(又称离子光电管)两类。两者结构相似，如图6-1所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当入射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚(成为逸出功)而逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。上一页下一页返回6.1光电式传感器在光照频率高于阴极材料极限频率的前提下，逸出电子数决定于光通量，光通量越大，则逸出电子越多。当光电管阳极与阴极间加适当正向电压(数十伏)时，从阴极表面溢出的电子被具有正向电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。

由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光电管的图形符号及测量电路如图6-2所示。上一页下一页返回6.1光电式传感器2.基于内光电效应的光电元件1）光敏电阻（1）工作原理。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。如图6-4在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的壳体里就构成了光敏电阻；为了增加灵敏度，两电极常做成梳妆。光敏电阻具有很高的灵敏度和很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。上一页下一页返回6.1光电式传感器(2)光敏电阻的主要参数暗电阻。光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻受温度影响较大，当温度上升时，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。亮电流。光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，光敏电阻的灵敏度就越高。上一页下一页返回6.1光电式传感器(3)光敏电阻的基本特性光电特性。在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光敏电阻的光电特性。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件。一般在自动控制系统中用作光电开关。伏安特性。光敏电阻两端所加电压和流过光敏电阻的电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。在给定偏压下，光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。上一页下一页返回6.1光电式传感器2)光敏二极管、光敏三极管

(1)光敏二极管的结构及工作原理。光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其PN结装在透明管壳体的顶部，以便接收光照，它在电路中一般处于反向偏置状态，如图6-5所示。在没有光照时由于二极管反向偏置所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子一空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进人P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流。上一页下一页返回6.1光电式传感器入射光的照度增强，光产生的电子一空穴对数量也随之增加，光电流相应增大，光电流与光照度成正比。

(2)光敏三极管结构及工作原理。光敏三极管与一般三极管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏三极管的基极无引出线。光线通过透明窗口落在集电结上，与光敏二极管相似，入射光在集电结附近产生电子一空穴对，电子受集电结电场的吸引流向集电区，基区中留下的空穴构成“纯正电荷”，使基区电压升高，致使电子从发射区流向基区，而这一过程与普通三极管的放大作用相似。上一页下一页返回6.1光电式传感器3)光电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。通常是在N型衬底上制造一薄层P型区作为光照灵敏感面。图6-6是硅光电池结构示意图及基本电路。光电池的种类很多，由硅、砷化稼、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。其中应用最广的是硅光电池，这是因为它有一系列优点:性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射和价格便宜等。上一页下一页返回6.1光电式传感器6.1.3光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化稼发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管，也可以是光敏三极管。上一页下一页返回6.1光电式传感器光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图6-8为典型的光电开关结构图。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL,MOS等电路容易结合。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全检测装置中，作为光控制和光探测装置。在自动控制系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等。上一页下一页返回6.1光电式传感器6.1.4光电传感器的应用光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛，目前越来越多的用于生产的各个领域。1.带材跑偏检测器在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中易产生走偏，而带材跑偏检测器则可用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。上一页下一页返回6.1光电式传感器2.光电转速传感器

图6-10是光电数字转速表的工作原理图。图6-10(a)是透光式，在待测转速轴上固定一带孔的调置盘，在调置盘一边由自炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，通过脉冲频率来测定转速。图6-10(b)是反光式，在待测转速盘上固定一个涂有黑自相间条纹的圆盘，条纹反射不同的信号，光敏元件将发射信号转换成电脉冲信号，进而根据脉冲频率来测量转速。上一页下一页返回6.1光电式传感器3.条形码扫描器扫描器的前方为光电读入头，它一般由发光二极管和光敏三极管组成。如图6-11所示。当扫描器在条形码上时，若遇到黑色线条，发光二极管发出的光线将被黑线吸收，光接收元件接收不到反射光，呈现高阻抗，处于截止状态。当遇到自色间隔时，发光二极管所发出的光线被反射到光接收元件，呈低阻抗，接收元件处于导通状态。条形码被扫描后，光接收元件将条形码转换成了一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便成了脉冲列，脉冲列经计算机处理后，完成对条码信息的识读。上一页返回6.2超声波传感器

超声波是一种频率高于2*104Hz的机械波，它具有聚束、定向、反射、透射等特性由于超声波具有易于定向发射，方向性好，强度好控制，对色彩、光照度不敏感，反射率高等特点，因此被广泛应用于无损探伤，距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。6.2.1超声波的物理基础1.超声波的传播方式超声波可以以纵波、横波、表面波三种方式传播。

下一页返回6.2超声波传感器(1)纵波。质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波，又称压缩波。它能在固体、液体和气体中传播。人讲话时产生的声波就属于纵波。(2)横波。质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它是固体介质受到交变剪切应力作用时产生的剪切形变，所以又称剪切波。它只能在固体中传播(3)表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只能沿着固体的表面传播。上一页下一页返回6.2超声波传感器2.超声波的传播速度超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关，也与环境条件有关。在液体中，其传播速度为:

在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%，故表面波又称为慢波，温度越高，声速越慢。在气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在900~1900m/s。上一页下一页返回6.2超声波传感器

3.超声波的指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，具有一定的指向哇。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。4.超声波的反射与折射当超声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质的分界面上时，一部分能量反射回原介质，称为反射波;令一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播称为折身波或透射波。如图6-12所示。入射角a与反射角a’以及折射角β之间遵循类似光学的反射定律和折射定律。上一页下一页返回6.2超声波传感器6.2.2超声波换能器超声波换能器有时也称为超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的。若将高频电振动转换成高频机械振动而产生超声波，则为发射探头;若将超声振动转换成电信号，则为接收探头。超声波探头结构如图6-13所示，它主要由压电晶片、吸收块、保护膜、接线片等组成。上一页下一页返回6.2超声波传感器6.2.3超声波传感器的应用从超声波的行进方向来看，超声波传感器的应用有两种类型。当超声波发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声波发射器与接收器置于同侧时为反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。

1.超声波测液位或料位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特性而制成的。上一页下一页返回6.2超声波传感器如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波的功能使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器承担。

图6-14给出了几种超声物位传感器的结构示意图。可以看出只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测液位。上一页下一页返回6.2超声波传感器

2.超声波流量计超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。超声波流量传感器的测定方法是多样的，如时间差法、相位差法、频率差法等。频率差法测量流量的原理如图6-15所示。探头1、探头2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。超声流量计的最大特点是:探头可装在被测管道的外壁，实现非接触测量，既不干扰流场，又不受流场参数的影响。上一页下一页返回6.2超声波传感器

3.超声波探伤超声波检测和探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷。其工作原理是超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测，来了解材料性能和结构变化。超声波检测方法通常有穿透法和脉冲反射法。(1)穿透法探伤。穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部的情况。(2)反射法探伤。反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。上一页返回6.3红外传感器红外辐射传感器是利用物体产生红外辐射的特性来实现自动检测的器件。在物理学中，我们知道可见光、不可见光、红外线及无线电波等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(频率)的不同6.3.1红外辐射的产生及其性质

1.红外辐射的产生红外辐射是由于固体、液体和气体内部分子的转动及振动而产生的，这类振动过程是物体受热而引起的。只有在绝对零度时，一切物体的分子才会停止运动，所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。在一般常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。下一页返回6.3红外传感器2.红外辐射的性质红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但其特点是热效应为最大。金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线，多数的半导体和塑料可以透过红外线。液体对红外线的吸收较大，气体对红外辐射也有不同程度的吸收。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，如有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外线的散射。实践证明，温度越低的物体辐射的红外线波长越长。上一页下一页返回6.3红外传感器6.3.2红外辐射探测器的组成及其分类1.红外辐射探测器的组成红外辐射探测器即为红外传感器，是一种能探测红外线的器件。从测量技术的角度来看，能把红外辐射能量转换成电量变化的装置称为红外探测器。红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器组成。2.红外辐射探测器的分类(1)按其工作原理分，红外辐射探测器可分为两类:热敏探测器和光电探测器。(2)按光学系统的结构来分，可分为两类:透射式红外探测器和反射式红外探测器。上一页下一页返回6.3红外传感器6.3.3红外辐射技术的应用红外辐射技术应用广泛，主要应用于温度检测、监视、计数、无损探伤等方面。1.红外辐射技术在温度检测方面的应用在锻造工件自动线上，采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面测量出工件的温度。2.红外辐射技术在自动检测、监视和计数的应用由于红外探测器能够探测红外辐射源，而任何日标都存在红外辐射源，所以红外探测器能够探测到任何目标的存在。这种功能使它可以用于大量的自动检测、控制、警戒以及计数等。上一页下一页返回6.3红外传感器3.红外无损探伤利用红外探测器检查加工部件内部的缺陷，也是红外测温的一种应用。如图6-21为红外无损探伤示意图。红外无损探伤的特点是:加热和探伤设备都比较简单，能针对各种特殊需要设计出合适的检测方案，因此其应用范围比较广泛，如材料裂缝、孔洞、异物、气泡、截面变形等各种缺陷的探伤，材料结构的检查，焊接质量的鉴定，电子器件和线路的可靠性检测等，都可以用红外无损探伤来检测。上一页返回6.4激光传感器激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、航空航天、医学、生物、气象等各个领域。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。它是将外来的能量(如电能、热能、光能等)转换为一定波长的光，并以光的形式发射出来的装置。6.4.1激光的本质原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级E，状态，如果没有外界的作用，原子可以长期保持这个状态。

下一页返回6.4激光传感器当原子在得到外界的能量后，将由低能级向高能级跃迁，这一过程叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射，如图6-22为激发与受激辐射过程。在进行自发辐射时，各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播方向，以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁等都具有偶然性。因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子的混合。对于光源的大量原子来说，这些光子的频率只服从于一定的统计规律。上一页下一页返回6.4激光传感器6.4.2激光的形成激光是介质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但要获取激光，必须具备下列条件:1.粒子数反转当介质处于热平衡状态时，其粒子在各能级上的分布遵循一定的统计规律。在恒定的温度下，粒子数按能量的分布用公式可表示为:

要实现光的放大，必须使N1>N2，这种不平衡状态分布叫做粒子数反转。如图6-24所示。上一页下一页返回6.4激光传感器

2.激光器的光振荡放大要想产生激光，单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的，实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统和一个光学共振腔组成的。光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜组成，最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜，镜面对光有很高的反射率，而粒子系统封装在有两个反射镜的封闭体中。当粒子系统产生受激辐射时，辐射光在两反射镜之间作一定次数的反复反射，使受激辐射一次又一次地加强，直至获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。激光在共振腔内往返放大的过程叫做振荡放大。上一页下一页返回6.4激光传感器6.4.3激光的特点1.高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小，所以通常认为激光为平行光。2.高亮度激光在单位面积上集中的能量很高，一台高水平激光器发出的激光的亮度比太阳发射的光的亮度高出很多倍，这种高亮度的激光束汇聚后能产生很高的高温，就连最难熔的金属，在瞬间就可以熔化。

上一页下一页返回6.4激光传感器3.单色性好单色光是指谱线宽度很窄的一段光波，谱线宽度越窄，单色性越好。4.高相干性相干性是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。相干性有时间相干性和空间相干性。时间相干性是指光源在不同时刻发出的光束间的相干性，它与单色性密切相关，单色性好，相干性就好;空间相干性是指光源处于不同空间位置发出的光波间的相干性，一个激光器设计的好，则有无限的空间相干。上一页下一页返回6.4激光传感器6.4.4激光器的种类及激光的应用1.激光器的种类激光器的种类很多，按其工作的物质可以分为气体、液体、固体和半导