《传感器技术及应用》课件第11章 新型传感器

第11章新型传感器本章内容

11.1光纤传感器

11.2超声波传感器

11.3红外传感器

11.4核辐射传感器

学习目标

了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用。了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参数、掌握超声传感器的典型应用。掌握红外辐射的特点和红外探测的机理、红外传感器的应用。了解核辐射的基础知识、核辐射传感器的原理及应用。11.1光纤传感器

11.1.1光纤结构光纤，是一种多层介质结构的对称圆柱体，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包层和涂敷层，它的外形与结构如图11-l所示。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤的传输基于光的全内反射。设有一段圆柱形的光纤，如图11-2所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成

i角时，在端面发生折射进入光纤后，又以

i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角

i小于临界入射角

c时，光线就不会投射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端射出，这就是光纤的传光原理。

图11-1光纤传感器的结构 图11-2光纤的传光原理

1—纤芯；2—包层；3—保护层11.1.2光纤传感器的类型与原理1．类型（1）传光型光纤传感器在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件来完成。如图11-3所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。

图11-3传光型光纤传感器组成示意图1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光敏感元件（2）传感型光纤传感器传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的，如图11-4所示。图11-4传感型光纤传感器组成示意图1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光纤敏感元件

2．光纤传感器的调制原理

1）光强调制利用被测量直接或间接改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为光强调制。例如，微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成，例如一对锯齿板，如图11-5（a）所示。相邻齿之间的距离决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。（a）（b）图11-5微弯光纤传感器（a）微弯光纤传感器原理图；（b）光纤微弯曲对传播光的影响1—裸光纤；2—机械变形器

2）相位调制利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物理量，称为相位调制。只要利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测定温度。由于应变或压力也会改变光纤的传输特性，使光信号相位变化，因此也可以检测应变和压力。3）波长调制利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理量，称为波长调制。波长调制技术比光强调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，通常要使用分光仪。但是，采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。波长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感，该方法广泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析，以及用在光学滤波器上。4）频率调制利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量，称为频率调制。常采用传光型光纤传感器，即光纤只起传光作用。光频率调制是基于被测物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应，当光源发射出的频率为f1的光波照射到运动物体上，从该运动体反射的光波频率发生变化为f2，相对于原频率发生变化。

图11-6多普勒效应示意图

3．光纤传感器的特点（1）传光性能、电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可在强电磁干扰下完成传统传感器不能完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量，损耗小于0.2dB/km。（2）质量轻、体积小、可挠性好，光波传输无电能和电火花，在恶劣环境下，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。（3）频带宽、动态范围大、对被测对象不产生影响，可进行非接触式、远距离测量，有利于提高测量精确度。11.1.3光纤传感器应用

1．光纤传感器对位移的测量利用反射式光纤位移传感器测微小位移的原理图如图11-8所示。它利用光纤传送和接收光束，可以实现无接触测量。光源经一束多股光缆把光传送到传感器端部，并发射到被测物体上；另一束多股光缆把被测物反射出来的光接受并传递到光敏元件上，这两股光缆在接近目标之前汇合成Y形，汇合是将两束光缆里的光纤分散混合而成的。由于传感器端部与被测物体间距离d的变化，因此反射到接收光纤的光通量不同，可以反映传感器与被测物体间距离的变化。（a）（b）图11-7反射式光纤位移传感器（a）原理图；（b）接收相对光强与距离的关系特性曲线1—光源；2—发射光纤；3—被测物；4—接收光纤；5—光敏元件图11-8（a）所示是利用挡光原理测位移，图11-8（b）所示是利用改变斜切面间隙大小的原理测位移。这两种方法更为简单，但可测范围及线性不如反射法。光纤位移传感器测量范围为0.05mm～0.12mm，分辨率为0.01mm。光纤微位移传感器可测量位移为0.08nm，动态范围为110dB。（a）（b）图11-8光纤位移传感器的其他形式（a）利用挡光原理测位移；（b）利用改变斜切面间隙大小测位移1—光纤1；2—挡板；3—光纤2；4—光敏元件；5—缝隙；

6—光源；7—可动光纤；8—斜切间隙；9—固定光纤11.2.1超声波传感器的工作原理与结构1．超声波传感器的工作原理超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应分为正压电效应和逆压电效应。超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理。图11-10所示为采用双压电晶片超声波传感器示意图。若在发送器的双压电晶片（谐振频率为40KHZ）上所施加频率为40KHZ的高频电压，压电陶瓷片1、2就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是发射频率为40KHZ的超声波。11.2超声波传感器图11-10双压电晶片超声波传感器示意图1、2—压电陶瓷片2．超声波传感器的基本结构超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可兼有发射和接收功能。超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。在实际应用中，以压电式探头最为常见。（a）（b）图11-11超声波传感器的典型外形和表示符号（a）典型外形（b）表示符号1—金属网；2—外壳；3—标签（a）（b）（c）图11-12超声波探头结构示意图（a）单晶直探头（b）双晶直探头（c）斜探头1—接插件；2—外壳；3—阻尼吸收块；4—引线；5—压电晶体；6—保护膜；7—隔离层；8—延迟块；9—有机玻璃斜楔块；10—耦合剂；11—试件1）以固体为传导介质的超声探头2）以空气为传导介质的超声探头（a）（b）图11-13空气传导型超声发生、接收器结构（a）超声发射器（b）超声接收器1—外壳；2—金属丝网罩；3—锥形共振盘；4—压电晶片；5—引脚；6—阻抗匹配器；7—超声波束11.2.2超声波传感器的应用1．超声波探伤1）直探头探伤如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另一小部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现缺陷脉冲F，如图11-14所示。荧光屏上的水平亮线为扫描线，通过判断缺陷脉冲在荧光屏上的位置可确定缺陷在工件中的深度。通过缺陷脉冲幅度的高低差别可以判断缺陷的大小。通过移动探头还可确定缺陷大致长度和走向。（a）（b）

图11-14直探头探伤示意图（a）有缺陷超声波的反射（b）有缺陷时显示波形2）斜探头探伤斜探头探伤示意图如图11-15所示。在直探头探伤时，当超声波束中心线与缺陷截面垂直时，探测灵敏度最高。但如遇到图11-15所示方向的缺陷时，就不能真实反映缺陷的大小，甚至有可能漏检。这时若用斜探头探测，可提高探伤效率。图11-15斜探头探伤示意图（a）横波在试件中的传播（b）缺陷回波1—试件；2—斜探头；3—斜楔块；4—斜向缺陷（焊渣或气孔）；5—V形焊缝中的焊料2．超声波测物位图11-16所示给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图11-16（a）所示。由于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图11-16（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图11-16几种超声波物位传感器的结构原理示意图（a）换能器设置于液面下；（b换能器设置于液面上单换能器:

双换能器:3．超声波测厚度图11-17所示为便携式超声测厚仪示意图，它可用于测量钢及其他金属、有机玻璃、硬塑料等材料的厚度。双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。图11-17超声波测厚原理1—双晶直探头；2—引线电缆；3—入射波；4—反射波；5—试件；6—测厚显示器设定键4．超声波防碰撞电路图11-18所示为超声波防碰撞电路，电路采用LM1812并由时基电路Ⅱ来控制LM1812的发射和接收（LM1812既发射又接收）。控制距离可用5KΩ的电位器来调节，一般可控制2～3m.时基电路Ⅰ组成单稳态电路，当达到报警距离时，时基电路Ⅰ的2脚输入一低电平（相当于Ucc/3），单稳态电路被触法，3脚输出高电平，VL点亮的同时，电子蜂鸣器HA也发声报警。本电路超声波发射/接收传感器采用T/R-40系列。图11-18超声波防碰撞电路11.3.1红外辐射介绍红外线是一种不可见光．是太阳光谱的一部分，实质上是一种电磁波。波长范围在0.75～1000之间，其中近红外线波长范围在0.75～1.4。红外辐射是由于物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。在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。11.3红外传感器11.3.2红外线传感器红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件，通常称为红外探测器。热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数发生相应的变化的原理研制成的。通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型和热释电型等几种。光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化的原理研制成的。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电探测器和内光电探测器两种。11.3.3红外传感器的应用1．红外线测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。图11-20中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8

m～14

m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。图11-20红外测温仪方框图1—红外探测器；2—步进电机；3—温度传感器；4—调制盘；5—滤光片；6—透镜2．红外线防盗报警器红外线反射式防盗报警器采用反射式红外探测组件（其最大探测距离可达12m）来触发报警器，当检测到盗情时，报警器会发出逼真的“狗叫”声，提醒主人有异常情况发生。在正常情况下，ICl输出低电平，IC2不能触发工作，扬声器BL不发声。当有外人进入ICI的警戒探测区域时，ICl发射的红外线信号经人体反射回来。ICl接收到人体反射回来的红外信号并对该信号进行处理后，输出高电平触发信号，使IC2受触发工作，输出音效电信号。该电信号经IC3功率放大后．驱动BL发出响亮的“狗叫”声，提示主人有异常情况发生。图11-21红外线防盗报警器3．热释电红外线人体探测器1）热释电红外线灯光自动控制红外线灯控器由热释电红外线传感器作为人体接近感知器件，使灯控器可实现“人来灯亮，人走灯灭”的功能，特别适用于宾馆、机关、居民住宅楼楼道及家庭使用。当热释电红外传感器检测到人体红外信号时，它将输出微弱的电信号至ICl的10脚，经ICl内部两级放大器放大后，再经电压比较器与其设定的基准电压进行比较，然后输出高电平，经延时处理后由ICl的2脚输出，驱动VTl使继电器K工作，其常开触点K接通电灯电源，点亮电灯。当人离去时，2min后灯光自行熄灭。图11-22热释电红外线灯光自动控制电路2）热释电自动门控制电路图11-23所示为热释电自动门控制电路原理图。人体移动探测采用HN911新型热释电红外线探测模块。VF用作延时控制，通过调节电位器RP便可改变延时控制的时间。MOC3020光耦合器起交直流隔离作用。当无人行走时，HN911的l脚为低电平，VF无控制信号输，双向晶闸管VTH关断，负载电动机不工作，门处于关闭状态。当有人接近自动门时，HN911检测到人体辐射的红外能量，输l脚为高电平，双向晶闸管VTH导通，负载电动机工作，打开自动门。当自动门运行到位时．由限位开关SQ切断电源。由于HN911的2脚输出的电平正好与其1脚电平相反，故可用2脚的输出控制自动门的关闭。图11-23热释电自动门控制电路11.4.1核辐射及其性质具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出

射线、

射线、

射线、x射线等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。放射源的强度是随着时间按指数定理而减小的，即

J=J0e—

t

11.4核辐射传感器1．

射线放射性同位素原子核中可以发射出

粒子。

粒子的质量为4.002775u（原于质量单位），它带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种

粒子流通常称作

射线。在检测技术中，

射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用，但以电离效应为主，用

粒子来使气体电离比其他辐射强得多。2．

射线

粒子的质量为0.000549u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为十万电子伏特到几兆电子伏特。

粒子的运动速度均较

粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。

射线与

射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据

辐射吸收来测量材料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用

粒子很大的电离能力来测量气体流。3．

射线原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为

衰变（或称

跃迁）。发生

跃迁时所放射出的射线称

射线或

光子。与

射线相比，

射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据

辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。11.2.2核辐射探测器核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转化为电信号，从而探测出射线的强弱和变化。1．电离室电离室是利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器，它的重要部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。气体可以是空气或某些惰性气体。如图11-24所示，在电离室两侧放置相互绝缘的电极板，电极间加上适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射的作用下，电离室中的气体介质即被电离，离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流。核辐射强度越大，在电离室产生的离子对越多，产生的电流亦越大。在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。为了使两个电离室的特性一样，以减少测量误差，通常设计成差分电离室，如图11-25所示。

图11-24电离室的结构示意图图11-25差分电离室

1—集电极；2—外壳；3—高电阻2．正比计数管正比计数管的结构如图11-26所示。它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，由于在芯线近旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其他气体分子和原子而产生新的离子对。此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生的电子，正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。

图11-26正比计数管的结构 图11-27盖革—弥勒计数管

1—芯线电极；2—圆筒形阴极 1—阳极；2—阴极3．盖革—弥勒计数管盖革—弥勒计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于它工作在气体放电区域，具有放大作用。其结构如图11-27所示。计数管以金属圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为阳极，筒和丝之间用绝缘体隔开。计数管内充有氩、氦等气体。盖革—弥勒计数管由于有气体放大作用，所产生的电流比电离室的离子流大好几千倍，因此它不需要高电阻，其负载电阻一般不超过1M

，输出的脉冲一般为几伏到几十伏。图11-28所示为计数管的特性曲线。4．闪烁计数器物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成，如图11-29所示。

图11-28盖革—弥勒计数管特性曲线 图11-29闪烁计数器

1—铝壳；2—光电倍增管；

3—阳极；4—联级；5—光阴极；

6—橡胶板；7—闪烁体5．半导体探测器半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。由于荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止，入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而x射线或

射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。11.2.3核辐射传感器的应用1．核辐射测厚仪核辐射传感器可用来检测厚度、液位、物位、速度、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。以下