传感检测技术

传感技术与智能仪器SensingTechnologyandIntelligentInstrument

朱启兵zhuqib@163.com传感技术与智能仪器第13章传感检测技术红外检测1.2超声检测13.113.2激光检测13.3微波检测13.413.1.1超声波传感器的工作原理

13.1.2超声波传感器的应用

第13章传感检测技术超声波传感器13.1.1超声波传感器的工作原理第13章传感检测技术1.超声波及其物理性质波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16Hz的机械波超声波：高于2×104Hz的机械波微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波图13.1声波的频率界限图

第13章传感检测技术超声波的波型超声波的传播速度超声波的反射和折射超声波的衰减

第13章传感检测技术2.超声波的波形及其转换纵波­——质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播；

横波——质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传播；

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。

第13章传感检测技术超声波的波型

纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。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。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％。

第13章传感检测技术超声波的传播速度气体和液体固体图13.2超声波的反射和折射

第13章传感检测技术超声波的反射和折射和波形转换

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：式中:

、

——声波在距声源x处的声压和声强；

、

——声波在声源处的声压和声强；

——声波与声源间的距离；

——衰减系数。

超声波的衰减和超声波的频率和材料的介质密度有关。第13章传感检测技术固体和液体的介质密度大，故衰减也大。频率高，衰减也大压电式超声波传感器

磁致伸缩式超声波传感器13.1.2超声波传感器的工作原理第13章传感检测技术

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。

压电式超声波传感器第13章传感检测技术图13.3压电式超声波传感器结构图

第13章传感检测技术压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波，产生的声强可达几十W／cm2。

磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的。磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。磁致伸缩式超声波传感器第13章传感检测技术磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内，但功率可达十万W，声强可达几千W／cm2，能耐较高的温度。超声波测厚超声波测物位超声波测流量超声波探伤

第13章传感检测技术13.1.2超声波传感器的应用图13.4脉冲回波法检测厚度工作原理第13章传感检测技术(d)

(c)

(b)

(a)

图13.5几种超声波检测物位工作原理

超声波测物位液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施第13章传感检测技术

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。时差法测流量

相位差法测流量

频率差法测流量

图13.6超声波测流体流量工作原理

超声波测流量第13章传感检测技术穿透法探伤：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质量。

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。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。超声波探伤第13章传感检测技术优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。图13.7穿透法探伤原理

穿透法探伤第13章传感检测技术当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。图13.8一次脉冲反射法探伤原理一次脉冲反射法第13章传感检测技术由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。图13.9多次脉冲反射法探伤原理第13章传感检测技术多次脉冲反射法第13章传感检测技术13.2红外传感器红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外辐射是由于物体(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(-273.16℃)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。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。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。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。

红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。一、红外辐射第13章传感检测技术第13章传感检测技术物体温度与辐射功率的关系斯蒂芬-玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律即：物体辐射强度W与其热力学温度的四次方成正比

式中：W——单位面积辐射功率，W·mσ；

σ——斯蒂芬-玻尔茨曼常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T——热力学温度，K；

ε——比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。第13章传感检测技术任何温度下能全部吸收任何波长辐射的物体称为黑体，即ε＝1黑体的热辐射能力比其他物体强一般物体的ε<1，即：不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体，称为灰体黑体是理想物体一般物体虽不等于黑体，但辐射强度与热力学温度的四次方成正比物体辐射强度随温度升高而明显地增强第13章传感检测技术维恩维移定律

红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。第13章传感检测技术

二、红外探测器

1.热探测器

热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。

第13章传感检测技术热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长，约10-3s量级。任何波长的红外辐射，只要功率相同，对物体的加热效果也相同热敏探测器对各种辐射波长有基本相同的响应，光谱响应曲线平坦，响应波段宽测量波长范围内灵敏度基本不变，且能在常温下工作——也称“无选择性红外探测器”热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。第13章传感检测技术光子探测器是一种半导体器件，其核心是光敏元件光子投射到光敏元件上时，促使电子-空穴对分离产生电信号光电效应产生速度很快光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测器快得多最短可达纳秒

2.光子探测器第13章传感检测技术第13章传感检测技术光子探测器的波长范围一般不变对波长的响应率存在峰值λp，超过λp时响应曲线迅速截止

图中曲线2

原因是在大于一定波长的范围内，光子储量不足以激发电子的释出，电活性消失光子探测器以光子为单元起作用光子探测器必须在低温下才能工作第13章传感检测技术3.红外检测应用运用斯蒂芬-玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量被测物的辐射线经物镜聚焦在受热板——人造黑体上人造黑体通常采用涂黑的铂片，吸热后温度升高该温度被装在受热板上的热敏电阻或热电偶所测到被测物通常为ε<1的灰体以黑体辐射作为定标基准，已知被测物ε值，就可求出被测物温度(1)辐射温度计

第13章传感检测技术若灰体辐射的总能量全部被黑体吸收，则它们的总能量相等，即：

式中：ε——被测物的比辐射率；

ε0——黑体的比辐射率，ε0=1；

T——被测物温度；

T0——黑体温度；

σ——斯蒂芬—玻尔茨曼常数。由此可得第13章传感检测技术(2)红外测温

辐射温度计多用于800℃以上的高温测量红外测温是指低温及红外光范围的测温第13章传感检测技术热敏电阻接在电桥的一个桥臂上信号经电桥转换为交流电压信号输出，放大后进行显示或记录光栅盘是两块扇形的光栅片——定片和动片动片受光栅调制电路控制

按一定的频率双向转动，实现开(光透过)和关(光不透过)，使入射光被调制成具有一定频率的辐射信号作用于光敏探测器上红外测温装置的测温范围为0～700℃，时间常数为4ms~8ms(2)红外测温

被测物的热辐射经光学系统聚焦在光栅盘上，被调制成一定频率的光能入射到热敏电阻探测器上第13章传感检测技术被动式人体移动检测仪第13章传感检测技术