《传感器技术及应用》课件-项目十一 新型传感器

项目十一新型传感器项目内容

任务一

光纤传感器

任务二

超声波传感器

任务三

红外传感器

知识目标：（1）了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用；（2）了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参数；（3）了解红外辐射的特点、红外传感器在人体检测中的典型应用。能力目标：（1）掌握光纤传感器的原理和应用；（2）掌握超声传感器的典型应用；（3）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。

思政目标：

在进行新型传感器使用讲解时，选取军用或者国产先进传感器，帮助学生们增长见识，提升学生的民族自豪感和民族自信心，让学生观看巨浪-2、东风-41、东风-17、等国产新型高精尖武器装备，介绍其性能特点的同时，强调红外成像、激光、超声等传感器在其中制导、定位等方面所起的重要作用，让学生体会传感器在现代科技中的作用及重要性，同时引领学生感受我国慑战并举的强大战略制衡能力。

任务一

光纤传感器

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—保护层各种装饰性光导纤维光纤的结构光缆的外形及光纤的拉制光的反射、折射

当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。

光的全反射

当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。光在光纤中的全反射

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多普勒效应示意图光纤传感器的外形

专用的光纤连接头及光纤插座

光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。

与光纤耦合的电光与光电转换器件

实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。激光二极管的外形

激光二极管芯片

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。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

保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器光纤的其他应用

军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。光纤内窥镜

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

2025/2/1834

任务二

超声波传感器纵波2025/2/1835

超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。超声波探鱼器2025/2/1836超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B超影像2025/2/18372.1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。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各种超声波探头

（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。

保护膜接插件2025/2/1843接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）

压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30

、45

等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料接插件2025/2/1844接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片2025/2/1845超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。2025/2/1846耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。

2025/2/18472）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）有缺陷时显示波形超声波探伤——纵波探伤超声探伤的计算

设：显示器的x轴为10

s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t

及tF；

2）钢板的厚度

及缺陷与表面的距离xF。2025/2/18522）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形焊缝中的焊料超声探伤仪2025/2/1855构件的超声探伤2025/2/1856钢轨探伤车滑板式探头2025/2/18572．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:

在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。

2025/2/1861超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器2025/2/18623．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—测厚显示器设定键超声波测厚石料测厚2025/2/18654．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超声波防碰撞电路电磁波谱图红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。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。9:32AM68

任务三

红外传感器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。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律

式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。

9:32AM693.1红外辐射介绍

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；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，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。

红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。9:32AM70

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。

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。与光子探测器相比，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。但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。

1.热探测器9:32AM713.2红外线传感器

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。这里我们主要介绍热释电型探测器。

热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。9:32AM72

光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象——这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，仅对长波段有响应，一般需在低温下工作。

2.光子探测器9:32AM73

光子探测器只要采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般在低温下工作。飞利浦新开发的光子探测器9:32AM743.3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—透镜红外线辐射温度计外形

激光仅用于瞄准9:32AM77

红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）9:32AM78红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统9:32AM792．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