第10章-辐射与波式传感器-《传感器与检测技术(第2版)》课件.ppt

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1、第10章辐射与波式传感器辐射与波式传感器知识单元与知识点红外辐射、微波、超声波的概念与特性；红外探测器的分类与工作原理：热探测器和光子探测器；微波传感器的分类（反射式和遮断式）、组成、特点；超声波传感器的工作原理；红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。能力点理解红外辐射、微波、超声波的概念与特性；会分析红外探测器的分类与工作原理；把握微波传感器的分类、组成、特点；会分析超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。重难点重点：基本概念；红外辐射、微波、超声波的基本特性；红外传感器、微波传感器与超声波传感器的工作原理。难点：红外热释电传感器工作原理。学习要求了解红

2、外辐射、微波、超声波的概念与特性；了解红外探测器的分类与工作原理；了解微波传感器的分类、组成、特点；了解超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。10.1 红外传感器10.1.1 工作原理工作原理红外辐射红外辐射 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0.761000 m。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。电磁波谱图 10.1.2 红外探测器红外探测器 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。红红外外探探

3、测测器器是是利利用用红红外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。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，分为热热探探测测器和光子探测器器和光子探测器两大类。1.热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利利用用红红外外辐辐射射的的热热效效应应，探探测测器器的的敏敏感感元元件件吸吸收收辐辐射射能能后后引引起起温温度度升升高高，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。热探测器主要优点是响响应应波波段段宽宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便可以在常温下工作，使用方

4、便，应用相当广泛。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和高莱气动型。其中，热热释释电电型型探探测测器器在在热热探探测测器器中中探探测测率率最最高高，频频率率响响应应最最宽宽，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。“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红红外外辐辐射射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温温度度升升高高，使使其其极极化化强强度度降降低低，表表面面电电荷荷减减少少，这这相相当当于于释释放放一一部部分分电电荷荷，所以叫做热释电型传感器。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度就是“居居里里点点”。在居里点以下，极化强

5、度是温度的函数。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。输输出出信信号号的的强强弱弱取取决决于于薄薄片片温温度度变变化化的的快快慢慢，从从而而反反映映出出入入射射的的红红外外辐辐射射的的强强弱弱，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变化化的的速速率率。当当铁铁电电体体薄薄片片的的温温度度达达到到平平衡衡值值时时，表表面面电电荷荷达达到到平平衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。极化强度与温度（变化）的关系回答：图中的红外光起什么作用回答：图中的红外光起什么作用？2.光子探测器（参考光电式传感器部分）光子探测器（参考光电式

6、传感器部分）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，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。1 红外测温仪前放前放：起阻抗转换和放大作用选选放放：只放大调制频率的信号，抑制其它频率的噪声同同步步检检波波：将交流输入信号变换成峰峰值的直流信号输出加加法法器器：将环境温度与测量值相加，实现环境温度补偿发发射射率率调调节节电电路路：实为放大电路，恢复测量信号相对于标定值减小的部分多多谐谐振振荡荡器器：通过一系列分频器输出一定时序的方波信号，驱动步进电机和同步检波

7、器的开关电路几种气体对红外线的透射光谱 光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线测量室中通入被分析气体，参比室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。红外线气体分析仪测量方案为了消除干扰气体对测量结果的影响。为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干干扰扰气气体体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设

8、置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。设置滤波气室的目的10.2 微 波 传 感 器微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置微波传感器是一种新型非接触式测量传感器 微波是波长为1 mm1 m的电磁波，可以细分为三个波段。10.2.1 微波传感器的原理和组成微波特点：需要定向辐射装置；遇到障碍物容易反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小；介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对水对微波的吸收作用最

9、强微波的吸收作用最强。微波传感器的测量原理及分类微波传感器的测量原理及分类原原理理：由发射天线发出微波，此波波遇遇到到被被测测物物体体时时将将被被吸吸收收或或反反射射，使使微微波波功功率率发发生生变变化化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。分类分类：分为反射式和遮断式两类。1.反射式微波传感器反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波功功率率或或经经过过的的时时间间间间隔隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。2.遮断式微波

10、传感器遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检检测测接接收收天天线线收收到到的的微微波波功功率率大大小小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。2、微波天线微波天线由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常常用用的天线有喇叭形、的天线有喇叭形、抛物面形、抛物面形、介质天线与隙缝天线等介质天线与隙缝天线等。喇喇叭叭形形天天线线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线抛物面天线使微波发射方向性得到改善。常用的微波天线(a)扇形喇

11、叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线 3.微波检测器微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件可用种类较多（半导体PN结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口。传输距离远，便于实现遥测和遥控；微波无显著辐射公害。缺点：微波传感器存在的主要问题是零零点点漂漂移移和和标标定定尚未得到很好的解决。其次，测量环境对测量结果影响大，如

12、温度、气压、取样位置等。微波传感器的应用微波传感器的应用 微波液位计微波液位计 与不仅与材料有关，还与测试信号频率有关,所有极性分子均有此特性。一般干燥的物体，其在15范围内，而水的则高达64，因此如果材料中含有少量水分子时，其复合将显著上升，也有类似性质。注意手机的使用！使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。酒精含水量测量仪框图 微波辐射计（温度传感器）微波辐射计（温度传感器）任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能。微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域可近似为（微小辐射强度）：微波温度传感器原理

13、框图 微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以进行大地测量与探矿，可以遥测水质污染程度，确定水域范围，判断植物品种等。微波无损检测仪微波物位计微波定位传感器微波多普勒传感器微波多普勒传感器 微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率发生偏移，如下式所示：式中fd是多卜勒频率 当物体靠近靶时,多卜勒频率fd为正；远离靶时，fd为负。输入接收机的反射波的电压可用下式表示：因此，根据测量到的差拍信号频率，可

14、测定相对速度。但是，用此方法不能测定距离。为此考考虑虑发发射射波波长长（频频率率）稍稍有有不不同同的的两两个个电电波波1和和2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为，则可求出距离距离r：10.3.1 超声波工作原理超声波工作原理波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16 Hz的机械波超声波：高于2104 Hz的机械波声波的频率界限图 超声波的波型 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

15、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。超声波的传播速度 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9001900m/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。超声波的反射和折射 超声波的反射和折射 超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰

16、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。压电式超声波传感器 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。（“电致伸缩”）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。通用型（几

17、十kHz)高频型(100kHz)压电式超声波传感器结构 磁致伸缩式超声波传感器 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。超声波传感器的应用脉冲回波法检测厚度工作原理超声波测厚超声波测厚超声波测物位(d)(c)(b)(a)几种超声波检测物位工作原理 超

18、声波测流量 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。时差法测流量时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量 超声波测流体流量工作原理 超声波探伤 穿透法探伤穿透法探伤：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：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。穿透法探伤穿透法探伤 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。穿透法探伤原理 一次脉冲反射法一次脉冲反射法 一次脉冲反射法探伤原理 多次脉冲反射法多次脉冲反射法 多次脉冲反射法探伤原理