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第十一章其他傳感器 第一節(jié)超聲波傳感器第二節(jié)紅外傳感器第三節(jié)激光傳感器第四節(jié)新型傳感器簡(jiǎn)介 第一節(jié)超聲波傳感器 聲波是一種能在氣體 液體和固體中傳播的機(jī)械波 根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍 可分為次聲波 聲波 超聲波和特超聲波 人耳能聽到的聲波頻率范圍是20 20000Hz 頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波 超聲檢測(cè)中常用的工作頻率在0 25 20MHz范圍內(nèi) 超聲波的波型主要可分為縱波 橫波和表面波三種 橫波和表面波只能在固體中傳播 而縱波可以在固體 液體和氣體中傳播 因此常用的超聲波為縱波 一 超聲波的物理基礎(chǔ)1 超聲波的物理性質(zhì) 2 超聲波的傳播性質(zhì) 超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度 當(dāng)超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí) 在兩介質(zhì)的分界面上 一部分能量反射回原介質(zhì)稱為反射波 另一部分能量則透過分界面 在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播 稱為折射波 如圖11 1所示 超聲波的衰減示意圖 為吸收系數(shù) 為介質(zhì)的厚度 二 超聲波傳感器 由發(fā)送傳感器和接收傳感器兩部分組成 在超聲波檢測(cè)中成對(duì)使用 1 發(fā)送傳感器發(fā)送傳感器由發(fā)送電源與換能器組成 發(fā)送電源是提供高頻電流或電壓的電源 換能器作用是將電磁振蕩能量變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波并向空中幅射 換能器一般有壓電式和磁致伸縮式兩種 1 壓電式超聲波發(fā)生器 利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成 超聲頻電信號(hào) 換能器 壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度 有關(guān) n為諧波級(jí)數(shù) 取1 2 3 c為超聲波在壓電材料里的傳播速度 與壓電材料的密度有關(guān) 壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的超聲波 聲強(qiáng)可達(dá)幾十W cm2 2 磁致伸縮超聲波發(fā)生器 利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成 磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬Hz以內(nèi) 但聲強(qiáng)可達(dá)幾千W cm2 它與壓電式的發(fā)送器比較所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低 而強(qiáng)度則大許多 鎳 鐵鈷釩合金等 2 接收傳感器接收傳感器由換能器與放大電路組成 超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆變效應(yīng)進(jìn)行工作的 換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) 將其變換成電能量 作為傳感器接收器的輸出 同樣 接收傳感器有壓電式和磁致伸縮式兩種 1 壓電式超聲波接收器當(dāng)超聲波作用到電晶體片上時(shí) 使晶片伸縮 則在晶片的兩個(gè)界面上產(chǎn)生交變電荷 這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓 經(jīng)過放大后送到測(cè)量電路 最后記錄或顯示出結(jié)果 而實(shí)際使用中 發(fā)送傳感器的壓電陶瓷的也可以用做接收器傳感器的壓電陶瓷 2 磁致伸縮超聲波接收器當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時(shí) 使磁致材料伸縮引起內(nèi)部磁場(chǎng)變化 根據(jù)電磁感應(yīng) 磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 再將此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送到測(cè)量電路及記錄顯示設(shè)備 三 超聲波在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用1 超聲波探傷主要用于檢測(cè)板材 鍛件和焊接縫等材料中缺陷 也可以測(cè)量材料的厚度 1 穿透法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí) 在缺陷處能量被反射 到達(dá)接收探頭的能量損失了一部分 2 反射法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部無缺陷時(shí) 超聲波傳到工件底面再反射回來 當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí) 超聲波傳到缺陷就反射回來 不同缺陷會(huì)造成不同的接收波幅度和周期 2 超聲波測(cè)厚度 厚度計(jì)算 只要測(cè)量出超聲波脈沖通過工件的時(shí)間t 經(jīng)過信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度 3 超聲波測(cè)液位 只要測(cè)量出發(fā)射波和接收波之間的時(shí)間間隔 就可以測(cè)出探頭到液面的距離 超聲波測(cè)量液位是利用回聲原理進(jìn)行的 在液位上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器 第二節(jié)紅外傳感器 紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的一種傳感器 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn) 科研 軍事和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域 紅外測(cè)量技術(shù)是發(fā)展檢測(cè)技術(shù) 遙感技術(shù)和空間科學(xué)的重要手段 在電磁波的波譜圖中 可以知道紅外線的頻率 波長(zhǎng) 范圍 一 紅外輻射的產(chǎn)生與性質(zhì) 自然界中任何物體 只要其本身溫度高于絕對(duì)零度 一273 16 就會(huì)不斷地輻射紅外線 也就是說 在常溫下所有物體均是紅外輻射源 而且物體溫度愈高 輻射功率就愈大 紅外線具有反射 折射 散射 干涉 吸收等多種性質(zhì) 紅外線在介質(zhì)中傳播時(shí) 通過介質(zhì)后的通量I具有衰減特性 剛射到介質(zhì)時(shí)的通量 介質(zhì)厚度 介質(zhì)常數(shù) 如金屬具有特別大的衰減 二 紅外傳感器 又稱為紅外探測(cè)器 按工作原理 紅外探測(cè)器可分為熱電紅外傳感器和光電紅外傳感器兩類 熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)原理工作的 熱電探測(cè)器主要有四類 熱釋電型 熱敏電阻型 熱電阻型和氣體型 光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)原理工作的 光電紅外傳感器有內(nèi)光電和外光電紅外傳感器兩種 前者又分為光電導(dǎo) 光生伏特和光磁電紅外傳感器等三種 光電紅外傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高 響應(yīng)速度快 具有較高的響應(yīng)頻率 但探測(cè)波段較窄 一般需在低溫下工作 光電紅外傳感器是由光學(xué)系統(tǒng) 敏感元件 前置放大器和調(diào)制器等組成 1 透射式紅外探測(cè)器2 反射式紅外探測(cè)器 按光學(xué)系統(tǒng)分類 其光學(xué)系統(tǒng)的元件采用紅外光學(xué)材料 并且根據(jù)所探測(cè)的紅外波長(zhǎng)來選擇光學(xué)材料 在近紅外區(qū) 可用一般的光學(xué)玻璃和石英等材料 在中紅外區(qū) 可用氟化鎂 氧化鎂等材料 在遠(yuǎn)紅外區(qū) 可用鍺 硅等材料 1 透射式紅外傳感器 反射式紅外傳感器是采用凹面玻璃反射鏡 將紅外輻射聚焦到敏感元件上 反射式的光學(xué)系統(tǒng)元件表面鍍金 鋁或鎳鉻等對(duì)紅外波段反射率較高的材料 其材料比較好找 但在制造工藝方面較復(fù)雜 透射式光學(xué)系統(tǒng)獲得透射紅外波段的玻璃比較困難 加工制造難度小 2 反射式紅外傳感器 次反射鏡 主反射鏡 敏感元件 前置放大器 前置放大器 敏感元件 主反射鏡 次反射鏡 三 紅外傳感器的應(yīng)用 1 紅外測(cè)溫儀 機(jī)械 冶金 陶瓷玻璃等高溫行業(yè) 它是一個(gè)包括光 機(jī) 電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng) 利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的 紅外氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的 2 紅外氣體分析儀 工作時(shí) 兩束紅外線經(jīng)反射 切光后 濾掉干擾氣體的影響 分別射入測(cè)量氣室和標(biāo)準(zhǔn)氣室 由于測(cè)量氣室中對(duì)4 65 m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收能力 而標(biāo)準(zhǔn)氣室中氣體不吸收紅外輻射 從而使兩吸收室壓力不同 于是電容器的可動(dòng)電極 薄膜 偏向固定電極片方向 改變了薄膜電容兩電極間的距離 也就改變了電容C 因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度 鎳鉻加熱絲 紅外光源 同步電機(jī) 切光片 濾波氣室 標(biāo)準(zhǔn)氣室 測(cè)量氣室 信號(hào)處理電路與指示裝置 3 紅外無損探傷 紅外無損探測(cè)分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類 某包裝袋封口質(zhì)量的紅外檢測(cè)示意圖 工作時(shí) 傳送帶勻速把包裝袋的封口送往熱源和紅外傳感器之間 熱源對(duì)封口均勻加熱并使其封合 如果塑料袋封口中夾雜氣泡 小顆粒 油膩 空隙起皺等缺陷時(shí) 都會(huì)妨礙熱能的流動(dòng)而引起溫度分布的異常現(xiàn)象 通過溫度分布的測(cè)量就可判斷出缺陷的位置 第三節(jié)激光傳感器 激光傳感器可將輸入它的一定形式的能量 光能 熱能等 轉(zhuǎn)換成一定波長(zhǎng)的光的形式發(fā)射出來 已成功應(yīng)用于精密測(cè)量與加工 軍事 宇航等生產(chǎn)科研領(lǐng)域 一 激光的本質(zhì)原子在正常分布狀態(tài)下 大部分處于低能級(jí)E1狀態(tài) 得到外界能量后 原子被短期激發(fā) 躍遷到高能級(jí)E2狀態(tài) 極短時(shí)間之后 原子躍遷返回低能級(jí) 同時(shí)輻射出光子 具有偶然性 自發(fā)輻射 受激輻射在外界因素的誘發(fā)下 處在激發(fā)態(tài)的原子也可以躍遷到低能級(jí)而發(fā)光 這種發(fā)光過程稱為受激輻射 但是 并非任何外來光子都能引起受激輻射 只有當(dāng)外來光子的頻率大于或等于激發(fā)態(tài)原子的某一固有頻率 才能引起受激輻射 輻射光子的能量 在受激輻射過程中 輻射光子與最初引起受激輻射的外來光子有完全相同的頻率 相位和振動(dòng)方向 受激輻射 可以使所激發(fā)出光子的頻率 相位方向均與入射光一致 也可以說是一個(gè)光子被放大為兩個(gè)光子 如圖所示 這種光稱為相干光 如果這些光子再引起其它原子發(fā)生受激輻射 那么這些原子所引起的輻射光子在頻率 相位和振動(dòng)方向上也與外來光子完全相同 從而產(chǎn)生激光 由于光子被激發(fā)放大或被吸收是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程 光子在媒介中傳播的過程中 也可能被原子吸收而逐漸減少 被稱為光的吸收 光的放大 光的吸收 光的放大和吸收是同時(shí)進(jìn)行的 至于最終光是放大還是減小 取決于哪一種運(yùn)動(dòng)更激烈 二 激光的形成原理1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要想獲得光的放大 必須使得光的放大運(yùn)動(dòng)更激烈 物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)與能量分布方程為 對(duì)于T 0的任何值 只要E1 E2 就有N2 N1 即處于高能級(jí)上的粒子數(shù)大于處于低能級(jí)的粒子數(shù) 此時(shí)光的放大是主要的 介質(zhì)才能以發(fā)射光子為主 被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 這是形成激光的第一個(gè)條件 E1能級(jí)的粒子數(shù)N1 E2能級(jí)的粒子數(shù)N2 正常狀態(tài) 激發(fā)狀態(tài) 低能級(jí)E1 高能級(jí)E2 高能級(jí)E2 低能級(jí)E1 2 光的振蕩放大由外界激發(fā)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而形成的光的放大 這些光子是射向各個(gè)方向的 受激輻射將無法持續(xù)下去 必須在一個(gè)光學(xué)共振腔中才能實(shí)現(xiàn)光振蕩放大 光學(xué)共振腔 謝振腔 由各種形狀的曲面反射鏡組成 鏡面具有極高的反射率 工作物質(zhì)被封裝在共振腔中 光子在兩反射鏡間往返運(yùn)動(dòng) 不斷地碰撞處于激發(fā)態(tài)的粒子 使得受激輻射一次又一次的加強(qiáng) 激光是受激輻射和諧振腔共同作用的結(jié)果 而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布則是形成激光的必要前提條件 三 激光的特點(diǎn)1 高方向性2 高亮度3 單色性好 頻率高度一致 4 高相干性 能產(chǎn)生穩(wěn)定干涉條紋 四 激光傳感器1 氣體激光器 一般原理 惰性氣體原子 金屬蒸氣 氣體離子等 氦氖激光器 內(nèi)腔式 外腔式 2 液體激光器它的工作物質(zhì)是液體 可分為有機(jī)液體染料激光器 無機(jī)液體染料和聚合物激光器等 較為重要的是有機(jī)液體染料激光器 其特點(diǎn)是它發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一定的波段內(nèi)連續(xù)可調(diào) 可連續(xù)工作而不降低效率 3 固體激光器它的工作物質(zhì)是固體 常用的固體激光器有紅寶石激光器 摻銣的釔鋁石榴石激光器 簡(jiǎn)稱YAG激光器 和銣玻璃激光器等 工作方式 在共振腔內(nèi)壁鍍上高反射率的金屬薄層 使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上 各種聚光腔 固體激光器的一般結(jié)構(gòu)示意圖 4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是在固體和氣體激光器之后發(fā)展起來的一種激光器 它的工作物質(zhì)是某些性能適合的半導(dǎo)體材料 如砷化鎵 磷化銦等 砷化鎵激光器可以做成二極管形式 在PN結(jié)中注入能量 可以造成電子與空穴重新復(fù)合 能量以光子形式釋放 形成激光 半導(dǎo)體激光器的主要特點(diǎn)重量非常輕 結(jié)構(gòu)緊湊 轉(zhuǎn)換效率很高 輸出功率比較小 受環(huán)境溫度影響比較大等 主要用于飛機(jī) 軍艦 坦克 火炮上瞄準(zhǔn) 測(cè)距等方面 砷化鎵激光器 五 激光的應(yīng)用 1 激光測(cè)量長(zhǎng)度 邁克爾遜干涉儀 當(dāng)可動(dòng)反射鏡沿光軸方向每移動(dòng)半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí) 干涉條紋亮暗變化一次 經(jīng)光電倍增管放大后 計(jì)數(shù)得到干涉條紋數(shù) N 干涉條紋數(shù) n為空氣折射率 真空中光波波長(zhǎng) 可動(dòng)反射鏡的移動(dòng)位移 2 激光測(cè)距 激光測(cè)距的原理 首先測(cè)量激光射向目標(biāo) 而后又經(jīng)目標(biāo)反射到激光器 測(cè)出激光往返一次所需的時(shí)間間隔 則探測(cè)器到目標(biāo)距離為 3 激光測(cè)速 激光測(cè)速是利用光的多普勒效應(yīng) 當(dāng)運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于激光光源S有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 由于運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度而引起光波頻率偏移 此時(shí) 多普勒頻移 運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度 光源光波波長(zhǎng) 只要能測(cè)得多普勒頻移fd 則可求得物體運(yùn)動(dòng)速度v 測(cè)量流速所用的儀器稱為激光多普勒流速計(jì) 它可以測(cè)量火箭燃料的流速 飛行器噴射氣流的速度 風(fēng)洞氣流速度以及化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等 激光器 聚焦透鏡 流體中的運(yùn)動(dòng)粒子 管道 接收透鏡 平面鏡 分光鏡 光電倍增管 第四節(jié)新型傳感器簡(jiǎn)介 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 越來越依賴于信息資源的開發(fā) 信息的獲取和傳輸 工業(yè) 農(nóng)業(yè) 航天 軍事 機(jī)器人 資源開發(fā) 環(huán)境監(jiān)測(cè) 海洋探測(cè) 安全防衛(wèi) 醫(yī)療診斷等各行業(yè)都與傳感器的應(yīng)用有緊密聯(lián)系 反過來 各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也會(huì)推動(dòng)新型傳感器的研發(fā) 新型傳感器技術(shù)的發(fā)展方向 一 高分子有機(jī)材料傳感器 高分子有機(jī)材料具有良好的加工性能 可以大面積薄膜化 柔性好 機(jī)械強(qiáng)度高 質(zhì)量輕 具有離子導(dǎo)電 電子導(dǎo)電 選擇性滲透 光學(xué)敏感等特性 利用這些特性可以制成對(duì)離子 化學(xué)氣體敏感的傳感器和pH電化學(xué) 生物酶?jìng)鞲衅?如聚偏氟乙烯 PVDF 材料制成的傳感器 已在醫(yī)學(xué) 電聲 計(jì)算機(jī) 電子技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用 二 固態(tài)圖象傳感器 將感光面上的光學(xué)圖象信號(hào)以光點(diǎn)為單位 利用光敏單元 像素 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為各點(diǎn)電信號(hào)的傳感器被稱為圖象傳感器 固態(tài)圖象傳感器有CCD CID BBD等類型 具有小巧 輕便 功耗低 驅(qū)動(dòng)電壓低的特點(diǎn) CCD為電荷耦合型圖象傳感器 是集成化光電器件 集光電轉(zhuǎn)換 電荷存儲(chǔ)和電信號(hào)傳送為一體 可以完成一維或二維的多通道圖象信息處理 三 生物傳感器 生物傳感器是利用生物活性材料 酶 蛋白質(zhì) DNA 抗體 抗原 生物膜 與物理 化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品 生物傳感器在食品 制藥 化工檢測(cè) 環(huán)境檢測(cè) 臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè) 生命科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛 主要測(cè)定物質(zhì)中的化學(xué)和生物成份含量 四 智能化傳感器 智能化傳感器是具有信息檢測(cè) 記憶 邏輯思維與判斷功能的微機(jī)控制傳感器 具有如下特點(diǎn) 1 具有邏輯思維 判斷 信息處理功能 2 具有自診斷 自校準(zhǔn)功能 3 具有多傳感器 多參數(shù)測(cè)量功能 4 檢測(cè)數(shù)據(jù)可存 可取 使用方便 5 具有網(wǎng)絡(luò)通信接口 便于網(wǎng)絡(luò)控制 遠(yuǎn)程控制 智能傳感器 主傳感器 輔助傳感器 微機(jī)控制系統(tǒng) 智能式壓力傳感器