紅外聲波傳感器周PPT課件

1 論文要求1 題目 傳感器的原理及應(yīng)用2 內(nèi)容 基本原理 種類 特性 檢測(cè)電路 國內(nèi)外最新研究進(jìn)展 應(yīng)用實(shí)例 3 列出主要參考文獻(xiàn) 網(wǎng)址 4 最好寫沒有講過的傳感器 5 內(nèi)容要求清晰詳細(xì) 附有必要的圖表說明舉例不超過2個(gè) 篇幅不少于6頁 6 上交打印稿和電子版 時(shí)間 12月20日 2 本次可主要內(nèi)容 光電耦合器紅外傳感器器紅外輻射傳感器光電傳感器的應(yīng)用聲波傳感器聲波的基本性質(zhì)超聲波傳感器的原理射線傳感器射線傳感器的基本概念射線探測(cè)儀 3 4 2 光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式有多種 如圖所示 a b c d 光電耦合器的組合形式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi) 采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器 適用于較高頻率的裝置中 采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器 適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中 采用功能器件構(gòu)成的高速 高傳輸效率的光電耦合器 5 6 紅外傳感器按應(yīng)用可分為 紅外輻射測(cè)量 熱成像遙感技術(shù) 紅外搜索 跟蹤目標(biāo) 確定位置 通訊 測(cè)距等 被動(dòng)式紅外傳感系統(tǒng)有兩部分組成 1 紅外輻射源有紅外輻射的物體視為紅外輻射源 2 紅外探測(cè)器能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱敏和光敏器件 第六節(jié)紅外線傳感器 7 1 紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線是一種不可見光 其光譜位于可見光中紅色以外 所以稱紅外線 工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置 波段 分為 近紅外 中紅外 遠(yuǎn)紅外 極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段 8 2 紅外輻射探測(cè)器 紅外探測(cè)器主要有兩大類型 1 熱探測(cè)器 熱電型 包括有 熱釋電 熱敏電阻 熱電偶等 2 光子探測(cè)器 量子型 利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng) 材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化 其中有光敏電阻 光電管 光電池等 量子型光子探測(cè)器與光電傳感器原理相同 主要介紹熱電型紅外探測(cè)器 熱釋電傳感器 9 工作原理 利用紅外輻射的熱效應(yīng) 探測(cè)器吸收輻射能后引起溫度升高 使其物理性質(zhì)變化 如熱釋電 熱敏電阻 熱電偶等 熱釋電元件基于物體的熱效應(yīng) 首先將光輻射能變成材料自身的溫度 利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 包括了光 熱 電 兩次信息變換過程 光 熱階段 物質(zhì)吸收光能 溫度升高 熱 電階段 利用熱釋電效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 2 紅外輻射探測(cè)器 10 熱釋電效應(yīng) 通常 晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子中和 自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來 當(dāng)溫度變化時(shí) 晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位 自發(fā)極化發(fā)生變化 晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡 電荷耗盡的狀況正比于極化程度 一些晶體受熱時(shí) 兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷 稱為熱釋電效應(yīng) 11 熱釋電效應(yīng) 12 由實(shí)驗(yàn)證實(shí) 電阻上電壓變化為 由于dT dt與紅外線強(qiáng)度的變化成正比 結(jié)合上式 可得出輸出電壓正比與紅外線強(qiáng)度的變化 13 極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表的自由電荷慢慢中和 不顯電性 中和的平均時(shí)間為 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體表面時(shí) 薄片溫度T升高 使極化強(qiáng)度P降低 表面電荷Q減少 釋放部分電荷 所以稱熱釋電 熱釋電效應(yīng) 14 為使電荷不被中和掉 必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài) 使電荷表現(xiàn)出來 熱釋電傳感器應(yīng)用時(shí)需要用光調(diào)制器 調(diào)制器的入射光頻率必須大于中和時(shí)間的頻率 熱釋電效應(yīng)紅外傳感器 15 熱釋電元件絕緣電阻很高 幾十至幾百兆歐容易引入噪聲 使用時(shí)要求有較高的輸入電阻 通常熱釋電傳感器將前極的場(chǎng)效應(yīng)管FET和輸入電阻安裝在管殼中 起到阻抗變換的作用 熱釋電元件等效電路 輸出電壓 熱釋電元件等效電路 熱釋電效應(yīng)紅外傳感器 16 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 熱釋電紅外可用于自動(dòng)門 干手機(jī) 自動(dòng)水龍頭等 下圖中自動(dòng)門由熱釋電紅外傳感器檢測(cè)是否有人出入 由單穩(wěn)態(tài)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 17 熱釋電紅外報(bào)警控制電路 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 18 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 19 紅外測(cè)溫 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 20 紅外光束報(bào)警電路 紅外傳感器應(yīng)用 21 紅外遙控發(fā)射 接收電路 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 22 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 23 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 24 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用 25 一 煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一 為了消除工業(yè)煙塵污染 首先要知道煙塵排放量 因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè) 自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測(cè)的 如果煙道濁度增加 光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加 到達(dá)光檢測(cè)器的光減少 因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化 第七節(jié)光電傳感器的應(yīng)用舉例 26 平行光源 光電探測(cè) 放大 顯示 刻度校正 報(bào)警器 吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖 煙道 27 二 光電轉(zhuǎn)速傳感器 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖 圖 a 是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤 在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光 透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào) 經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定 在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤 它們具有不同的反射率 當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 反光與不反光交替出現(xiàn) 光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào) 28 三 光電池應(yīng)用光電池主要有兩大類型的應(yīng)用 將光電池作光伏器件使用 利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能 即太陽能電池 這是全世界范圍內(nèi)人們所追求 探索新能源的一個(gè)重要研究課題 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 航空 通信設(shè)施 太陽電池地面發(fā)電站 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng) 但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展 成本會(huì)逐漸下降 太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用 需要光電池具有靈敏度高 響應(yīng)時(shí)間短等特性 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率 這一類光電池需要特殊的制造工藝 主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中 光電池應(yīng)用舉例如下 29 1 太陽電池電源太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣 蓄電池組 調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成 如果還需要向交流負(fù)載供電 則加一個(gè)直流 交流變換器 太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖 調(diào)節(jié)控制器 逆變器 交流負(fù)載 太陽電池方陣 直流負(fù)載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 30 2 光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測(cè)使用時(shí) 其基本原理與光敏二極管相同 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同 由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓 光電轉(zhuǎn)換效率高 光譜范圍寬 頻率特性好 噪聲低等 廣泛地用于光電讀出 光電耦合 光柵測(cè)距 激光準(zhǔn)直 電影還音 紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等 31 a 光電追蹤電路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 a 為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 當(dāng)入射光通量相同時(shí) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤 當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí) 電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正 以此達(dá)到跟蹤的目的 光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 32 BG2 BG1 12V C J R1 R2 b 光電開關(guān) 圖 b 所示電路為光電開關(guān) 多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中 無光照時(shí) 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) 如通態(tài)或斷態(tài) 當(dāng)光電池受光照射時(shí) 產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì) 只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) 達(dá)到開關(guān)目的 33 c 光電池觸發(fā)電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 12V W 圖 c 為光電池觸發(fā)電路 當(dāng)光電池受光照射時(shí) 使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件 如可控硅 導(dǎo)通 34 12V 5G23 d 光電池放大電路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 d 為光電池放大電路 在測(cè)量溶液濃度 物體色度 紙張的灰度等場(chǎng)合 可用該電路作前置級(jí) 把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大 然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄 在實(shí)際應(yīng)用中 主要利用光電池的光照特性 光譜特性 頻率特性和溫度特性等 通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的 35 220V C1 路燈 CJD 10 8V 200 F 200 F C2 C3 100 F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470k 200k 10k 4 3k BG1 280k 25k 57k 10k 路燈自動(dòng)控制器 BG2 BG3 BG4 2CR 36 4 CCD圖像傳感器應(yīng)用a 線陣CCD器件檢測(cè)工件尺寸 L 工件尺寸 N 覆蓋的光敏單元d 相鄰光敏單元中心距離M 光學(xué)系統(tǒng)放大率 2d為圖象末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差 根據(jù)目前產(chǎn)品情況d 0 013 0 03mm 37 b 文字圖像識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng) 寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上 傳感器光敏元件的排列方向與信封運(yùn)動(dòng)方向垂直 光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上 當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí) 傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出 讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理 與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較 最后識(shí)別出數(shù)字碼 由數(shù)字碼 計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu) 把信件送入相應(yīng)分類箱中 38 39 波式和射線式傳感器 第一節(jié)超聲波式傳感器振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng) 簡(jiǎn)稱波 頻率在16 2 104Hz之間 能為人耳所聞的機(jī)械波 稱為聲波 低于16Hz的機(jī)械波 稱為次聲波 頻率高于2 104Hz的機(jī)械波 稱為超聲波 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí) 由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同 在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射 折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象 40 聲波的分類 聲波頻率界限人耳聽見的波稱聲波 機(jī)械波 頻率在16 2 104Hz 次聲波 低于20Hz 超聲波 高于2 104Hz 聲波頻率界限 41 一 超聲波的波形及其物理性質(zhì)1 超聲波波型及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同 聲波的波型也不同 通常有 縱波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致 它能在固體 液體和氣體中傳播 42 橫波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波 只能在固體中傳播 43 表面波 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間 沿著表面?zhèn)鞑サ牟?表面波隨深度增加衰減很快 振動(dòng)軌跡是橢圓型 在固體表面?zhèn)鞑?44 2 波型轉(zhuǎn)換當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì) 固體 的界面上時(shí) 除有縱波的反射 折射外 還發(fā)生橫波的反射和折射 在某種情況下 還能產(chǎn)生表面波 45 3 超聲波的反射和折射在兩界面處 聲波的傳輸與光傳輸類似 符合反射定律和折射定律 C1與C2為聲波在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中傳播聲速 反射定律 入射波與反射波的波形相同 波速相等時(shí) 折射定律 46 超聲波的反射和折射 47 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的增加能量逐漸衰減 衰減規(guī)律用兩個(gè)能量描述 超聲波及物理特性 48 49 超聲波為直線傳播方式 頻率越高繞射越弱 但反射越強(qiáng) 利用這種性質(zhì)可以制成超聲波測(cè)距傳感器 超聲波在空氣中傳播速度較慢 為340m s 使得超聲波應(yīng)用變得非常簡(jiǎn)單 可以通過測(cè)量波的傳播時(shí)間 測(cè)量距離 厚度等 超聲波及物理特性 50 超聲波在液體 固體中衰減很小 穿透能力強(qiáng) 特別是不透光的固體能穿透幾十米 當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí) 在界面上會(huì)產(chǎn)生反射 折射和波形轉(zhuǎn)換 由于超聲波的這些特性 使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用 如 超聲波測(cè)距 測(cè)厚 測(cè)流量 無損探傷 超聲成像 超聲波及物理特性 51 目前市場(chǎng)銷售的超聲波傳感器有兩種形式 專用型 兼用型通常標(biāo)有諧振中心頻率 23KHz 40KHz 75KHz 200KHz 400KHz 超聲波傳感器有發(fā)射 接收兩部分發(fā)射元件 利用壓電材料的逆壓電效應(yīng) 將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波 接收元件 利用壓電材料的正壓電效應(yīng) 將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 超聲波傳感器 52 不同超聲波傳感器工作方式超聲波傳感器使用時(shí)的兩種形式 反射式 TX 直射式 RX 超聲波傳感器的類型 53 超聲波傳感器 54 在超聲波發(fā)送器雙振子施加40KHz電壓 通過逆壓電效應(yīng) 送出超聲波信號(hào) 接收探頭經(jīng)正壓電效應(yīng)將接收到的信號(hào)放大處理 超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器 55 超聲波傳感器 56 超聲波傳感器測(cè)距基本電路主要由振蕩發(fā)射電路 檢測(cè)電路兩部分組成 發(fā)射電路 由反向器 組成RC振蕩器經(jīng)門電路完成功率放大 傳送給超聲波振子產(chǎn)生超聲發(fā)射信號(hào) 超聲波傳感器發(fā)射電路 57 超聲波傳感器接收電路 檢測(cè)電路 超聲波信號(hào)極微弱 需要增益高的放大電路用于檢測(cè)反射波 輸出的高頻信號(hào)電壓接檢波 放大 開關(guān)電路輸出或報(bào)警 超聲波傳感器 58 測(cè)距原理 測(cè)距通過定時(shí)控制電路 觸發(fā)電路 門電路變換為與距離有關(guān)的信號(hào) 用時(shí)鐘脈沖對(duì)這個(gè)信號(hào)的發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器的輸出值就是相應(yīng)距離 340m s n 25 s 距離 超聲波測(cè)距原理時(shí)序波形示意圖 超聲波傳感器測(cè)距原理 59 超聲波傳感器的應(yīng)用 一 超聲波傳感器為了以超聲波作為檢測(cè)手段 必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波 完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器 習(xí)慣上稱為超聲波換能器 或超聲波探頭 超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過反射后 再反回到接收探頭 60 超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷 稱為壓電式超聲波探頭 是實(shí)現(xiàn)聲 電轉(zhuǎn)換的裝置 利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng) 從而產(chǎn)生超聲波 可作為發(fā)射探頭 利用正壓電效應(yīng) 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 可用為接收探