第9章其他傳感器

1、第9章其他傳感器微波是電磁波的一部分，它與紅外光、可見光、紫外線、X射線、Y射線、及無線電波一起構(gòu)成整個連續(xù)電磁波譜，其波長為1mm1m圖9.1 電磁波波譜微波特點9.1.1 微波的性質(zhì)與特點微波的性質(zhì)與特點 (1)定向輻射裝置容易制造； (2)遇到各種障礙物易于反射； (3)不易產(chǎn)生繞射； (4)傳輸過程中受煙霧、灰塵、強(qiáng)光等影響?。?(5)傳輸介質(zhì)對微波有吸收作用并與其介電常數(shù)成比例（6）水對微波的吸收作用明顯 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置 微波波長很短,頻率范圍為300MHz300GHz.微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管傳輸，并通過天線發(fā)射出去9.1.2 微波振蕩器與微波天線微波振蕩器

2、與微波天線常用微波天線結(jié)構(gòu)常用微波天線結(jié)構(gòu)圖9.2 常見微波天線 9.1.2 微波振蕩器與微波天線微波振蕩器與微波天線微波傳感器是用微波特性來檢測物理量的裝置9.1.3 微波傳感器及其分類微波傳感器及其分類 微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩種 (1)(1)反射式微波傳感器反射式微波傳感器 通過檢測被測物反射回來的微波功率或從發(fā)射微波到接收微波的時間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數(shù) (2) (2) 遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器9.1.3 微波傳感器及其分類微波傳感器及其分類 通過檢測接收天線接收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置等參數(shù) 1 微波液位計圖9.

3、3 微波液位計示意圖9.1.4 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 由相互構(gòu)成一定角度、相距為s的發(fā)射天線與接收天線組成天線接收到的功率Pr為22244dSGGPPrttr式中： d兩天線與被測液面間的垂直距離； Pt發(fā)射天線發(fā)射的功率； Gt發(fā)射天線的增益； Gr接收天線的增益； S發(fā)射天線與接收天線之間的直線距離當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均為恒定值時22244dSGGPPrttr可改寫為:22122244dKKdSGGPPrttrKl取決于波長、發(fā)射功率和天線增益的常數(shù)；K2取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù)2 2 微波物位計微波物位計微波物位計示意圖 3 微波測厚儀微波測厚儀該測厚儀是利用微波

4、在傳播過程中遇到金屬表面被反射的特性進(jìn)行厚度測量 1 1 紅外輻射概念紅外輻射概念 指的是波長從1000m，相對應(yīng)的頻率大致在410310Hz之間的紅外光.9.2.1 紅外輻射的基本知識紅外輻射的基本知識紅外光在電磁波譜中的分布（1 1） 紅外光紅外光9.2.1 紅外輻射的基本知識紅外輻射的基本知識分為三個區(qū)域：近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)9.2.1 紅外輻射的基本知識紅外輻射的基本知識（2 2） 紅外輻射波速紅外輻射波速紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射在真空中的傳播速度如下式: c=紅外輻射的波長(m)；紅外輻射的頻率(Hz)；c光在真空中的傳播速度，c=3108 m/s 8m/s。（3 3） 紅

5、外線透射率曲線紅外線透射率曲線波長為12.5m 、5m 、814m區(qū)域的紅外光具有比較大的“透射率”即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。 2 2 紅外輻射源紅外輻射源根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小分為點源和面源面源：充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場的輻射源叫點源：沒有充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)場的大面源叫圖9.7 點源熱輻射為立體角，P為立體角內(nèi)的發(fā)射功率 PJ輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度J是點源在某一指定方向、單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率 點源的幅射強(qiáng)度點源的幅射強(qiáng)度J僅與方向有關(guān)，而與源面積無關(guān)僅與方向有關(guān)，而與源面積無關(guān)1 1 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能. 0EEr9.2.2

6、 紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律 Er 物體在單位面積和單位時間內(nèi)發(fā)射出輻射能該物體對輻射能的吸收系數(shù)；E0 等價于黑體在相同溫度下發(fā)射的能量， 它是常數(shù)2 2 斯忒藩斯忒藩玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律4TE)/(1067. 5428KmWT 物體的絕對溫度(K)斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù)在單位時間內(nèi)，其單位面積輻射的總能量E為:比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻射本領(lǐng)的比值，黑體的 =13 3 維恩位移定律維恩位移定律 （1）熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長（2）物體輻射峰值波長與物體的自身的絕對溫度T成反比（3）峰值波長與絕對溫度T關(guān)系:)(2897mTm4 4 不同溫度的輻射光譜分布不同

7、溫度的輻射光譜分布圖9.8 物體峰值輻射波長與溫度關(guān)系曲線1 1 熱敏紅外傳感器熱敏紅外傳感器9.2.3 紅外傳感器紅外傳感器 溫差熱電變化 熱敏紅外傳感器在吸收紅外輻射能后引起某種物理性質(zhì)的變化： 金屬或半導(dǎo)體電阻變化 氣體壓強(qiáng)變化 金屬熱膨脹變化2 2 熱敏紅外傳感器種類熱敏紅外傳感器種類9.2.3 紅外傳感器紅外傳感器 熱敏電阻型紅外傳感器 熱電偶型紅外傳感器 熱釋電型紅外傳感器3 3 光子紅外傳感器光子紅外傳感器 光子紅外傳感器是根據(jù)光電效應(yīng)原理制成的 (1) 光電導(dǎo)型紅外傳感器 光電導(dǎo)型紅外傳感器是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的 光子紅外傳感器可分為光電導(dǎo)型和光伏特型兩種: (2) 光伏特紅外

8、傳感器 光伏特紅外傳感器是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的紅外遙測紅外光電傳感器遙測可代替空中照相技術(shù)，從空中獲取地球環(huán)境的各種圖像資。 行掃描儀結(jié)構(gòu)示意圖圖9.9 紅外傳感器遙感裝置示意圖9.2.4 紅外輻射檢測技術(shù)的應(yīng)用紅外輻射檢測技術(shù)的應(yīng)用紅外氣體分析儀 根據(jù)物質(zhì)吸收光能特性來進(jìn)行工作 CO2氣體透射光譜圖 圖9.10 CO2氣體透射光譜圖CO2紅外氣體分析儀的工作原理 圖9.11 CO2紅外氣體分析儀原理圖人工網(wǎng)膜 人工網(wǎng)膜是用光電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號，其最簡單的形式是33光電管陣列。 以數(shù)字字符1為例，由33陣列得到的正、負(fù)像如圖所示 圖9.12 字符1的33正、負(fù)像輸入字符為I，所得正、

9、負(fù)像如圖所示 工作時得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已儲存的圖像進(jìn)行比較， 其結(jié)果如表9-1圖9.13 字符I的33正、負(fù)像光電探測器 光電探測器件有兩種:光導(dǎo)管和光敏二極管 光導(dǎo)管工作機(jī)理:其電阻隨光照度而變化; 光敏二極工作機(jī)理:產(chǎn)生與光照強(qiáng)度成正比的電流 固態(tài)光電探測器件:將單個光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列，使之具有直接測量或攝像功能;固態(tài)攝影器:做在硅片上的集成電路，硅片上有一個極小的光敏單元陣列和一個存儲單元陣列及電荷讀出掃描電路;固態(tài)陣列器件包括:自掃描光敏二極管（SSPD）、電荷耦合器（CCD）、電荷耦合光敏二極管（CCPD）和電荷注入器（CID）等主要區(qū)別:電荷形成的

10、方式和電荷讀出的方式不同另一種存儲單元陣列:模擬移位寄存器 雙目視覺傳感器結(jié)構(gòu):由兩臺性能相同的面陣CCD攝像機(jī)組成 工作原理:基于立體視差的原理，可完成視場內(nèi)的所有特征點的三維測量，如圓孔的中心、三棱頂點位置等; 機(jī)器人的視覺傳感器作用的過程如圖所示:客觀世界中三維物體經(jīng)由傳感器(如攝像機(jī))轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的平面圖像，再經(jīng)圖像處理，輸出該物體的圖像 圖9.14 視覺作用過程1 超聲波的反射和折射 超聲波在傳播過程中的路線圖9.15 波的反射和折射超聲波的基本特性超聲波的基本特性2 2 入射波速入射波速, ,反射波速與折射波速反射波速與折射波速 -入射角 -反射角 -入射波速 C -反射波速 -折射

11、角 sinsinccaa21sinsinccaC超聲波的波形及轉(zhuǎn)換 縱波:質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致,它能 在固體、液體和氣體中傳播; 橫波:質(zhì)點的振動方向垂直于傳播方向的波, 它只能在固體中傳播; 表面波:質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面?zhèn)鞑?以上各種波形都符合反射及折射定律，如圖所示. 2 2 超聲波的波形及轉(zhuǎn)換超聲波的波形及轉(zhuǎn)換 縱波縱波: 質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致,它能在固體、液體和氣體中傳播 橫波橫波: : 質(zhì)點的振動方向垂直于傳播方向的波, 它只能在固體中傳播 表面波表面波: : 質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面?zhèn)鞑D9.16 波型轉(zhuǎn)換圖 sins

12、insinsinsin222111SLSLLCCCCC3 各種波形都符合反射及折射定律各種波形都符合反射及折射定律 縱波與橫波的反射角； 縱波與橫波的折射角 入射介質(zhì)，反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度 反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度 sinsinsinsinsin222111SLSLLCCCCC21,11,SLLCCC32,SLCC入射角；4 4 傳播速度傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān) 超聲波的縱波在氣體中傳播速度為344m/s 在液體中傳播速度在9001900m/s之間 通常認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半 表面波約為橫波聲速的90%5 5 超聲波的衰減超聲波的衰減axePP0a

13、xeII2000, IP 超聲波在介質(zhì)中傳播時,其能量逐漸衰減,衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射、吸收等因素有關(guān)6 6 距離聲源處的聲壓距離聲源處的聲壓P P和聲強(qiáng)和聲強(qiáng)I I 聲源處的聲壓和聲強(qiáng)； e自然對數(shù)的底； a衰減系數(shù)； P，I距離聲源處的聲壓和聲強(qiáng)。 超聲波在介質(zhì)中傳播時，會對介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械作用和熱學(xué)作用9.4.2 超聲波對傳播介質(zhì)的作用超聲波對傳播介質(zhì)的作用 (1) 機(jī)械作用機(jī)械作用 超聲波在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點運動而使介質(zhì)產(chǎn)生交替的壓縮和伸張，從而對介質(zhì)產(chǎn)生了機(jī)械力作用 (2) 熱學(xué)作用熱學(xué)作用 在傳播過程中，由于其振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的同頻振動，介質(zhì)之間因振動產(chǎn)生互相摩擦而發(fā)

14、熱，從而使介質(zhì)的溫度升高超聲波傳感器構(gòu)成:超聲波發(fā)生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片、吸收塊、保護(hù)膜等組成;圖9.17 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 （1）超聲波產(chǎn)生：是利用逆壓電效應(yīng)原理工作圖9.18 超聲波傳感器電路原理圖（3）工作原理電路圖（2）超聲波接收：利用順壓電效應(yīng)原理工作1 超聲波測厚 超聲波測厚常用的是脈沖回波法.超聲波探頭與被測物體表面接觸,圖9.19 脈沖回波法測厚原理圖超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用工件厚度表示為: 2ctC-超聲波在工件中的傳播速度t-脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔2 障礙物探測利用超聲波檢測汽車后面

15、有無障礙物的裝置3 超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為 單探頭液體介質(zhì)式 單探頭氣體介質(zhì)式3 超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為 雙探頭氣體介質(zhì)式 雙探頭液體介質(zhì)式4 固定點液位測量 圖9.22 超聲波定點液位計 阻抗式液位計當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時，發(fā)射電路通過的電流也就不同 4 固定點液位測量透射式液位計 當(dāng)兩個探頭之間有液體時，接收探頭接收 到的透射波較弱； 當(dāng)兩個探頭之間無液體時，接收探頭接收 到的透射波較強(qiáng) 1 1 生物傳感器構(gòu)成生物傳感器構(gòu)成:圖9.23 生物傳感器原理圖 9.5.1 生物傳感器類型及特點生物傳感器類型及特點

16、由敏感膜和敏感元件兩部分組成2 生物傳感器的分類按照敏感膜材料的不同，生物傳感器可分為 細(xì)胞傳感器 微生物傳感器 免疫傳感器 酶傳感器 組織傳感器按照敏感元件的工作原理可分為：2 生物傳感器的分類 生物電極 熱生物傳感器 壓電晶體生物傳感器 半導(dǎo)體生物傳感器 光生物傳感器等3 生物傳感器的特點生物傳感器的特點（1）分析速度快，可以在較短的時間內(nèi)得到結(jié)果（2）準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1。（3）操作較簡單，容易實現(xiàn)自動分析（4）主要缺點是使用壽命較短1 酶的特性與特點9.5.2 酶傳感器及其應(yīng)用酶傳感器及其應(yīng)用 酶與一般催化劑有相似之處 酶是由生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化活 性的一類蛋白質(zhì) 此類蛋白質(zhì)表現(xiàn)出特異的催化功能 酶被稱為生物催化劑2 酶與一般摧化劑的不同之處9.5.2 酶傳感器及其應(yīng)用酶傳感器及其應(yīng)用 （1）酶的催化效率比一般催化劑要高（2）酶催化反應(yīng)條件較為溫和，在常溫、常 壓條件下 即可進(jìn)行（3) 酶的催化具有高度的專一性，即一種酶只 能作用于一種或一類物質(zhì)，產(chǎn)生一定的產(chǎn)物 （4) 而非酶催化劑對作用物沒有如此嚴(yán)格的選擇性3 酶傳感器的結(jié)構(gòu)與原理陰極 2.聚四氟乙烯膜 3.固相酶膜 4.半透膜多孔層 5.半透膜致密層葡萄糖酶傳感器結(jié)構(gòu)原理敏感膜為葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝膠上1 微生物傳感器的分類及結(jié)構(gòu)9.5.3 微生物