傳感器技術(shù)應(yīng)用-9

1、IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日第第9章章 新型傳感器新型傳感器 本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有：本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容有：1.光纖傳感器的原理與應(yīng)用；光纖傳感器的原理與應(yīng)用；2.紅外線傳感器的原理與應(yīng)用；紅外線傳感器的原理與應(yīng)用； 3.超聲波傳感器的原理與應(yīng)用；超聲波傳感器的原理與應(yīng)用； 4.激光傳感器的原理與應(yīng)用；激光傳感器的原理與應(yīng)用； IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.1

2、9.1 光纖傳感器光纖傳感器 光導(dǎo)纖維傳感器光導(dǎo)纖維傳感器(簡稱光纖傳感器簡稱光纖傳感器)是七十年代迅是七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖傳感器具有靈速發(fā)展起來的一種新型傳感器。光纖傳感器具有靈敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能敏度高，不受電磁波干擾，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優(yōu)點。目前好，耐水抗腐蝕性好，體積小，柔軟等優(yōu)點。目前已研制出多種光纖傳感器，可用于位移、速度、加已研制出多種光纖傳感器，可用于位移、速度、加速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電速度、液位、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流；磁場、核輻射等方面的測量。應(yīng)用前景壓

3、、電流；磁場、核輻射等方面的測量。應(yīng)用前景十分廣闊。十分廣闊。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.1.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)知識光纖傳感器的基礎(chǔ)知識 9.1.1.1 9.1.1.1 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理 圖9.1.1是光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。它由導(dǎo)光的芯體玻璃(稱為纖芯)和包層玻璃所組成。n1n2ABCD101231231-纖芯 2-包層 3-外護(hù)套IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第

4、二版）2022年3月22日 設(shè)纖芯的折射率為設(shè)纖芯的折射率為n1，包層的折射率為包層的折射率為 (其典型其典型值是值是n11.461.51，n2 =1.441.50)，且且n1 n2。當(dāng)光線從空氣當(dāng)光線從空氣(折射率為折射率為n0)中射入光纖的一個端面，中射入光纖的一個端面，并與其軸線的夾角為并與其軸線的夾角為0，則在光纖內(nèi)折射成角則在光纖內(nèi)折射成角1的的光線光線B，然后光線然后光線B以以1 (190-1)角入射到纖芯角入射到纖芯與包層的交界面上。由于纖芯與包層的折射率不等與包層的交界面上。由于纖芯與包層的折射率不等(即即n1n2)，光線光線B的一部分光被反射，成為反射光的一部分光被反射，成為

5、反射光D；另一部分光折射成為折射光另一部分光折射成為折射光C。這時入射光線與折射這時入射光線與折射光線應(yīng)滿足光線應(yīng)滿足 ：IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日n n1 1sinsin1 1 = = n n2 2sinsin2 2 (9-1-1) (9-1-1)由于由于n n1 1 n n2 2，當(dāng)當(dāng)1 1為某值時，可使為某值時，可使2 29090，即折射即折射光沿界面?zhèn)鞑ィ爽F(xiàn)象稱為全反射。使光沿界面?zhèn)鞑?，此現(xiàn)象稱為全反射。使2 29090的的1 1角稱為臨界角，以角稱為臨界角，以0

6、0表示。由式表示。由式(7-1)(7-1)可知可知( (因因sinsin2 21)1)，其臨界角為其臨界角為 (9-1-2) (9-1-2)即即 例如：例如：n n1 11.511.51，n n2 2=1.48=1.48，則則0 087.287.2121nnsin120nnarcsinIVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日若繼續(xù)加大入射角若繼續(xù)加大入射角1，(即即12)，光不再產(chǎn)生折射，而形光不再產(chǎn)生折射，而形成了光的全反射，光線被限制在纖芯中傳播。于是式成了光的全反射，光線被限制在纖芯

7、中傳播。于是式(9-1-2)為為 (9-1-3)這就是光纖傳光的基本工作原理。這就是光纖傳光的基本工作原理。在實際應(yīng)用中，更關(guān)心的是光線以多大角度入射光纖端面在實際應(yīng)用中，更關(guān)心的是光線以多大角度入射光纖端面時，能使折射光完全在纖芯中傳播，即如圖時，能使折射光完全在纖芯中傳播，即如圖9.1.1所示中，所示中，0角為何值時方能使角為何值時方能使12。當(dāng)光線在當(dāng)光線在A點點(空氣中，其折空氣中，其折射率為射率為n1)入射，則有入射，則有 (9-1-4)式中式中190-1121nnsin111100cosnsinnsinnIVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感

8、器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 纖芯與包層的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，纖芯與包層的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力越強(qiáng)。以上我們討論光纖的傳光原理光纖的集光能力越強(qiáng)。以上我們討論光纖的傳光原理時，忽略了光在傳播過程中的各項損耗。實際上入射時，忽略了光在傳播過程中的各項損耗。實際上入射于光纖中的光，存在有損耗于光纖中的光，存在有損耗(如費(fèi)涅耳反射損耗、光如費(fèi)涅耳反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗、彎曲損耗等吸收損耗、全反射損耗、彎曲損耗等)，其中一部分，其中一部分光在傳播途中就損失了，因此光纖不可能百分之百地光在傳播途中就損失了，因此光纖不

9、可能百分之百地將入射光的能量傳播出去。將入射光的能量傳播出去。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.1.1.2 9.1.1.2 光纖傳感器的類型光纖傳感器的類型 光纖傳感器按其作用一般分為物性型光纖傳感器按其作用一般分為物性型( (或稱功能型或稱功能型) )和和結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型( (或稱非功能型或稱非功能型) )兩大類。兩大類。 物性型光纖傳感器的光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感物性型光纖傳感器的光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，即是利用被測物理量直接或間接對光纖中傳送光的元件，即

10、是利用被測物理量直接或間接對光纖中傳送光的光強(qiáng)光強(qiáng)( (振幅振幅) )、相位、偏振態(tài)、波長等進(jìn)行調(diào)制而構(gòu)成的一、相位、偏振態(tài)、波長等進(jìn)行調(diào)制而構(gòu)成的一類傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、光相位調(diào)制型、光偏振調(diào)類傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、光相位調(diào)制型、光偏振調(diào)制型等。制造這類傳感器的技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整制型等。制造這類傳感器的技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較困難。較困難。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是作為結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中光纖不是敏感元件，只是

11、作為傳光元件。這種傳感器常用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖。傳光元件。這種傳感器常用數(shù)值孔徑和芯徑較大的光纖。結(jié)構(gòu)型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠，技術(shù)上易實現(xiàn)，但結(jié)構(gòu)型光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠，技術(shù)上易實現(xiàn)，但靈敏度、測量精度一般低于物性型光纖傳感器。靈敏度、測量精度一般低于物性型光纖傳感器。 光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。光纖傳感器一般由光源、光纖、光電元件等組成。根據(jù)光纖傳感器的用途和光纖的類型，對光源一般要提根據(jù)光纖傳感器的用途和光纖的類型，對光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。常用的光源有激光二極管和發(fā)光出功率和調(diào)制的要求。常用的光源有激光二極管和發(fā)光二極管。激光二極管具有亮度高，易調(diào)

12、制，尺寸小等優(yōu)二極管。激光二極管具有亮度高，易調(diào)制，尺寸小等優(yōu)點。而發(fā)光二極管具有結(jié)構(gòu)簡單和溫度對發(fā)射功率影響點。而發(fā)光二極管具有結(jié)構(gòu)簡單和溫度對發(fā)射功率影響小等優(yōu)點。除此之外，還有采用白熾燈等作光源。小等優(yōu)點。除此之外，還有采用白熾燈等作光源。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.1.2 9.1.2 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用9.1.2.1 9.1.2.1 物性型的光纖微彎曲式傳感器物性型的光纖微彎曲式傳感器 光纖微彎傳感器的光功率是維持在光纖內(nèi)部的，光纖微彎傳感器的光功率

13、是維持在光纖內(nèi)部的，這樣可以免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境這樣可以免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外還有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、中使用。另外還有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、線性度較好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。線性度較好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。9.1.2.2 9.1.2.2 結(jié)構(gòu)型的傳輸光光纖傳感器結(jié)構(gòu)型的傳輸光光纖傳感器 在光纖本身不是敏感元件的結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中，在光纖本身不是敏感元件的結(jié)構(gòu)型光纖傳感器中，主要依據(jù)敏感元件對光強(qiáng)的調(diào)制。該傳感器是通過半主要依據(jù)敏感元件對光強(qiáng)的調(diào)制。該傳感器是通過半導(dǎo)體光吸收片吸收光的能量，對傳輸光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)導(dǎo)體光吸收片吸收光的能量，對

14、傳輸光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，如下圖所示。制，如下圖所示。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日CVD3VD2VD1VTR2R1R3+E1123R4R5R6Rf+E24圖9.1.3 半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測溫原理圖1-光纖 2-支架 3-半導(dǎo)體光吸收片 4-數(shù)字面板表-+IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.1.2.3 9.1.2.3 nxSensor-InxSensor-I型三維激光

15、掃描傳感器型三維激光掃描傳感器 1. 1.工作原理工作原理如下圖所示，如下圖所示，該傳感器是激光技術(shù)、電子成像和該傳感器是激光技術(shù)、電子成像和數(shù)字信號處理等學(xué)科的完美結(jié)合。是測量物體表面坐數(shù)字信號處理等學(xué)科的完美結(jié)合。是測量物體表面坐標(biāo)的同類產(chǎn)品中最為先進(jìn)的。與其他傳統(tǒng)的激光器件標(biāo)的同類產(chǎn)品中最為先進(jìn)的。與其他傳統(tǒng)的激光器件或傳感器不同，或傳感器不同，nxSensor-InxSensor-I不需在計算機(jī)中插入內(nèi)置不需在計算機(jī)中插入內(nèi)置板卡，而是通過嵌入式的板卡，而是通過嵌入式的DSPDSP技術(shù)和軟件自動處理圖象技術(shù)和軟件自動處理圖象并直接實時的產(chǎn)生并直接實時的產(chǎn)生3 3D D坐標(biāo)?；谧鴺?biāo)?；?/p>

16、于USBUSB的即插即用的特性的即插即用的特性使得使得nxSensor-InxSensor-I可以非常容易的工作在可以非常容易的工作在PCPC和其它系統(tǒng)和其它系統(tǒng)中。中。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 三維激光掃描傳感器工作流程三維激光掃描傳感器工作流程 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日2 2性能參數(shù)：性能參數(shù)：傳感器型號：傳感器型號：nxSensor-InxSens

17、or-I行程行程: : 170mm 170mm完整測量范圍：完整測量范圍：-70(-70(z) x 60mm(y)(far end) + 50(z) z) x 60mm(y)(far end) + 50(z) x 30(y)mm (near end)x 30(y)mm (near end)最佳范圍：最佳范圍： -30( -30(z) x 45mm(y)(far end) + 30(z) z) x 45mm(y)(far end) + 30(z) x 35(y)mm (near end)x 35(y)mm (near end)最大采樣點：最大每秒最大采樣點：最大每秒6 6，400400點點分辨率

18、：分辨率： 5 5 umum精確度：精確度： up to 25 umup to 25 um工作溫度：工作溫度： 2030 2030 C CIVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.2 紅外線傳感器紅外線傳感器 紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可動檢測的傳感器。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是見光、紅外光及無線電等都是電磁

19、波，它們之間的差別只是波長波長(或頻率或頻率)的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波長波長(或頻率或頻率)排成如下圖所示的波譜圖，稱之為電磁波譜。排成如下圖所示的波譜圖，稱之為電磁波譜。 名稱聲波無線電波紅外線可見光紫外線X射線 射線頻率波長 104 Km10 Km1 Km1 m1cm 1mm1 m 1 nm0.1 nm310-1 31023105 3108 31010 31011 31014 31017 31018 31021IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版

20、）2022年3月22日9.2.1 9.2.1 紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì) 紅外輻射是由于物體紅外輻射是由于物體( (固體、液體和氣體固體、液體和氣體) )內(nèi)部分子的內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度只有在絕對零度(-273.16(-273.16) )時，一切物體的分子才會停時，一切物體的分子才會停止運(yùn)動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。止運(yùn)動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、

21、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)非常大，紅外線在涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度真空中傳播的速度c c=3=310108 8m ms s，而在介質(zhì)中傳播時，由而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律循如下規(guī)律 （9-2-19-2-1）KxeII0IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日式中，式中，I為通過厚度為為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；的介質(zhì)后的通

22、量；I0為射到介質(zhì)時的為射到介質(zhì)時的通量；通量；e為自然對數(shù)的底；為自然對數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。 金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大，例如厚液體對紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對紅外線的透的水對紅外線的透明度很小，當(dāng)厚度達(dá)到明度很小，當(dāng)厚度達(dá)到lcm時，水對紅外線幾乎完全不透明時，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣了；氣體對紅

23、外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，就存在不同程度的吸收，它對波長為它對波長為15m，814m之間的紅外線是比較透明的，之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。的散射。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9

24、.2.2 9.2.2 紅外線傳感器的類型紅外線傳感器的類型 能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。 熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另外，在加熱過程中，不管什么波長的紅外量級以上。另外，在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對

25、各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測器對各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其探測器對各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為為“無選擇性紅外傳感器無選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因

26、此它的響應(yīng)時間一般比熱敏型短得心是光電元件。因此它的響應(yīng)時間一般比熱敏型短得多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級。此外，要使物體內(nèi)多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運(yùn)動狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足部的電子改變運(yùn)動狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為效果，因此常常稱其為“光子探測器光子探測器”

27、。這類傳感器。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。主要有紅外二極管、三極管等。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 1.1.用于在線溫度監(jiān)測用于在線溫度監(jiān)測 在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫到到900 ，其誤差不得超過其誤差不得超過5 ，否則會影響鍛件的否則會影響鍛件的質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問題。以往的辦質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問題。以往的辦法是由工人目測溫度，看到差不多了，把燒紅的鍛件法是由工人目測溫度，看到

28、差不多了，把燒紅的鍛件取出放鍛錘之下進(jìn)行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測溫取出放鍛錘之下進(jìn)行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測溫計，通過加熱爐口可以直接對準(zhǔn)工件的表面，可以測計，通過加熱爐口可以直接對準(zhǔn)工件的表面，可以測量出工件的溫度，如下圖所示。量出工件的溫度，如下圖所示。 9.2.3 9.2.3 紅外線傳感器的應(yīng)用紅外線傳感器的應(yīng)用IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）20

29、22年3月22日 當(dāng)鍛件加熱到當(dāng)鍛件加熱到900900C C時，紅外探測器便輸出電時，紅外探測器便輸出電信號，啟動電動機(jī)將鍛件從加熱爐中由傳送帶送到信號，啟動電動機(jī)將鍛件從加熱爐中由傳送帶送到鍛錘之下進(jìn)行鍛壓加工。這樣利用紅外探測器就可鍛錘之下進(jìn)行鍛壓加工。這樣利用紅外探測器就可以對整個工作過程實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。以對整個工作過程實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 市售的市售的HBW-B型紅外測溫儀是非接觸式數(shù)字顯型紅外測溫儀是非接觸式數(shù)字顯示儀表，它利用被測物的熱輻射來確定物體溫度，示儀表，它利用被測物的熱輻射來確定物體溫度，測溫范圍測溫范圍600以上。測量距離是根據(jù)被測物目標(biāo)以上。測量距離是根據(jù)被測物目標(biāo)大小來

30、確定的，被測物目標(biāo)越大，測量距離越遠(yuǎn)。大小來確定的，被測物目標(biāo)越大，測量距離越遠(yuǎn)。測量誤差小于量程上限的測量誤差小于量程上限的1%。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 HBW-BHBW-B型測溫儀由傳感器（探頭）和儀器箱兩部分組成，型測溫儀由傳感器（探頭）和儀器箱兩部分組成，中間由五芯屏蔽電纜線連接。中間由五芯屏蔽電纜線連接。 紅外感溫器紅外感溫器( (探頭探頭) )是一個典型的紅外測溫傳感器，它是一個典型的紅外測溫傳感器，它的探測元件是硅光電池，工作波段為的探測元件是硅光電池，工

31、作波段為0.650.651.11.1m m，感溫感溫器之間具有互換性。器之間具有互換性。 儀器箱儀器箱( (電子信號處理器電子信號處理器) )具有十分完備的功能，除了具有十分完備的功能，除了輻射系數(shù)修正、線性化處理兩種必備的功能外，它尚有平輻射系數(shù)修正、線性化處理兩種必備的功能外，它尚有平均值、峰值、軋鋼測溫、超量程報警等八種功能可供用戶均值、峰值、軋鋼測溫、超量程報警等八種功能可供用戶選擇采用。選擇采用。 HBW-B型儀表廣泛用于冶金、機(jī)械等各種場合和陶瓷、型儀表廣泛用于冶金、機(jī)械等各種場合和陶瓷、玻璃等各種材料。對響應(yīng)速度快、運(yùn)動物體、高溫、高壓玻璃等各種材料。對響應(yīng)速度快、運(yùn)動物體、高溫

32、、高壓等不能應(yīng)用接觸式等不能應(yīng)用接觸式(如熱電偶如熱電偶)測溫儀表的場合尤其有效。測溫儀表的場合尤其有效。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 2.用于防盜報警用于防盜報警 利用熱釋電紅外傳感器和模擬聲集成電路制作的利用熱釋電紅外傳感器和模擬聲集成電路制作的電子警犬，具有良好的防盜報警功能電子警犬，具有良好的防盜報警功能 。 （1）工作原理）工作原理 如下圖所示。如下圖所示。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測

33、技術(shù)（第二版）2022年3月22日 （2 2）主要器件）主要器件 BH1用用LHl958型熱釋電紅外傳感器，其外形如下型熱釋電紅外傳感器，其外形如下圖所示。菲涅爾透鏡用市售圖所示。菲涅爾透鏡用市售SNS型，也可用型，也可用CE-024或或Q-1A等型號，還可自制。等型號，還可自制。 IC1用用BISS0001型傳感型傳感信號處理集成電路。信號處理集成電路。IC2用用FK-53型模擬狗吠聲集成電型模擬狗吠聲集成電路，該集成電路模擬聲逼真，路，該集成電路模擬聲逼真，且無需外接功放三極管就能且無需外接功放三極管就能直接驅(qū)動外接揚(yáng)聲器工作，直接驅(qū)動外接揚(yáng)聲器工作，使用極為方便。使用極為方便。IVT電子

34、工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 IC2也可采用也可采用H28N型模擬狗吠聲集成電路，型模擬狗吠聲集成電路，它的應(yīng)用電路如下圖所示。其中，外接振蕩電阻它的應(yīng)用電路如下圖所示。其中，外接振蕩電阻R可用來改變發(fā)聲頻率，阻值大時頻率低，可模擬可用來改變發(fā)聲頻率，阻值大時頻率低，可模擬老狗叫聲；阻值小時頻率高，可模擬小狗叫聲。老狗叫聲；阻值小時頻率高，可模擬小狗叫聲。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022

35、年3月22日 VTl用用9013型小功率型小功率NPN型硅三極管，型硅三極管，hFE180。LED用用5 mm或或3 mm紅色發(fā)光二極管。紅色發(fā)光二極管。R1R11用用1/8W金屬膜或碳膜電阻。金屬膜或碳膜電阻。C2、C5、C8、C9用耐壓用耐壓16 V的普通鋁電解電容器，的普通鋁電解電容器，C1、C3、C4、C6、C7均可用瓷均可用瓷介、滌綸或玻璃釉電容器。介、滌綸或玻璃釉電容器。B用用0.250.5 W、5070 的內(nèi)磁式電動揚(yáng)聲器。電源用的內(nèi)磁式電動揚(yáng)聲器。電源用4節(jié)節(jié)1.5V的的5號電池串聯(lián)，號電池串聯(lián)，或者用或者用9 V疊層電池疊層電池(6F22型型)經(jīng)經(jīng)78L05型集成穩(wěn)壓器輸出型

36、集成穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的穩(wěn)定的5 V電壓作為電壓作為BH1及及ICl的電源。的電源。4.5 V電源用電源用3節(jié)節(jié)5號電池。這兩組電源相互獨(dú)立，有利于防止電路產(chǎn)生自號電池。這兩組電源相互獨(dú)立，有利于防止電路產(chǎn)生自激。激。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 （3）制作）制作 首先在集成電路實驗插板首先在集成電路實驗插板(如市售的如市售的SYB-130型面包板型面包板)上對電路進(jìn)行試驗，再著手設(shè)計印上對電路進(jìn)行試驗，再著手設(shè)計印刷電路板，或采用市售通用實驗印刷電路板作元器件刷電路板，或采用市

37、售通用實驗印刷電路板作元器件布局設(shè)計。布局設(shè)計。 ICl的輸入端的輸入端(14腳腳)懸空或接觸不良、懸空或接觸不良、Rl接觸不良、接觸不良、R4及及R5阻值過大等都會引起電路自激而影響正常工作，阻值過大等都會引起電路自激而影響正常工作，找到原因后即可排除故障。找到原因后即可排除故障。BISS0001集成電路不得直集成電路不得直接焊在電路板上，必須通過插座接插完成連接。接焊在電路板上，必須通過插座接插完成連接。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 （4）調(diào)試）調(diào)試 裝在熱釋電傳感器前面

38、的菲涅爾透鏡裝在熱釋電傳感器前面的菲涅爾透鏡或其代用品應(yīng)彎曲成圓柱面，傳感器位于菲涅爾透鏡焦或其代用品應(yīng)彎曲成圓柱面，傳感器位于菲涅爾透鏡焦距附近，通過多次探測試驗對比后確定它們之間的最佳距附近，通過多次探測試驗對比后確定它們之間的最佳相對位置。一般警戒距離可達(dá)相對位置。一般警戒距離可達(dá)4 m以上。以上。 （5）應(yīng)用）應(yīng)用 電子警犬的安裝位置應(yīng)選擇能讓走動電子警犬的安裝位置應(yīng)選擇能讓走動的人進(jìn)人紅外探測器的可靠視場范圍之內(nèi)且不易被發(fā)現(xiàn)的人進(jìn)人紅外探測器的可靠視場范圍之內(nèi)且不易被發(fā)現(xiàn)之處。根據(jù)實際需要，探測器和揚(yáng)聲器也可以相距較遠(yuǎn)之處。根據(jù)實際需要，探測器和揚(yáng)聲器也可以相距較遠(yuǎn)分別安裝。分別安裝

39、。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現(xiàn)自動檢超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實現(xiàn)自動檢測的測量元件。聲波是一種機(jī)械波。聲的發(fā)生是由于測的測量元件。聲波是一種機(jī)械波。聲的發(fā)生是由于發(fā)聲體的機(jī)械振動，引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點的振動發(fā)聲體的機(jī)械振動，引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點的振動由近及遠(yuǎn)的傳播，這就是聲波。人耳所能聽聞的聲波由近及遠(yuǎn)的傳播，這就是聲波。人耳所能聽聞的聲波其頻率在其頻率在2020000Hz之間，頻率在之間，頻率

40、在2020000Hz以以外的聲波不能引起聲音的感覺。頻率超過外的聲波不能引起聲音的感覺。頻率超過20000Hz的的叫做超聲波，頻率低于叫做超聲波，頻率低于20Hz的叫做次聲波。超聲波的的叫做次聲波。超聲波的頻率可以高達(dá)頻率可以高達(dá)911Hz，而次聲波的頻率可以低達(dá)而次聲波的頻率可以低達(dá)9-8Hz。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 9.3.1 超聲波的發(fā)生超聲波的發(fā)生 超聲波發(fā)生器將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其結(jié)構(gòu)分超聲波發(fā)生器將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其結(jié)構(gòu)分為兩部分，一是產(chǎn)生高頻電流或電

41、壓的電源，二是換為兩部分，一是產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源，二是換能器，它將電磁振蕩變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波。能器，它將電磁振蕩變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波。 u壓電片厚度d圖9.3.1 壓電式超聲波傳感器超聲波 1.壓電式超聲波發(fā)生器壓電式超聲波發(fā)生器 壓電式超聲波發(fā)生器就壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓電材現(xiàn)象制成的。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如右圖所示。波，

42、如右圖所示。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 2 2. .磁致伸縮超聲波發(fā)生器磁致伸縮超聲波發(fā)生器 磁致伸縮效應(yīng)的大小，即伸長縮短的程度，不同的磁致伸縮效應(yīng)的大小，即伸長縮短的程度，不同的鐵磁物質(zhì)其情況不相同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，它在鐵磁物質(zhì)其情況不相同。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，它在一切磁場中都是縮短的。如果先加一定的直流磁場，再一切磁場中都是縮短的。如果先加一定的直流磁場，再加以交流電時，它可工作在特性最好的區(qū)域。加以交流電時，它可工作在特性最好的區(qū)域。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵

43、磁材料置于交變磁場中，磁致伸縮超聲波發(fā)生器把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。超聲波。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為磁致伸縮超聲波發(fā)生器是用厚度為0.10.10.40.4mmmm的鎳片的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如下圖所示。有矩形、窗形等，如下圖所示。磁致伸縮超

44、聲波發(fā)生器的磁致伸縮超聲波發(fā)生器的材料，除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。磁材料，除鎳外，還有鐵鉆釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬功率可達(dá)十萬W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千聲強(qiáng)可達(dá)幾千Wcm2，能耐較高的溫度。能耐較高的溫度。 dd圖9.3.2 磁致伸縮超聲波發(fā)生器IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.2 超聲波的接收超聲波的接收 在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強(qiáng)在超

45、聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強(qiáng)度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆效應(yīng)而進(jìn)行工作的。行工作的。 磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應(yīng)而磁致伸縮超聲波接收器是利用磁致伸縮的逆效應(yīng)而制成的。當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材制成的。當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場料伸縮，引起它的內(nèi)部磁場(即導(dǎo)磁特性即導(dǎo)磁特性)的變化。根據(jù)的變化。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)電動勢，電磁感應(yīng)，磁

46、致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動勢，并將此電動勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)并將此電動勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)也與發(fā)生器差不多。也與發(fā)生器差不多。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.3 超聲波的傳播特性超聲波的傳播特性 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它是由與介質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。設(shè)有某種彈性介質(zhì)及振蕩源，質(zhì)相接觸的振蕩源所引起的。設(shè)有某種彈性介質(zhì)及振蕩源，如下圖所示如下圖所示, , a圖為圖為橫

47、向振蕩橫向振蕩, , b圖為縱向振蕩。橫向振蕩圖為縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中只能在固體中產(chǎn)生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產(chǎn)生。產(chǎn)生。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日gB1c 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。對于液體及氣體，其傳播的速度為有關(guān)。對于液體及氣體，其傳播的速度為: 在固體中的傳播速度為在固體中的傳播速度為: 超聲波的一種傳播特性超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質(zhì)時，

48、是在通過兩種不同的介質(zhì)時，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象，如右圖所示，圖中：如右圖所示，圖中：)2-1)(1-1 Ec21sinsinccIVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質(zhì)時，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)著傳播距離的增加，其強(qiáng)度因介質(zhì)吸收能量而減弱。設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)時的強(qiáng)度為超聲波進(jìn)入介質(zhì)時的強(qiáng)度為I I0 0，通過介質(zhì)后的強(qiáng)度為通過介質(zhì)后的強(qiáng)度為I I，如右下圖所示，則

49、有：如右下圖所示，則有： -Ad0eII 振動源介質(zhì)I0Id 對于液體介質(zhì)，超聲波能對于液體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為：量的吸收系數(shù)為： 對于固體介質(zhì)，超聲波能對于固體介質(zhì)，超聲波能量的吸收系數(shù)為：量的吸收系數(shù)為：c1-K34cf4A322Qcf2AIVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.4 超聲波在自動檢測中的應(yīng)用超聲波在自動檢測中的應(yīng)用 超聲波已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)部門。下面舉幾個超聲波已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)部門。下面舉幾個例子說明它在檢測技術(shù)中的應(yīng)用。例子說明它在檢測技術(shù)中

50、的應(yīng)用。 1 1. .超聲波探傷超聲波探傷 對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，碰到雜質(zhì)或分界面就會有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。工具。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 (1) (1)穿透

51、法探傷穿透法探傷 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一法用兩個探頭，置于工件相對面，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。個接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。其工作原理如下圖所示。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，其工作原理如下圖所示。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時，接收能量大，接收能量大，儀表指示值大；儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時，因部分能量被反射，因部分能量被反射，接收能量小

52、，儀表接收能量小，儀表指示值小。指示值小。IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 (2) 反射法探傷反射法探傷 是以超聲波在工件中反射情況的是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。檢測原理如下圖所示。超聲不同，來探測缺陷的方法。檢測原理如下圖所示。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷陷F時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面時反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲

53、波被探頭接也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波收時，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波f、缺陷波缺陷波F及底波月經(jīng)放及底波月經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 2 2. .超聲波測液位超聲波測液位 超聲波測液位是利用回聲原理進(jìn)行工作的，如下圖超聲波測液位是利用回聲原理進(jìn)行工作的，如下圖所示。當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過所示。當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲脈沖，經(jīng)過時間時間t后

54、，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此后，探頭接收到從液面反射回來的回音脈沖。因此探頭到液面的距離探頭到液面的距離L可由下式求出：可由下式求出：ctL21IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日 3 3. .超聲波測厚度超聲波測厚度 在超聲波測厚技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回在超聲波測厚技術(shù)中，應(yīng)用較為廣泛的是脈沖回波法，其工作原理如下圖所示。它通過測量超聲波脈波法，其工作原理如下圖所示。它通過測量超聲波脈沖通過工件所需的時間間隔，然后根據(jù)超聲波脈沖在沖通過工件所需的時間間隔，然后根據(jù)

55、超聲波脈沖在工件中傳播的速度求出工件中傳播的速度求出工件的厚度。若傳播工件的厚度。若傳播速度速度c c，時間間隔，時間間隔t t，則試件厚度則試件厚度d d可用可用下式求出：下式求出：ctd21IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.5 超聲波測距電路設(shè)計與制作超聲波測距電路設(shè)計與制作 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可

56、以通過超聲波來量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。也得到了廣泛的應(yīng)用。 為了使移動機(jī)器人能自動避障行走，就必須裝為了使移動機(jī)器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）?？梢岳贸暡▊鞲衅鹘Y(jié)合單片（距離和方向）?？梢岳?/p>

57、超聲波傳感器結(jié)合單片機(jī)來設(shè)計三方向（前、左、右）的超聲波測距電路，機(jī)來設(shè)計三方向（前、左、右）的超聲波測距電路，為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境提供一個為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境提供一個運(yùn)動距離信息。運(yùn)動距離信息。 IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.5.1 超聲波測距原理超聲波測距原理 可用時間差測距法進(jìn)行距離的測量，具體原理可用時間差測距法進(jìn)行距離的測量，具體原理是：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射是：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時

58、開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離射點距障礙物的距離(s)，即：，即：2/340ts IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日9.3.5.2 超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計

59、超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計電路原理圖如下電路原理圖如下:IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日1、40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。 puzel： mov 14h, #12h；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms here： cpl p1.0 ；輸出40kHz方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret IVT電子工程系電子工程系蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技

60、術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳感器與檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)（第二版）2022年3月22日2、超聲波的接收與處理、超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運(yùn)算放大器波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運(yùn)算放大器IC1A和和IC1B兩級放大后加至兩級放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率率f0=1/1.1R8C3，電容，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則在發(fā)射的載頻