輻射式傳感器紅外超聲SAW

1、會(huì)計(jì)學(xué)1輻射式傳感器紅外超聲輻射式傳感器紅外超聲SAW第1頁/共61頁2紅外輻射規(guī)律： 1）基爾霍夫定律基爾霍夫定律：物體向外發(fā)射的輻射能取決于它的溫度：物體向外發(fā)射的輻射能取決于它的溫度和吸收本領(lǐng)。和吸收本領(lǐng)。 ER 物體在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；物體在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)，黑體的吸收系數(shù)為物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)，黑體的吸收系數(shù)為1；E0 常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。紅外輻射傳感器 第2頁/共61頁2）斯蒂芬玻爾茨曼斯蒂芬玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 ： 物體單位

2、面積輻射功率、物體輻射強(qiáng)度物體單位面積輻射功率、物體輻射強(qiáng)度 W 與其熱力學(xué)溫與其熱力學(xué)溫度度 T 四次方成正比：四次方成正比：4WT-1224/5.56697 10WcmK比輻射率，非黑體輻射度 黑體輻射度斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù), =（1）黑體=1，在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射；（2）物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯增強(qiáng)；紅外輻射傳感器 第3頁/共61頁3）普朗克定律普朗克定律：絕對(duì)溫度為：絕對(duì)溫度為 T 時(shí)，在單位波長內(nèi)其時(shí)，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量光譜輻射通量密度密度。不同溫度時(shí)黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)。不同溫度

3、時(shí)黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為：系為：紅外輻射傳感器 12,MC C黑體對(duì)波長為黑體對(duì)波長為的光譜輻射通量密度；的光譜輻射通量密度；普朗克輻射常數(shù)，普朗克輻射常數(shù)，1622123.7415 10W m ,1.4388 10 m KCC第4頁/共61頁a. 隨溫度升高，峰值輻射波隨溫度升高，峰值輻射波長向短波方向移動(dòng)，強(qiáng)度長向短波方向移動(dòng)，強(qiáng)度按指數(shù)增長；按指數(shù)增長；b. 溫度不太高時(shí)，輻射波長溫度不太高時(shí)，輻射波長位于紅外區(qū)域；位于紅外區(qū)域；c. 峰值左側(cè)能量約占峰值左側(cè)能量約占25，右側(cè)約占右側(cè)約占75。4）維恩位移定律維恩位移定律：光譜輻射通量密度密度峰值波長：光譜輻射通量密度密度峰

4、值波長與物體自身的絕對(duì)溫度成反比。與物體自身的絕對(duì)溫度成反比。第5頁/共61頁 能能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為的裝置稱為紅外傳感器紅外傳感器，按，按其工作原理可以分為其工作原理可以分為光敏型光敏型（或稱光子型、量子型）和（或稱光子型、量子型）和熱敏熱敏型型兩類。兩類。 光敏型光敏型直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅外光的波長范圍較窄（圖中曲線外光的波長范圍較窄（圖中曲線2）。）。紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線 紅外輻

5、射傳感器 熱敏型將吸收的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽蛊骷陨淼臏囟劝l(fā)生變化，包括熱電偶式、熱電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲線1），能在常溫下工作，價(jià)格便宜。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。 第6頁/共61頁 以以紅外線為測量介質(zhì)紅外線為測量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：功能可以分成五類：（1）溫度計(jì)和輻射計(jì)溫度計(jì)和輻射計(jì)，用于溫度、輻射和光譜測量；，用于溫度、輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)

6、行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合而成。而成。 紅外輻射傳感器 第7頁/共61頁（3）光學(xué)接收器光學(xué)接收器：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。 （4）輻射調(diào)制器輻射調(diào)制器：將來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，：將來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積

7、的干擾信號(hào)。又稱提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器。調(diào)制盤和斬波器。 （1）待側(cè)目標(biāo)：具有紅外輻射特性。（2）大氣衰減：由于各種氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。 典型的紅外傳感系統(tǒng) 第8頁/共61頁（5）紅外探測器：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。 （6）探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測器可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度。 （7）信號(hào)處理系統(tǒng)：將探測的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從中提

8、取出有用的信息。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)母袷?，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。 （8）顯示設(shè)備：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有示波器、顯像管、指示儀器和記錄儀等。典型的紅外傳感系統(tǒng) 第9頁/共61頁 濾光片濾光片采用允許在采用允許在8 814m14m的紅外輻射能通的紅外輻射能通過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測的紅轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在紅紅外光敏面外光敏面上，被測目標(biāo)的上，被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，并將紅外紅外探測器上，并將紅外輻射變換為

9、電信號(hào)。輻射變換為電信號(hào)。 例1：紅外測溫 （0-700）紅外輻射傳感器 第10頁/共61頁例2：紅外測溫 （800以上的高溫）假定人造黑體吸收了假定人造黑體吸收了由被測物輻射的全部由被測物輻射的全部能量，根據(jù)能量，根據(jù)(Stefan-Boltzmann)定律定律 ： 4400TT 從而得到：從而得到：04TT紅外輻射傳感器 第11頁/共61頁例3：紅外熱成像 紅外熱像儀紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確的攝取反映被測物體溫

10、差信息的熱圖像。的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外輻射傳感器 第12頁/共61頁熱像技術(shù)應(yīng)用熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。防爆型紅外熱像儀防爆型紅外熱像儀 用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。 礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀 用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支

11、架實(shí)時(shí)測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。狀態(tài)等。 第13頁/共61頁紅外圖像舉例紅外圖像舉例 第14頁/共61頁（a）示出了某一場景的可見光圖像，圖像背景是山和煙霧，從中可以清晰地看出一部卡車。（b）示出該場景的紅外圖像，紅外圖像能夠穿透煙霧拍攝，從圖中可以看出卡車和直升飛機(jī)的部分成像。（c）為融合圖像。（a）（b）（c）第15頁/共61頁貯存罐液位檢測貯存罐液位檢測內(nèi)部屋頂檢查 微觀電路檢測微觀電路檢測 塑料擠壓過程塑料擠壓過程

12、溫度檢測溫度檢測 第16頁/共61頁總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測 耐火材料設(shè)備檢測耐火材料設(shè)備檢測 電腦主板發(fā)熱量分布電腦主板發(fā)熱量分布 瀝青鋪路溫度分布瀝青鋪路溫度分布 第17頁/共61頁 發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為聲波介質(zhì)中的傳播稱為聲波，屬于，屬于一種一種機(jī)械波。機(jī)械波。人耳可以聽到的聲波頻率范圍是人耳可以聽到的聲波頻率范圍是1620kHz，超過超過20kHz的聲波稱為超聲波，如圖所示。的聲波稱為超聲波，如圖所示。 超聲波傳感器 第18頁/共61頁 聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置。傳統(tǒng)的聲敏傳感器包括電阻變換型、

13、壓電式、電容式等，下面介紹超聲波傳感器和聲表面波（SAW）傳感器。3）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。它只能在固體的表面?zhèn)鞑ァ?）縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。2）橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。只能在固體中傳播。第19頁/共61頁 以以非接觸方式非接觸方式工作，特別適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域工作，特別適用于防爆、放射性、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用，也更容易安裝和維護(hù)。應(yīng)用，也更容易安裝和維護(hù)。u 頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象?。籾 方向性好、能夠成為射線而定向傳播；u 對(duì)液體、固

14、體的穿透本領(lǐng)很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。u 碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射式回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)；u 傳播速度取決于媒質(zhì)，與超聲波頻率無關(guān)。超聲波的特點(diǎn) 第20頁/共61頁 利用壓電材料制成，逆壓電效應(yīng)將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，作為接收探頭。 壓電式換能器壓電式換能器是利用是利用電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)制成的。通制成的。通過在壓電材料上施加交變過在壓電材料上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常用振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。常用的壓電材料為石英晶體和的壓電材料為石英晶體和壓

15、電陶瓷等。壓電陶瓷等。 壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu)壓電式超聲波探頭結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu) 第21頁/共61頁超聲探頭的核心是壓電晶片。超聲探頭的核心是壓電晶片。第22頁/共61頁 晶片的材料、大?。ㄈ缰睆胶秃穸龋└鞑幌嗤?，因此每個(gè)晶片的材料、大?。ㄈ缰睆胶秃穸龋└鞑幌嗤?，因此每個(gè)探頭的性能是不同的：探頭的性能是不同的： （1）工作頻率：工作頻率：壓電晶片的共振頻率。當(dāng)交流電壓的頻率和壓電晶片的共振頻率。當(dāng)交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度：工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是由于壓電材

16、料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時(shí)，需要單獨(dú)的間地工作而不失效。當(dāng)超聲探頭的溫度比較高時(shí)，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。制冷設(shè)備。 （3）靈敏度：靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。靈敏度高；反之，靈敏度低。 超聲波傳感器的性能指標(biāo) 第23頁/共61頁第24頁/共61頁超聲波傳感器的應(yīng)用 n醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀醫(yī)療器械、美容儀、按摩儀第25頁/共61頁2tvh超聲波測物位超聲波測物

17、位 ：通過測量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測通過測量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測距離。距離。包括液位測量、固體料位測量、固液分界面測量以包括液位測量、固體料位測量、固液分界面測量以及液液分界面測量和液體有無測量等。及液液分界面測量和液體有無測量等。 第26頁/共61頁12221222222LLttcvcvLvLvctttvtcvcL 超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器 超聲波傳感器的應(yīng)用 第27頁/共61頁sincos1vcDtsincos2vcDt212222tansinDvtttcv 22tanDvtc 22tancvtD超聲波傳感器的應(yīng)用 第28頁/共61頁常用常用超聲波流量傳感器超聲波流量

18、傳感器分類：分類：時(shí)差法時(shí)差法和和多普勒效應(yīng)法多普勒效應(yīng)法；固定式固定式和和便攜式便攜式；條件條件傳播時(shí)間差法傳播時(shí)間差法多普勒法多普勒法適用液體適用液體水類水類(江河水，海水農(nóng)業(yè)用江河水，海水農(nóng)業(yè)用水等水等),油類（純凈燃油，潤油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學(xué)滑油，食用油等），化學(xué)試劑，藥液等試劑，藥液等含雜質(zhì)多的水含雜質(zhì)多的水(下水，污水，下水，污水，農(nóng)業(yè)用水等農(nóng)業(yè)用水等)，漿類，漿類(泥漿，泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等礦漿，紙漿化工料漿等)，油類油類(非凈燃油，重油，原非凈燃油，重油，原油等油等)重復(fù)性誤差重復(fù)性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度傳輸電纜長度100-300m,在

19、能保證信號(hào)質(zhì)在能保證信號(hào)質(zhì)量的前提下量的前提下,可以小于可以小于100m30m價(jià)格價(jià)格較高較高一般較低一般較低第29頁/共61頁超聲波測厚儀超聲波測厚儀 超聲波探傷儀超聲波探傷儀 超聲波探傷超聲波探傷 第30頁/共61頁超聲波測厚超聲波測厚 常用常用脈沖回波法脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖波傳到被測工件的另一面制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，脈沖波傳到被測工件的另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為是已知的，設(shè)工件厚度為

20、d，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔為為t，則工件的厚度為：，則工件的厚度為：dvt/2超聲波傳感器的應(yīng)用 第31頁/共61頁超聲波無損探傷 超聲波探傷分為超聲波探傷分為穿透法探傷穿透法探傷和和反射法探傷反射法探傷。 穿透法穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，適合探測來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，適合探測薄板；探測靈敏度較低，不能精確定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)薄板；探測靈敏度較低，不能精確定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)距離和位置要求較嚴(yán)格。距離和位置要求較嚴(yán)格。 超聲波傳感器的應(yīng)用

21、 第32頁/共61頁 反射法反射法是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法，具體又分為的方法，具體又分為一次脈沖一次脈沖反射法和反射法和多次脈沖多次脈沖反射法。一反射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。多次脈次脈沖反射法是以一次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。沖反射法是以多次底波為依據(jù)進(jìn)行探傷的方法。 超聲波傳感器的應(yīng)用 第33頁/共61頁測量的信息：測量的信息：1.計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 2.車流向車流向 3.車型分類車型分類 4.車速車速 測量裝置測量裝置通信模塊快車道慢車道第34頁/共61頁1、

22、超聲波測距范圍：角度范圍：15， 距離：35cm- 300cm2、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率：98%以上3、車流向：90%左右第35頁/共61頁第36頁/共61頁1、主控板： 控制超聲傳感器 運(yùn)行識(shí)別算法 提供紅外接口 接收GPS模塊的信息 顯示測量結(jié)果2、超聲波模塊 發(fā)射接收超聲波3、GPS模塊 提供系統(tǒng)自身的速度信息4、紅外通信模塊 進(jìn)行通信第37頁/共61頁違法車速（km/h）測試?yán)锍蹋╧m）系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)目測違法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率試驗(yàn)路段6016 65 6498%草灘涇陽701436 4090%涇陽三原702858 5798%三原銅川801004244 3884%銅川涇陽第38頁/共61頁 聲表面波聲表面波簡稱

23、簡稱SAW（Surface Acoustic Wave），是英國物理），是英國物理學(xué)家瑞利（學(xué)家瑞利（Rayleigh）于）于19世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)世紀(jì)末期在研究地震波的過程中發(fā)現(xiàn)的一種的一種集中在地表面?zhèn)鞑サ穆暡性诘乇砻鎮(zhèn)鞑サ穆暡?。任何固體表面都存在這種現(xiàn)象。任何固體表面都存在這種現(xiàn)象。某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場、電壓等）對(duì)某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場、電壓等）對(duì)SAW的傳播參數(shù)會(huì)造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可的傳播參數(shù)會(huì)造成影響，根據(jù)這些影響與外界因素之間的關(guān)系可以研制出測量各種物理、化學(xué)參數(shù)的以研制出測量各種物理、化學(xué)參數(shù)的SAW

24、傳感器。傳感器。SAW瑞利波瑞利波 SAW是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。瑞利波質(zhì)點(diǎn)是一種沿彈性體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。瑞利波質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一種的運(yùn)動(dòng)是一種橢圓偏振橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行。在各向同性固體中，它是由平行于傳播方向的縱振動(dòng)和垂直于表面及傳播方向的橫振動(dòng)合于傳播方向的縱振動(dòng)和垂直于表面及傳播方向的橫振動(dòng)合成的，兩者的相位差為成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個(gè)度。瑞利波的能量只集中在一個(gè)波長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。波長深的表面層內(nèi)，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAW傳感器 第39頁/共61頁 SAW換能器換能器 換能器（換能器（ID

25、T）是用）是用蒸發(fā)或?yàn)R射蒸發(fā)或?yàn)R射等方法在等方法在壓電基壓電基片片表面淀積一層表面淀積一層金屬膜金屬膜，再用光刻方法形成的，再用光刻方法形成的叉指狀叉指狀薄膜薄膜，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。（，它是產(chǎn)生和接收聲表面波的裝置。（1965年）年） SAW傳感器 敏感基片采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當(dāng)敏感基片受到物理、化學(xué)或機(jī)械量擾動(dòng)作用時(shí)，其振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化。第40頁/共61頁SAW傳感器 第41頁/共61頁SAW諧振器結(jié)構(gòu)是將一諧振器結(jié)構(gòu)是將一個(gè)或兩個(gè)個(gè)或兩個(gè)叉指換能器（叉指換能器（IDT）置于一對(duì)反射柵陣列組成的置于一對(duì)反射柵陣列組成的腔體中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)腔體

26、中構(gòu)成的。諧振器結(jié)構(gòu)采用一個(gè)采用一個(gè)IDT時(shí)稱為時(shí)稱為單端對(duì)單端對(duì)諧振器，采用兩個(gè)諧振器，采用兩個(gè)IDT時(shí)稱時(shí)稱為為雙端對(duì)雙端對(duì)諧振器。反射柵陣諧振器。反射柵陣列能夠?qū)⒁欢l率的入射波列能夠?qū)⒁欢l率的入射波能量限制在由柵條組成的諧能量限制在由柵條組成的諧振腔內(nèi)。振腔內(nèi)。SAW傳感器的核心是傳感器的核心是SAW振蕩器振蕩器，有，有諧振器型（諧振器型（R型）型）和和延遲線型（延遲線型（DL型）型）兩種。兩種。SAW傳感器 第42頁/共61頁諧振器型諧振器型SAW振蕩器由振蕩器由SAW諧振器諧振器和和放大電路放大電路組成。組成。單端對(duì)諧振器的單端對(duì)諧振器的IDT既是發(fā)射端，也是接收端；雙端對(duì)諧振既

27、是發(fā)射端，也是接收端；雙端對(duì)諧振器中一個(gè)器中一個(gè)IDT作為發(fā)射端，另一個(gè)作為發(fā)射端，另一個(gè)IDT作為接收端。將作為接收端。將SAW諧振器的輸出信號(hào)經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器諧振器的輸出信號(hào)經(jīng)放大后，正反饋到輸入端，只要放大器的增益能夠補(bǔ)償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時(shí)又滿足一定的的增益能夠補(bǔ)償諧振器及其導(dǎo)線的損耗，同時(shí)又滿足一定的相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態(tài)。相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器 第43頁/共61頁延遲線型延遲線型SAW振蕩器振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成。由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器輸入換能器T1激發(fā)出聲表面波，傳播到

28、換能器激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器T2轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后反饋到經(jīng)放大后反饋到T1以保持振蕩狀態(tài)。以保持振蕩狀態(tài)。 SAW傳感器 第44頁/共61頁（1）高精度，高靈敏度高精度，高靈敏度。SAW傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電信傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)頻率進(jìn)行測量，而頻率的測量精度很高，有效檢測范圍線性號(hào)頻率進(jìn)行測量，而頻率的測量精度很高，有效檢測范圍線性好；對(duì)惡劣環(huán)境的抗干擾能力很強(qiáng)，適于遠(yuǎn)距離傳輸好；對(duì)惡劣環(huán)境的抗干擾能力很強(qiáng)，適于遠(yuǎn)距離傳輸。 (GHz量級(jí)量級(jí))（2）數(shù)字化數(shù)字化。SAW傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號(hào)傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理，易

29、于與計(jì)算機(jī)接口，組成自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理系進(jìn)行傳輸、處理，易于與計(jì)算機(jī)接口，組成自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。統(tǒng)。（3）易批量生產(chǎn)易批量生產(chǎn)。SAW傳感器的制作與集成電路技術(shù)兼容，傳感器的制作與集成電路技術(shù)兼容，極易集成化、智能化，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，重復(fù)性與可靠性極易集成化、智能化，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定，重復(fù)性與可靠性好，適于批量生產(chǎn)。好，適于批量生產(chǎn)。（4）體積小、質(zhì)量輕、功耗低體積小、質(zhì)量輕、功耗低，可獲得良好的熱性能和機(jī)械，可獲得良好的熱性能和機(jī)械性能。性能。SAW傳感器的特點(diǎn) 第45頁/共61頁n壓力監(jiān)測系統(tǒng)（壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Pressure Monitoring System）n溫度控制系統(tǒng)（溫度控制

30、系統(tǒng)（Temperature Control System）n溫度壓力檢測儀（溫度壓力檢測儀（Temperatureand Pressure Test Apparatus）n數(shù)據(jù)采集軟件（數(shù)據(jù)采集軟件（Data Acquisition Software）第46頁/共61頁1. SAW壓力傳感器 SAW力學(xué)量傳感器包括壓力傳感器和加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時(shí)，諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸、壓電材料的密度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化，從而導(dǎo)致SAW的波長、頻率和傳播速度等發(fā)生變化。通過測量SAW傳感器的頻率變化可以得知壓力的大小。如輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）SAW傳感器的應(yīng)用 第47頁/共

31、61頁 2. SAW氣體傳感器氣體傳感器 SAW氣體傳感器是在氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和傳播路徑上和IDT區(qū)域淀積區(qū)域淀積一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測氣體后，引起一層化學(xué)界面膜，當(dāng)界面膜吸附被測氣體后，引起SAW傳傳播頻率變化，可以通過測量播頻率變化，可以通過測量SAW頻率的變化測量氣體濃度。頻率的變化測量氣體濃度。已經(jīng)開發(fā)出來的已經(jīng)開發(fā)出來的SAW氣體傳感器有氣體傳感器有SO2、水蒸氣、丙酮、水蒸氣、丙酮、甲醇、氫氣、甲醇、氫氣、H2S、NO2等傳感器。等傳感器。 SAW傳感器的應(yīng)用 化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器以對(duì)以對(duì) 化學(xué)毒劑進(jìn)行檢測?；瘜W(xué)毒劑進(jìn)行檢測。Sarin（沙林）、（沙

32、林）、Soman（梭曼）、（梭曼）、VX、Mustard（芥子氣）、（芥子氣）、Nitrogen Mustard（氮芥）、（氮芥）、Hydrogen Cyanide（氰化氫）、（氰化氫）、Cyanogen Chloride (氯化氰氯化氰)、Lewisite（劉易（劉易士毒氣）、有機(jī)磷、有機(jī)硫等士毒氣）、有機(jī)磷、有機(jī)硫等 第48頁/共61頁4. 溫度傳感器溫度傳感器 當(dāng)溫度變化時(shí)，當(dāng)溫度變化時(shí)，SAW振蕩器的振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化，從而振蕩器的振蕩頻率會(huì)發(fā)生變化，從而可以制成可以制成SAW溫度傳感器。溫度傳感器。SAW溫度傳感器具有長期穩(wěn)定性，溫度傳感器具有長期穩(wěn)定性，靈敏度很高。靈敏度很高。SA

33、W溫度傳感器可以用于氣象測溫、糧倉測溫、溫度傳感器可以用于氣象測溫、糧倉測溫、火災(zāi)報(bào)警等?；馂?zāi)報(bào)警等。SAW傳感器的應(yīng)用 3. SAW濕度傳感器第49頁/共61頁例：無源無線開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)例：無源無線開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng) SAW傳感器的應(yīng)用 采用采用SAW傳感技術(shù)和無線通訊技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸和高壓隔離，利用其固有的傳感技術(shù)和無線通訊技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸和高壓隔離，利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，從根本上解決了高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫度不易監(jiān)測絕緣性和抗電磁場干擾性能，從根本上解決了高壓開關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)運(yùn)行溫度不易監(jiān)測的難題。具有極高的可靠性和安全性，安裝維護(hù)簡便，是目前比較完善的開關(guān)柜溫的難題。具

34、有極高的可靠性和安全性，安裝維護(hù)簡便，是目前比較完善的開關(guān)柜溫度監(jiān)測解決方案。度監(jiān)測解決方案。常規(guī)測溫常規(guī)測溫光纖測溫光纖測溫紅外測溫紅外測溫SAW測溫測溫?zé)犭娕?、熱電阻、半?dǎo)體溫度傳感器等測溫方式，需要金屬導(dǎo)線傳輸信號(hào)，絕緣性能不能保證易折、易斷、不耐高溫，積累灰塵后易使絕緣性降低，且在柜內(nèi)布線難度較大，造價(jià)高非接觸式測溫，易受環(huán)境干擾，對(duì)被測物體的距離和測量角度都有比較嚴(yán)格的要求，安裝要求高無需電池?zé)o電氣聯(lián)系體積小，安裝方便靈活環(huán)境適應(yīng)性好軟件校正一次減少設(shè)備維修次數(shù)，性價(jià)比高第50頁/共61頁SAW傳感器的應(yīng)用 第51頁/共61頁測溫原理：u 閱讀器通過天線發(fā)送射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)將作為

35、傳感器的激勵(lì)信號(hào)。u 傳感器天線接收該射頻信號(hào)后，通過叉指換能器（IDT）在諧振腔內(nèi)激發(fā)出聲表面波，其頻率等于傳感器的中心頻率。聲表面波沿基片傳播，被左右兩個(gè)周期性反射柵反射形成諧振。反射回來的聲表面波經(jīng)過壓電效應(yīng)又轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，該電信號(hào)攜帶了被測的溫度信息，通常也稱為傳感信號(hào)，該信號(hào)通過傳感器的天線端輻射出去。u 返回的無線射頻信號(hào)被閱讀器天線接收，通過測量無線射頻信號(hào)的頻率變化即可得到溫度值。SAW傳感器的應(yīng)用 第52頁/共61頁技術(shù)特點(diǎn)：u 無線方式實(shí)現(xiàn)高壓隔離，安全性極高。u SAW 溫度傳感器體積小且與閱讀器之間數(shù)據(jù)無線傳輸，安裝方便靈活不受開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和空間影響。u SAW 溫度傳

36、感器于無源方式工作，不使用電池，安裝成功后基本無需維護(hù)。u 無源的工作方式不受能量限制，可以較高的頻率進(jìn)行溫度信息的采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高。u SAW 溫度傳感器能工作在強(qiáng)磁、強(qiáng)電、粉塵等各種惡劣的運(yùn)用場合。第53頁/共61頁SAW傳感器的應(yīng)用 第54頁/共61頁熱像技術(shù)應(yīng)用熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。防爆型紅外熱像儀防爆型紅外熱像儀 用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。 礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀 用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。狀態(tài)等。 第55頁/共61頁 發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為聲波介質(zhì)中的傳播稱為聲波，屬于，屬于一種一種機(jī)械波。機(jī)械波。人耳可以聽到的聲波頻率范圍是人耳可以聽到