第10章波式和輻射式傳感器

1、第第1010章章 波式和輻射式傳感器波式和輻射式傳感器n超聲波傳感器超聲波傳感器n微波傳感器微波傳感器n紅外輻射式傳感器紅外輻射式傳感器 本章主要介紹以上傳感器的工作原理及本章主要介紹以上傳感器的工作原理及其在各種參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用。其在各種參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用。 超聲波和聲音一樣，是一種機(jī)械振動(dòng)波，是機(jī)械振超聲波和聲音一樣，是一種機(jī)械振動(dòng)波，是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超聲波檢測(cè)是利用不同介動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過(guò)程。超聲波檢測(cè)是利用不同介質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)探測(cè)物體和進(jìn)行測(cè)量的一門檢質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)探測(cè)物體和進(jìn)行測(cè)量的一門檢測(cè)技術(shù)。測(cè)技術(shù)。 1 1、超聲波及其性質(zhì)、超聲波及其性質(zhì) 1

2、0.1 10.1 超聲波傳感器超聲波傳感器 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播。只能在固體介質(zhì)中傳播。 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?l 超聲波種類超聲波種類 1）超聲波的速度）超

3、聲波的速度 l 超聲波的性質(zhì)超聲波的性質(zhì) 超聲波可在氣體、液體和固體中傳播，并有各自的傳超聲波可在氣體、液體和固體中傳播，并有各自的傳播速度，與介質(zhì)的特性有很大的關(guān)系。播速度，與介質(zhì)的特性有很大的關(guān)系。l 固體固體 c橫橫= 1/2c縱縱 c表表90% c橫橫l 液體、氣體液體、氣體 僅有縱波傳播僅有縱波傳播aBc12）超聲波的反射與折射）超聲波的反射與折射21sinsincc3）超聲波的衰減）超聲波的衰減l 與傳播介質(zhì)有關(guān)與傳播介質(zhì)有關(guān) 氣體液體固體氣體液體固體 對(duì)于不透光的固體，超聲波可穿透幾十米的厚度。對(duì)于不透光的固體，超聲波可穿透幾十米的厚度。l 與聲波頻率有關(guān)與聲波頻率有關(guān) 頻率越高

4、，衰減越大頻率越高，衰減越大 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。的擴(kuò)散、散射和吸收。 利用超聲波物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為利用超聲波物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置稱為超聲波換能器，或超聲波探測(cè)器、超聲波傳感器，有時(shí)超聲波換能器，或超聲波探測(cè)器、超聲波傳感器，有時(shí)也叫超聲波探頭。也叫超聲波探頭。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中壓電式最為常用。式、電磁式等，其中壓電式最為常用。 2 2、超聲波傳感器、超聲波傳感器 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電

5、晶體和壓電壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的用壓電材料的 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 來(lái)工作的：來(lái)工作的： l 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。而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。l 正壓電效應(yīng)：將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接正壓電效應(yīng)：將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。收探頭。 它主要由壓電晶片、吸收塊它主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊阻尼塊)、保護(hù)膜、引、保護(hù)膜、引線等組成。線等組成。1121Ef

6、 n 直探頭式結(jié)構(gòu)直探頭式結(jié)構(gòu) 晶片密度晶片密度11E 晶片的彈性模量晶片的彈性模量n 雙探頭式結(jié)構(gòu)雙探頭式結(jié)構(gòu)1）超聲波測(cè)液位）超聲波測(cè)液位12hct3、超聲波傳感器的應(yīng)用、超聲波傳感器的應(yīng)用l 單換能器l 雙換能器22ash12dvt2）超聲波測(cè)厚度）超聲波測(cè)厚度l 脈沖回波法脈沖回波法3 3）超聲波測(cè)流量超聲波測(cè)流量22cvtL4）超聲波測(cè)距離）超聲波測(cè)距離10.2 10.2 微波傳感器微波傳感器 微波傳感器是一種新型的非接觸式傳感器，在工業(yè)微波傳感器是一種新型的非接觸式傳感器，在工業(yè)中，微波傳感器在材料無(wú)損檢測(cè)及物位檢測(cè)等方面具有中，微波傳感器在材料無(wú)損檢測(cè)及物位檢測(cè)等方面具有獨(dú)到之處

7、。故廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)，能源，國(guó)防，公獨(dú)到之處。故廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)，能源，國(guó)防，公安，生物醫(yī)學(xué)，環(huán)境保護(hù)，衛(wèi)星通信安，生物醫(yī)學(xué)，環(huán)境保護(hù)，衛(wèi)星通信 等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。n微波是波長(zhǎng)為微波是波長(zhǎng)為1mm1m的電磁波，既具有電磁波的性的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又與普通的無(wú)線電波及光波不同，是一種波長(zhǎng)較短、質(zhì)，又與普通的無(wú)線電波及光波不同，是一種波長(zhǎng)較短、頻率很高的電磁波。頻率很高的電磁波。n工作原理：由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)工作原理：由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通

8、過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，線，接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。示出被測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。1、微波傳感器原理、微波傳感器原理 定向輻射的裝置容易制造。定向輻射的裝置容易制造。 遇到各種障礙物易于反射。遇到各種障礙物易于反射。 繞射能力差。繞射能力差。 傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光的影響很小。光的影響很小。 介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電

9、常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。微波的吸收作用最強(qiáng)。 2、微波傳感器的特點(diǎn)、微波傳感器的特點(diǎn)l 組成組成 微波傳感器是由微波振蕩器、微波天線和微波檢測(cè)微波傳感器是由微波振蕩器、微波天線和微波檢測(cè)器三部分組成。器三部分組成。n振蕩器：產(chǎn)生微波，頻率很高（振蕩器：產(chǎn)生微波，頻率很高（300MHZ300GHz)，電容、，電容、電感很小，常由磁控管、固態(tài)器件等構(gòu)成。電感很小，常由磁控管、固態(tài)器件等構(gòu)成。n天線天線 3 3、微波的組成和分類、微波的組成和分類 (1) 反射式傳感器反射式傳感器 這種微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波這種微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔

10、來(lái)獲得被測(cè)量的。一般它可以功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)獲得被測(cè)量的。一般它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。 (2) 遮斷式傳感器遮斷式傳感器 這種微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波這種微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的位置、體或被測(cè)物體的位置、 被測(cè)物中的含水量等參數(shù)。被測(cè)物中的含水量等參數(shù)。l 分類分類 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。反射式和遮斷式兩類。 1 1）微波式物位傳感

11、器）微波式物位傳感器 4、微波傳感器的應(yīng)用、微波傳感器的應(yīng)用2ottr()4PPG GSroPPl 低于設(shè)定物位：低于設(shè)定物位：l 高于設(shè)定物位：高于設(shè)定物位：2ttrr22()44PG GPSd2）微波式液位傳感器）微波式液位傳感器3） 微波式厚度傳感器微波式厚度傳感器hhLLLLLSABAAB)()(l 紅外線是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的紅外線是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。光線，故稱紅外線。l 18001800年，英國(guó)赫胥爾發(fā)現(xiàn)年，英國(guó)赫胥爾發(fā)現(xiàn)l 波長(zhǎng)介于可見光和微波之間波長(zhǎng)介于可見光和微波之間10.3 紅外輻射式傳感器紅外輻射式傳感器

12、 紅外線易于產(chǎn)生，容易接收。紅外線易于產(chǎn)生，容易接收。 采用紅外發(fā)光二極管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化，且成本采用紅外發(fā)光二極管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化，且成本低。低。 紅外線調(diào)制簡(jiǎn)單，依靠調(diào)制信號(hào)編碼可實(shí)現(xiàn)多路控制。紅外線調(diào)制簡(jiǎn)單，依靠調(diào)制信號(hào)編碼可實(shí)現(xiàn)多路控制。 紅外線不能通過(guò)遮擋物，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_等誤動(dòng)作。紅外線不能通過(guò)遮擋物，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_等誤動(dòng)作。 功率消耗小，反應(yīng)速度快。功率消耗小，反應(yīng)速度快。 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人、物無(wú)損害。對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人、物無(wú)損害。 抗干擾能力強(qiáng)?？垢蓴_能力強(qiáng)。l 紅外線特點(diǎn)紅外線特點(diǎn) 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)

13、器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心，它及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心，它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類?？煞譃闊崽綔y(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。 1) 熱探測(cè)器熱探測(cè)器 熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。阻型和氣體型。 l 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器 光子探測(cè)器的工作機(jī)理是利用入射光輻射的

14、光子光子探測(cè)器的工作機(jī)理是利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者應(yīng)。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。 2) 光子探測(cè)器光子探測(cè)器n紅外測(cè)溫是一種紅外測(cè)溫是一種非接觸、在線式非接觸、在線式檢測(cè)技術(shù)，它通檢測(cè)技術(shù)，它通過(guò)紅外傳感器接過(guò)紅外傳感器接收物體發(fā)出的紅收物體發(fā)出的紅外線（紅外輻射外線（

15、紅外輻射能量），從而測(cè)能量），從而測(cè)出物體表面的溫出物體表面的溫度及溫度場(chǎng)的分度及溫度場(chǎng)的分布情況。布情況。 1）紅外測(cè)溫）紅外測(cè)溫l 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用n 紅外線的物理本質(zhì)：是熱輻射，即任何物體只要它紅外線的物理本質(zhì)：是熱輻射，即任何物體只要它的溫度高于絕對(duì)零度（的溫度高于絕對(duì)零度（-273），都會(huì)產(chǎn)生自身分子和），都會(huì)產(chǎn)生自身分子和原子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不停地向周圍空間輻射出熱紅外原子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不停地向周圍空間輻射出熱紅外能量，物體的溫度越高，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻能量，物體的溫度越高，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量愈大；反之，輻射的射出來(lái)的

16、紅外線越多，輻射的能量愈大；反之，輻射的能量愈小。能量愈小。w 紅外檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：紅外檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)： 非接觸測(cè)量，使用方便、安全非接觸測(cè)量，使用方便、安全 響應(yīng)快、精度高、壽命長(zhǎng)響應(yīng)快、精度高、壽命長(zhǎng) 測(cè)溫范圍寬，適用范圍廣測(cè)溫范圍寬，適用范圍廣 確定目標(biāo)尺寸確定目標(biāo)尺寸n紅外測(cè)溫分類紅外測(cè)溫分類n紅外測(cè)溫儀（便攜式、固定式）紅外測(cè)溫儀（便攜式、固定式）n紅外熱像儀紅外熱像儀w 便攜式紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)原理框圖便攜式紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖l 紅外熱釋電探測(cè)器紅外熱釋電探測(cè)器 Thermalert MI 由美國(guó)由美國(guó)Raytek公司生產(chǎn)，高精度紅外測(cè)溫專用探測(cè)公司生產(chǎn)，高精度紅外測(cè)溫專用探測(cè)器，它集成了一個(gè)很小的器，它集成了一個(gè)很小的LiTaO3熱釋電傳感器和一