自動(dòng)檢測技術(shù)第11章--其它傳感器課件

1、第十一章 其他傳感器 第一節(jié) 超聲波傳感器 第二節(jié) 紅外傳感器第三節(jié) 激光傳感器第四節(jié) 新型傳感器概述第五節(jié) 新型傳感器應(yīng)用實(shí)例第一節(jié) 超聲波傳感器 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波，根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。人耳能聽到的聲波頻率范圍是2020000Hz。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲檢測中常用的工作頻率在0.25 20MHz范圍內(nèi)。 超聲波的波型主要可分為縱波、橫波和表面波三種。橫波和表面波只能在固體中傳播，而縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。因此常用的超聲波為縱波。一、超聲波的物理基礎(chǔ)1.超聲波的物理性質(zhì)2. 超聲波的傳播性質(zhì)超

2、聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。當(dāng)超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖11-1所示。超聲波的衰減示意圖 為吸收系數(shù)；為介質(zhì)的厚度 二、超聲波傳感器 由發(fā)送傳感器和接收傳感器兩部分組成，在超聲波檢測中成對(duì)使用。 1. 發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器由發(fā)送電源與換能器組成，發(fā)送電源是提供高頻電流或電壓的電源；換能器作用是將電磁振蕩能量變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。換能器一般有壓電式和磁致伸縮式兩種。 （1）壓電式超聲波發(fā)生器 -利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)

3、象制成超聲頻電信號(hào)換能器壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度有關(guān) n為諧波級(jí)數(shù)，取1，2，3，；c為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與材料密度有關(guān)。 (2)磁致伸縮超聲波發(fā)生器 -利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成 磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬Hz以內(nèi)，但聲強(qiáng)可達(dá)幾千W/cm2。它與壓電式的發(fā)送器比較所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低，而強(qiáng)度則大許多。鎳、鐵鈷釩合金等 2、接收傳感器 接收傳感器由換能器與放大電路組成。超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆變效應(yīng)進(jìn)行工作的。換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出。同樣，接收傳感器有壓電式和磁致伸縮式兩種。 （1

4、）壓電式超聲波接收器 當(dāng)超聲波作用到電晶體片上時(shí)，使晶片伸縮，則在晶片的兩個(gè)界面上產(chǎn)生交變電荷，這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。而實(shí)際使用中，發(fā)送傳感器的壓電陶瓷的也可以用做接收器傳感器的壓電陶瓷。 （2）磁致伸縮超聲波接收器 當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時(shí)，使磁致材料伸縮引起內(nèi)部磁場變化，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(dòng)勢，再將此感應(yīng)電動(dòng)勢送到測量電路及記錄顯示設(shè)備。 三、超聲波在自動(dòng)檢測中的應(yīng)用 1.超聲波探傷 主要用于檢測板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測量材料的厚度。 （1）穿透法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，在缺陷處能量被反射

5、，到達(dá)接收探頭的能量損失了一部分。 （2）反射法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部無缺陷時(shí)，超聲波傳到工件底面再反射回來； 當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，超聲波傳到缺陷就反射回來；不同缺陷會(huì)造成不同的接收波幅度和周期。 2.超聲波測厚度 厚度計(jì)算: 只要測量出超聲波脈沖通過工件的時(shí)間t,經(jīng)過信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度。 3.超聲波測液位 只要測量出發(fā)射波和接收波之間的時(shí)間間隔，就可以測出探頭到液面的距離。 超聲波測量液位是利用回聲原理進(jìn)行的，在液位上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器。第二節(jié) 紅外傳感器 紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測的一種傳感器。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)

6、域。紅外測量技術(shù)是發(fā)展檢測技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學(xué)的重要手段。 在電磁波的波譜圖中，可以知道紅外線的頻率（波長）范圍： 一、紅外輻射的產(chǎn)生與性質(zhì) 自然界中任何物體，只要其本身溫度高于絕對(duì)零度(-273.16)，就會(huì)不斷地輻射紅外線。也就是說，在常溫下所有物體均是紅外輻射源，而且物體溫度愈高，輻射功率就愈大。 紅外線具有反射、折射、散射、干涉、吸收等多種性質(zhì)。 紅外線在介質(zhì)中傳播時(shí)，通過介質(zhì)后的通量I具有衰減特性： 剛射到介質(zhì)時(shí)的通量介質(zhì)厚度介質(zhì)常數(shù)（如金屬具有特別大的衰減） 二、紅外傳感器 又稱為紅外探測器。 按工作原理，紅外探測器可分為熱電紅外傳感器和光電紅外傳感器兩類。 熱電紅外傳感器是利

7、用紅外輻射的熱效應(yīng)原理工作的。 熱電探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。 光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)原理工作的。光電紅外傳感器有內(nèi)光電和外光電紅外傳感器兩種，前者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電紅外傳感器等三種。光電紅外傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。 光電紅外傳感器是由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等組成。 1. 透射式紅外探測器 2. 反射式紅外探測器按光學(xué)系統(tǒng)分類其光學(xué)系統(tǒng)的元件采用紅外光學(xué)材料，并且根據(jù)所探測的紅外波長來選擇光學(xué)材料。在近紅外區(qū)，可用一般的光學(xué)玻璃和石英等材料；在中紅

8、外區(qū)，可用氟化鎂、氧化鎂等材料;在遠(yuǎn)紅外區(qū)，可用鍺、硅等材料。 （1）透射式紅外傳感器 反射式紅外傳感器是采用凹面玻璃反射鏡，將紅外輻射聚焦到敏感元件上。 反射式的光學(xué)系統(tǒng)元件表面鍍金、鋁或鎳鉻等對(duì)紅外波段反射率較高的材料，但在制造工藝方面較復(fù)雜。 透射式光學(xué)系統(tǒng)獲得透射紅外波段的玻璃比較困難，加工制造難度小。 （2）反射式紅外傳感器次反射鏡 主反射鏡 敏感元件 前置放大器 前置放大器 敏感元件 主反射鏡 次反射鏡 三、紅外傳感器的應(yīng)用1. 紅外測溫儀 (機(jī)械冶金 陶瓷玻璃等高溫行業(yè)) 它是一個(gè)包括光、機(jī)、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 紅外氣體分析儀是

9、根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。 2.紅外氣體分析儀 工作時(shí)，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后，濾掉干擾氣體的影響，分別射入測量氣室和標(biāo)準(zhǔn)氣室，由于測量氣室中對(duì)4.65m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收能力，而標(biāo)準(zhǔn)氣室中氣體不吸收紅外輻射，從而使兩吸收室壓力不同，于是電容器的可動(dòng)電極（薄膜）偏向固定電極片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。 鎳鉻加熱絲 紅外光源 同步電機(jī) 切光片 濾波氣室 標(biāo)準(zhǔn)氣室 測量氣室 信號(hào)處理電路與指示裝置 3. 紅外無損探傷 紅外無損探測分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。某包裝袋封口質(zhì)量的紅外檢測示意圖

10、 工作時(shí)，傳送帶勻速把包裝袋的封口送往熱源和紅外傳感器之間，熱源對(duì)封口均勻加熱并使其封合，如果塑料袋封口中夾雜氣泡、小顆粒、油膩、空隙起皺等缺陷時(shí)，都會(huì)妨礙熱能的流動(dòng)而引起溫度分布的異?，F(xiàn)象。通過溫度分布的測量就可判斷出缺陷的位置。第三節(jié) 激光傳感器 激光傳感器可將輸入它的一定形式的能量（光能，熱能等），轉(zhuǎn)換成一定波長的光的形式發(fā)射出來。 已成功應(yīng)用于精密測量與加工、軍事、宇航等生產(chǎn)科研領(lǐng)域。 一、激光的本質(zhì) 原子在正常分布狀態(tài)下，大部分處于低能級(jí)E1狀態(tài)，得到外界能量后，原子被短期激發(fā)，躍遷到高能級(jí)E2狀態(tài)。 極短時(shí)間之后，原子躍遷返回低能級(jí)，同時(shí)輻射出光子。具有偶然性。 自發(fā)輻射 受激輻射

11、 在外界因素的誘發(fā)下，處在激發(fā)態(tài)的原子也可以躍遷到低能級(jí)而發(fā)光，這種發(fā)光過程稱為受激輻射，但是，并非任何外來光子都能引起受激輻射。只有當(dāng)外來光子的頻率大于或等于激發(fā)態(tài)原子的某一固有頻率，才能引起受激輻射。 輻射光子的能量 在受激輻射過程中，輻射光子與最初引起受激輻射的外來光子有完全相同的頻率、相位和振動(dòng)方向 受激輻射，可以使所激發(fā)出光子的頻率、相位方向均與入射光一致，也可以說是一個(gè)光子被放大為兩個(gè)光子，如圖所示，這種光稱為相干光。如果這些光子再引起其它原子發(fā)生受激輻射，那么這些原子所引起的輻射光子在頻率、相位和振動(dòng)方向上也與外來光子完全相同，從而產(chǎn)生激光。 由于光子被激發(fā)放大或被吸收是一個(gè)動(dòng)態(tài)

12、過程，光子在媒介中傳播的過程中，也可能被原子吸收而逐漸減少，被稱為光的吸收。光的放大光的吸收 光的放大和吸收是同時(shí)進(jìn)行的，至于最終光是放大還是減小，取決于哪一種運(yùn)動(dòng)更激烈。二、激光的形成原理1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 要想獲得光的放大，必須使得光的放大運(yùn)動(dòng)更激烈。物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)與能量分布方程為：絕對(duì)溫度波爾茲曼常數(shù) 對(duì)于T0的任何值，只要E2E1,就有N1N2，即處于高能級(jí)上的粒子數(shù)大于處于低能級(jí)的粒子數(shù)。此時(shí)光的放大是主要的。介質(zhì)才能以發(fā)射光子為主。被稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這是形成激光的第一個(gè)條件。 E1能級(jí)的粒子數(shù)N1，E2能級(jí)的粒子數(shù)N2正常狀態(tài) 激發(fā)狀態(tài) 低能級(jí)E1 高能級(jí)E2 高能級(jí)E2 低能級(jí)E

13、1 2. 光的振蕩放大 由外界激發(fā)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而形成的光的放大，這些光子是射向各個(gè)方向的，受激輻射將無法持續(xù)下去。必須在一個(gè)光學(xué)共振腔中才能實(shí)現(xiàn)光振蕩放大。 光學(xué)共振腔（謝振腔）由各種形狀的曲面反射鏡組成，鏡面具有極高的反射率，工作物質(zhì)被封裝在共振腔中。 光子在兩反射鏡間往返運(yùn)動(dòng)，不斷地碰撞處于激發(fā)態(tài)的粒子，使得受激輻射一次又一次的加強(qiáng)。激光是受激輻射和諧振腔共同作用的結(jié)果，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布則是形成激光的必要前提條件。 三、激光的特點(diǎn) 1.高方向性 2.高亮度 3.單色性好（頻率高度一致） 4.高相干性（能產(chǎn)生穩(wěn)定干涉條紋） 四、激光傳感器 1.氣體激光器 一般原理惰性氣體原子、金屬蒸氣

14、、氣體離子等氦氖激光器氦氖內(nèi)腔式 外腔式 2.液體激光器 它的工作物質(zhì)是液體?？煞譃橛袡C(jī)液體染料激光器、無機(jī)液體染料和聚合物激光器等。較為重要的是有機(jī)液體染料激光器。 其特點(diǎn)是它發(fā)出的激光波長可在一定的波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)。可連續(xù)工作而不降低效率。3.固體激光器 它的工作物質(zhì)是固體。常用的固體激光器有紅寶石激光器、摻銣的釔鋁石榴石激光器（簡稱YAG激光器）和銣玻璃激光器等。 工作方式：在共振腔內(nèi)壁鍍上高反射率的金屬薄層，使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上。 各種聚光腔固體激光器的一般結(jié)構(gòu)示意圖 4.半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是在固體和氣體激光器之后發(fā)展起來的一種激光器。它的工作物質(zhì)是某些性能適合的

15、半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、磷化銦等。砷化鎵激光器可以做成二極管形式，在PN結(jié)中注入能量，可以造成電子與空穴重新復(fù)合，能量以光子形式釋放，形成激光。 半導(dǎo)體激光器的主要特點(diǎn)重量非常輕，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率很高，輸出功率比較小，受環(huán)境溫度影響比較大等。主要用于飛機(jī)、軍艦、坦克、火炮上瞄準(zhǔn)、測距等方面。 砷化鎵激光器五、激光的應(yīng)用1.激光測量長度（邁克爾遜干涉儀）當(dāng)可動(dòng)反射鏡沿光軸方向每移動(dòng)半個(gè)光波波長時(shí)，干涉條紋亮暗變化一次，經(jīng)光電倍增管放大后，計(jì)數(shù)得到干涉條紋數(shù)。N-干涉條紋數(shù)n為空氣折射率 真空中光波波長 可動(dòng)反射鏡的移動(dòng)位移 :2.激光測距 激光測距的原理：首先測量激光射向目標(biāo)，而后又經(jīng)目標(biāo)反射到

16、激光器，測出激光往返一次所需的時(shí)間間隔，則探測器到目標(biāo)距離為：3.激光測速激光測速是利用光的多普勒效應(yīng)。 當(dāng)運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于激光光源S有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度而引起光波頻率偏移，此時(shí)，多普勒頻移運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度 光源光波波長 只要能測得多普勒頻移fd，則可求得物體運(yùn)動(dòng)速度v。 測量流速所用的儀器稱為激光多普勒流速計(jì)，它可以測量火箭燃料的流速，飛行器噴射氣流的速度，風(fēng)洞氣流速度以及化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。激光器 聚焦透鏡 流體中的運(yùn)動(dòng)粒子 管道 接收透鏡 平面鏡 分光鏡 光電倍增管 第四節(jié) 新型傳感器概述 隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)的進(jìn)步，傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中

17、發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)在精度、靈敏性、集成度、可靠性等方面已經(jīng)逐漸不能滿足要求。人們對(duì)傳感器提出了越來越高的要求，這也成為傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。在這種背景下，近年來人們對(duì)傳感器新原理、新材料和新技術(shù)的研究更加深入廣泛，傳感器新品種、新結(jié)構(gòu)、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。新型傳感器的特征以及發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一、微型化傳感器 隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器的生產(chǎn)制造引入了許多新工藝并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，這為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。 在傳感器微型化方面值得一提的是近年來微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical

18、Systems 縮寫為 MEMS）的發(fā)展。MEMS是指可批量制作的，集微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信等于一體的微型系統(tǒng)。 二、智能化傳感器 智能化傳感器是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統(tǒng)。智能化傳感器集成了傳感器與微處理器（或微控制器）的功能，可全部或部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、雙向通訊，以及內(nèi)部自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷等功能，它的應(yīng)用使傳感器技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。 三、多功能集成傳感器 多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這里的集成有兩種定義。一種是同類型多個(gè)傳感器的集成

19、，即用集成工藝將多個(gè)同一功能的傳感元件排列在同一平面上，組成線性傳感器（如CCD圖像傳感器）。另一種是多功能傳感器的集成，即將幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成多功能一體化傳感器。而后者正是當(dāng)前傳感器集成化發(fā)展的主要方向。四、傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將所感知信息傳送到用戶終端。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重

20、要的科研價(jià)值和巨大實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了世界許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是將對(duì)二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。第五節(jié) 新型傳感器應(yīng)用實(shí)例一、功能要求1）設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的實(shí)時(shí)溫度檢測系統(tǒng)。單片機(jī)為AT89C2051，溫度傳感器為智能化集成溫度傳感器DS18B20。溫度測量范圍為-55+125，分辨率為0.0625。2）使用五位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示溫度值，溫度精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。3）設(shè)計(jì)單片機(jī)和DS18B20的接口電路及相應(yīng)軟件。二、系統(tǒng)硬件 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)溫度檢測系統(tǒng)硬件由智能化集成溫度傳感器DS18B20、單片機(jī)AT89C2051和顯示元件三部分組成，系統(tǒng)硬件原理圖如圖11-27所示。1、DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 溫度傳感器DS18B20是美國DALAAS公司生產(chǎn)的一種高精度單總線溫度傳感器，屬于智能化集成溫度傳感器。本節(jié)將具體介紹DS18B20工作原理及使用方法。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖11-28所示。主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。 ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，這是生產(chǎn)廠家給每一個(gè)出廠的DS18B20命名的產(chǎn)品序列號(hào)，也可以作為該溫度傳感器的地址序列號(hào)。其作用是使得每一個(gè)出廠的DS18B20地址序列號(hào)都各不相同，從而實(shí)現(xiàn)在一根總線上掛接多個(gè)DS1