其他傳感器技術(shù)

1、第7章 其他傳感器技術(shù),第7章 其他傳感器技術(shù),7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡(jiǎn)介,紅外技術(shù)在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究等方面的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，紅外技術(shù)的應(yīng)用幾乎普遍化，例如軍事上的熱成像系統(tǒng)、搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外警戒系統(tǒng)，天文學(xué)上基于紅外線的天體演化研究，醫(yī)學(xué)上的紅外診斷和輔助治療，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度探測(cè)及紅外烘干等等,7.1 紅外傳感器,7.1 紅外傳感器,7.1.1 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ),紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見(jiàn)光。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.761000m，工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外,除了

2、太陽(yáng)能輻射紅外線外，自然界任何物體只要它本身具有一定溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外光，而且物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多。物體在向周圍發(fā)射紅外輻射能的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能。 由于各種物質(zhì)內(nèi)部的原子分子結(jié)構(gòu)不同，它們所發(fā)射出的輻射頻率也不相同，這些頻率所覆蓋的范圍也即稱為紅外光譜。由實(shí)驗(yàn)可知，物體輻射的電磁波中，其峰值幅射波長(zhǎng)m與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即有,m=2897/T (m) （7-1,7.1.1 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ),圖7-2為不同溫度的光譜輻射分布曲線，圖中虛線表示了峰值輻射波長(zhǎng)m與溫度的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，隨著溫度的升高其峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng),7.

3、1.1 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ),7.1.2 紅外探測(cè)（傳感）器,主動(dòng)式,被動(dòng)式,利用紅外輻射源對(duì)被測(cè)物進(jìn)行輻射，通過(guò)被測(cè)物對(duì)紅外光進(jìn)行吸收、反射和透射后，物體自身或紅外光將發(fā)生變化,被測(cè)物本身就是紅外輻射源，檢測(cè)其紅外輻射能實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，或通過(guò)物體各個(gè)點(diǎn)輻射能大小生成的熱像圖，進(jìn)行無(wú)損探傷等,凡是能把紅外輻射量轉(zhuǎn)變成另一種便于測(cè)量的物理量（如電量等）的器件都可稱為紅外探測(cè)器。 紅外檢測(cè)從原理上可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種,紅外檢測(cè)系統(tǒng),無(wú)論是利用物體的紅外輻射特性還是物體對(duì)紅外的反射、吸收、透射等來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)，構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)中一般包含有紅外源、傳輸紅外的光學(xué)系統(tǒng)和接收紅外的探測(cè)器，以及信號(hào)調(diào)理等組成

4、部分。紅外探測(cè)器是紅外傳感器或紅外檢測(cè)的核心，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,探測(cè)器的基本類型,熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量相關(guān)物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 根據(jù)吸收紅外輻射能后探測(cè)器物理參數(shù)的變化，可以將熱探測(cè)器分為四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，也是目前用得最廣的紅外傳感器,熱探測(cè)器,1,探測(cè)器的基本類型,利用光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。常見(jiàn)的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)

5、、光電磁效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。相應(yīng)的，光探測(cè)器主要包括，利用外光電效應(yīng)而制成的光電子發(fā)射探測(cè)器；利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電導(dǎo)探測(cè)器；利用阻擋層光電效應(yīng)制成的光生伏特探測(cè)器；利用光磁電效應(yīng)制成的光磁探測(cè)器,光探測(cè)器,2,熱探測(cè)器不需要冷卻,熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)都能響應(yīng),熱探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng),熱探測(cè)器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關(guān),熱探測(cè)器的特點(diǎn),探測(cè)器的基本類型,紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,從紅外檢測(cè)原理知，利用紅外的反射、透射、吸收特性可實(shí)現(xiàn)氣體成分分析、厚度測(cè)量、無(wú)損探傷等，利用其輻射特性，可檢測(cè)輻射體的溫度，或建立紅外報(bào)警系統(tǒng),7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.

6、4 傳感新技術(shù)簡(jiǎn)介,第7章 其他傳感器技術(shù),7.2 超聲波傳感器,超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)、在各行各業(yè)都得到使用的通用技術(shù)之一。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門的超聲清洗、超聲焊接、超聲檢測(cè)、超聲探傷和超聲醫(yī)療等方面，并取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,7.2 超聲波傳感器,7.2.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ),振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在162104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，如圖7-3所示。頻率在310831011Hz之間的波，稱為微波,縱波,

7、橫波,表面波,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,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播,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，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?超聲波的波形及其傳播速度,超聲波的波形及其傳播速度,超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。以水為例，當(dāng)蒸餾水溫度在074時(shí)，聲速隨溫度的升高而增加，在74時(shí)達(dá)到最大值，大于74后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)等也會(huì)引起聲速的變化。 在固體中，縱波、橫波及表面波三者的聲速間有一定的關(guān)系：通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波

8、聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速為9001900m/s,波的反射和折射,聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱為聲波的反射和折射。如圖7-4所示,7-2,波型的轉(zhuǎn)換,當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，如圖7-5所示,式中，為入射角，1、 2為縱波與橫波的反射角， 、 為縱波與橫波的折射角； cL、cL1、cL2分別為入射介質(zhì)、反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的縱波速度，cs1、cs2分別為反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度

9、。 如果第二介質(zhì)為液體或氣體，則僅有縱波，而不會(huì)產(chǎn)生橫波和表面波。 （1）縱波全反射：折射波中便只有橫波存在 （2）橫波全反射：介質(zhì)的分界面上只傳播表面波,各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律,7-3,波型的轉(zhuǎn)換,式中，P0、I0分別為聲源處的聲壓和聲強(qiáng)，P、I分別為距聲源處的聲壓和聲強(qiáng)，為衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米,聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源處的聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下,超聲波的衰減,7-4,7-5,超聲波檢測(cè)中，首先要把超聲波發(fā)射出去，然后再把超聲波接收回來(lái)，變換成電信號(hào)，完成這

10、一工作的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。 超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用,7.2.2 超聲波傳感器及應(yīng)用,超聲波探頭,1,超聲波探頭,圖7-6為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成,超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,穿透法探傷,反射法（脈沖回波法）探傷,根據(jù)超聲波穿透工件后，能量的變化狀況來(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)量的方法,根據(jù)聲波在工件中反射的情況不同而探測(cè)工件內(nèi)部的情形,7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡(jiǎn)介,第7章 其他傳感器技術(shù),7.3 光纖傳感器,光纖傳感

11、器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等70多個(gè)物理量的測(cè)量，且具有十分廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景,7.3 光纖傳感器,7.3.1 光纖傳感器基礎(chǔ),如圖7-8所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一層保護(hù)套以增加機(jī)械強(qiáng)度,光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理,設(shè)有一段光纖，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面，如圖7-9所示。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與光纖軸線成i角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后，又以i角入射

12、至纖芯與包層的界面，這時(shí)光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯,當(dāng)入射角 i小于臨界角 c時(shí)，光線就不會(huì)透射出界面，而全部被反射。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ),依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有,光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理,7-6,7-7,若光在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，由 式（7-7）可有,7-8,7-11,光纖的分類,階躍型和梯度型光纖,多模光纖和單模光纖,階躍型光纖：纖芯的折射率分布均勻，不隨半徑而變化； 梯度型光纖：纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致,通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，而纖芯很細(xì)時(shí)，只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，后者

13、稱為單模光纖,7.3.2 光纖傳感器,光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器(Function Fiber Optic Sensor)，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纖傳感器。 前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件；后者是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器,光纖傳感器的分類,光纖傳感器的應(yīng)用,光纖角速度傳感器，又名光纖陀螺，它是一種由單模光纖做光通路的薩格奈克（Sagnac）干涉儀。 該干涉儀由光源、

14、分束板、反射鏡和光纖環(huán)組成。光在A點(diǎn)入射，并被分束板分成等強(qiáng)的兩束。反射光a進(jìn)入光纖環(huán)沿著圓形環(huán)路逆時(shí)針?lè)较騻鞑ァＭ干涔鈈被反射鏡反射回來(lái)后又被分束板反射，進(jìn)入光纖環(huán)沿著圓形環(huán)路順時(shí)針?lè)较騻鞑?。這兩束光繞行一周后，又在分束板處匯合,其中l(wèi)=2R，表示光纖環(huán)的周長(zhǎng)。相位差與干涉條紋的光強(qiáng)之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)用光電檢測(cè)器對(duì)干涉條紋光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)角速率的測(cè)量,兩束光的光程差L與輸入角速度成正比。通過(guò)測(cè)量?jī)墒庵g的相位差即相移即可獲得被測(cè)角速度。兩束光之間的相移為,光纖傳感器的應(yīng)用,7-23,7.1 紅外傳感器 7.2 超聲波傳感器 7.3 光纖傳感器 7.4 傳感新技術(shù)簡(jiǎn)介,

15、第7章 其他傳感器技術(shù),7.4 傳感新技術(shù)簡(jiǎn)介,7.4.1 微波傳感器,微波是介于紅外與無(wú)線電波之間的電磁輻射，具有電磁波的性質(zhì)?；谖⒉ǘl(fā)展起來(lái)的微波傳感器是繼超聲波、激光、紅外等傳感器之后的一種非接觸式傳感器。它不僅用于無(wú)線通訊，而且在雷達(dá)、導(dǎo)彈、遙感等方面也有著重要的應(yīng)用。 微波是波長(zhǎng)為1m1mm的電磁波?？梢约?xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。微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,微波的特點(diǎn),遇到各種障礙物易于反射,可定向輻射微波的裝置容易制造,繞射能力差,傳輸特性好,介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介電常數(shù)成比例,7.4.1 微波傳感器,微波傳感器分類,反射式微波傳感器,遮斷

16、式微波傳感器,反射式微波傳感器是通過(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)間間隔來(lái)檢測(cè)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù),遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線接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)物或被測(cè)物的位置、厚度與含水量等參數(shù),微波傳感器的應(yīng)用,微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行厚度測(cè)量的。 如圖7-11所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小,一般情況，微波傳輸過(guò)程的行程長(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小

17、變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)檢波器C檢波后，輸出為零；若兩臂行程長(zhǎng)度不同，則兩路微波因相位角不同，經(jīng)疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器檢波后便有不平衡信號(hào)輸出,微波傳感器的應(yīng)用,7-24,7.4.2 核輻射傳感器,核輻射傳感器是核輻射檢測(cè)儀表的重要組成部分，它是利用放射性同位素在蛻變成另一元素時(shí)發(fā)出射線這一特性來(lái)進(jìn)行相關(guān)物理量的檢測(cè)。利用核輻射可以精確、迅速地檢測(cè)各種參數(shù)，如線位移、角位移、轉(zhuǎn)速、液位、材料的成分、厚度以及覆蓋層厚度等的檢測(cè)，核輻射檢測(cè)具有非接觸、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，特別在無(wú)損探傷等方面具有重要的應(yīng)用,7.4.3 生物傳感器,生物傳感

18、器是利用各種生物或生物物質(zhì)做成的、用以檢測(cè)與識(shí)別生物體內(nèi)的化學(xué)成分及其變化的傳感器。生物或生物物質(zhì)主要指酶、微生物、抗體等。 生物傳感器由生物敏感膜和變換器構(gòu)成，被測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)（物理、化學(xué)變化），產(chǎn)生物理、化學(xué)現(xiàn)象或產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，利用相應(yīng)的變換器將其轉(zhuǎn)換成量化的、可傳輸和處理的電信號(hào),生物傳感器的分類,按所用生物活性物質(zhì)的不同，可以將生物傳感器分為五大類，即：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和細(xì)胞傳感器。 依據(jù)所用變換器器件的不同，可將生物傳感器分為：生物電極、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和介

19、體生物傳感器,生物活性材料固定化技術(shù),使用生物材料作生物敏感膜，必須研究如何使生物活性材料固定在載體（或稱基質(zhì)）上，這種結(jié)合技術(shù)稱為固定化技術(shù)。在研制傳感器時(shí)，關(guān)鍵是把生物活性材料與載體固定化成為生物敏感膜。 常用的載體有三大類：（1）丙烯酰胺系聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子；（2）膠原、右旋糖酐、纖維素、淀粉等天然高分子；（3）陶瓷、不銹鋼、玻璃等無(wú)機(jī)物,生物活性材料固定化技術(shù),將生物活性材料封閉在雙層濾膜之間，形象地稱為夾心法。 此方法操作簡(jiǎn)單，不需要任何化學(xué)處理，固定生物量大，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好,夾心法,共價(jià)連接法,交聯(lián)法,吸附法,包埋法,生物活性材料固定化技術(shù),用非水溶性固相載體物理吸附或離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)分子固定化的方法。 載體種類較多，如