第10章胡向東傳感器與檢測技術.

1、第10章 輻射與波式傳感器 10.1 紅外傳感器 10.1.1 工作原理工作原理 紅外輻射紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光， 由于是位于可 見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在 0.761000 m。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠紅外和極遠紅外。 電磁波譜圖 紅外輻射 n紅外輻射本質上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度 高于絕對零度（273），就會向外部空間以紅外線的方 式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外 線輻射這種形式來實現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的 紅外線越多，輻射的能量就越強。另一方面，紅外線被物

2、體吸收后可以轉化成熱能。 n 紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁 波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的 一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線 在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積 。 10.1.2 紅外探測器紅外探測器 紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、 探測器、信號調理電路及顯 示單元等組成。 紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外 輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅 外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光 子探測器兩大類。 1. 熱探測器熱探測器 熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的 敏

3、感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參 數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸 收的紅外輻射。 特點：熱探測器主要優(yōu)點是響應波段寬響應波段寬， 響應范圍可擴展 到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便可以在常溫下工作，使用方便， 應用相當廣 泛。但與光子探測器相比，熱探測器的探測率比光子探測器的 峰值探測率低，響應時間長峰值探測率低，響應時間長。 熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型 和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高， 頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。這里我 們主要介紹熱釋電型探測器。 “鐵電體”的極化強度（單位

4、面積上的電荷）與溫度有 關。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時引起 薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當 于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產(chǎn) 生一個電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的 快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強弱，熱釋電型紅外傳 感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率。 2. 光子探測器光子探測器 光子探測器的工作機理是：利用入射光輻射的光子流與探 測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 光子效應。 根據(jù)光子效應制成的紅外探測器稱為光子探測器。 通過光子探測器測量材料電

5、子性質的變化，可以確定紅外 輻射的強弱。 10.1.2 紅外傳感器的應用 1. 紅外測溫儀紅外測溫儀 紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當物體的溫 度低于1000時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其 溫度。 2. 紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收 的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收 帶）不同，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65 m附近的 紅外線具有很強的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78 m和4.26 m附近以及波長大于13 m的范圍對紅外線有較強的吸收能力。 如

6、分析CO氣體，則可以利用4.26 m附近的吸收波段進行分析。 幾種氣體對紅外線的透射光譜 100 80 60 40 20 0 透射率 / (%) 100 80 60 40 20 0 透射率 / (%) 100 80 60 40 20 0 透射率 / (%) 23456789 10 11 12 13 14 15 / m 23456789 10 11 12 13 14 15 / m CO CO2 CH4C2H4 C2H6 C2H2 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出310 m的紅外線，切光片將連 續(xù)的紅外線調制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號 的檢測。 測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收

7、 紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩 個吸收氣室，充以被測氣體，當它吸收了紅外輻射能量后， 氣 體溫度升高，導致室內壓力增大。 測量時（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切 光后射入測量氣室和參比氣室， 由于測量氣室中含有一定量的 CO氣體，該氣體對4.65 m的紅外線有較強的吸收能力， 而參 比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個吸收 氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊 的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向， 改變了薄膜電容兩電極 間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光 強的差值也愈大， 則電容的變化量也愈大，因此電

8、容變化量反 映了被分析氣體中被測氣體的濃度。 紅外線氣體分析儀結構原理圖 為了消除干擾氣體對測量結果的影響。所謂干擾氣體， 是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體 和CO2在45 m波段內紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存 在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊 和參比邊各設置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2 氣體對應的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸 收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關。 設置濾波氣室的目的 10.2 微 波 傳 感 器 n微波作為一種電磁波，具有電磁波的所 有性質 n微波傳感器是利用微波特性來檢

9、測某些 物理量的器件或裝置 n微波傳感器是一種新型非接觸式測量傳 感器 微波是波長為1 mm1 m的電磁波，可以細分為三個波段。 10.2.1 微波傳感器的原理和組成 n微波特點： n需要定向輻射裝置； n遇到障礙物容易反射； n繞射能力差； n傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、灰塵等的影響較 ?。?n介質對微波的吸收大小與介質介電常數(shù)成正比，如 水對微波的吸收作用最強。 微波傳感器的測量原理及分類微波傳感器的測量原理及分類 原理：由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將 被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線， 接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將 它轉換為電信號，再經(jīng)過

10、信號調理電路，即可以顯示出被 測量，實現(xiàn)了微波檢測。 分類：分為反射式和遮斷式兩類。 1. 反射式微波傳感器反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率檢測被測物反射回來的微波功率 或經(jīng)過的時間間隔或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位 置、位移、厚度等參數(shù)。 2. 遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大檢測接收天線收到的微波功率大 小小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的 厚度、 含水量等參數(shù)的。 微波傳感器的組成微波傳感器的組成 微波傳感器通常由微波發(fā)生器（即微波振蕩器）、 微波天 線及微

11、波檢測器三部分組成。 1. 微波發(fā)生器微波發(fā)生器 是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300 MHz300 GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容， 因此不能用普通的電子管與晶體管構成微波振蕩器。 構成微波 振蕩器的器件有調速管、磁控管調速管、磁控管或某些固態(tài)器件某些固態(tài)器件，小型微波振蕩 器也可以采用體效應管體效應管。 2、微波天線微波天線 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號通過天線發(fā)射出去。為了使 發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結構。常用 的天線有喇叭形、 拋物面形、 介質天線與隙縫天線等。 喇叭形天線結構簡單，制造方便，可以看作是波導管的延 續(xù)。喇叭形天線在波

12、導管與空間之間起匹配作用，可以獲得最 大能量輸出。 拋物面天線使微波發(fā)射方向性得到改善。 常用的微波天線 扇形喇叭天線; (b) 圓錐形喇叭天線; (a) (c) 旋轉拋物面天線; (d) 拋物柱面天 線 (a)(b)(c)(d) 3. 微波檢測器微波檢測器 電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流- 電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。 與其它傳感器相比， 敏感探頭在其工作頻率范圍內必須 有足夠快的響應速度。 作為非線性的電子元件可用種類較多（半導體PN結元件、 隧道結元件等），根據(jù)使用情形選用。 微波傳感器的特點微波傳感器的特點 一種新型的非接觸傳感器。 有極寬的頻譜

13、（波長=1.0 mm1.0m）可供選用，可根 據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率； 在煙霧、 粉塵、 水汽、 化學氣氛以及高、 低溫環(huán)境中 對檢測信號的傳播影響極小， 因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時間常數(shù)小， 反應速度快， 可以進行動態(tài)檢測與實時 處理， 便于自動控制； 測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉換， 從 而簡化了傳感器與微處理器間的接口。 傳輸距離遠，便于實現(xiàn)遙測和遙控； 微波無顯著輻射公害。 缺點：微波傳感器存在的主要問題是零點漂移和標定零點漂移和標定尚未 得到很好的解決。 其次， 測量環(huán)境對測量結果影響大， 如溫 度、 氣壓、 取樣位置等。 微波傳感器的應用微波傳感器的應

14、用 微波發(fā)射天線 S d 微波接收天線 微波液位計微波液位計 微波濕度傳感器微波濕度傳感器 水分子是極性分子。 當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復取向，不 斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者 表現(xiàn)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。 這個特性可用 水分子自身介電常數(shù)來表征， 即 =+ 與不僅與材料有關，還與測試信號頻率有關, 所有極性分 子均有此特性。一般干燥的物體，其在15范圍內， 而水的 則高達64， 因此如果材料中含有少量水分子時，其復合將顯著 上升， 也有類似性質。 使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所 引起的微波信號的相移與衰減量，

15、就可以換算出物體的含水量。 酒精含水量測量儀框圖 微波輻射計（溫度傳感器）微波輻射計（溫度傳感器） 任何物體，當它的溫度高于環(huán)境溫度時，都能夠向外輻射 熱能。微波輻射計能測量對象的溫度。普朗克公式在微波領域 可近似為 0 4 2 ( , ) ckT eT 微波溫度傳感器原理框圖 微波溫度傳感器最有價值的應用是微波遙測，將 它裝在航天器上，可以遙測大氣對流層的狀況，可以 進行大地測量與探礦，可以遙測水質污染程度，確定 水域范圍，判斷植物品種等。 微波無損檢測儀 微波物位計 微波定位傳感器 微波多普勒傳感器微波多普勒傳感器 微波測定移動物體的速度和距離是利用雷達能動地將電波 發(fā)射到對象物，并接受返

16、回的反射波的能動型傳感器。若對在 距離發(fā)射天線為r的位置上以相對速度v運動的物體發(fā)射微波，則 由于多卜勒效應，反射波的頻率發(fā)生偏移，如下式所示： 式中fd是多卜勒頻率 2 cos d v f 當物體靠近靶時, 多卜勒頻率fd為正；遠離靶時，fd為負。 輸 入接收機的反射波的電壓可用下式表示： 4 sin 2 ddd r uUf t 因此，根據(jù)測量到的差拍信號頻率，可測定相對速度。但 是， 用此方法不能測定距離。為此考慮發(fā)射波長（頻率）稍有 不同的兩個電波1和2，這兩個波的反射波的多卜勒頻率也稍 有不同。 若測定這兩個多卜勒輸出信號成分的相位差為， 則可求出距離r： 12 21 11 4 r 1

17、2 12 4 r 10.3.1 超聲波工作原理超聲波工作原理 波動（簡稱波）：振動在彈性介質內的傳播 聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波 次聲波：低于16 Hz的機械波 超聲波：高于2104 Hz的機械波 微波：頻率在310831011 Hz之間的波 聲波的頻率界限圖 超聲波的波型 n縱波質點振動方向與波的傳播方向一致的 波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播； n橫波質點振動方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。 它只能在固體中傳播； n表面波質點的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)?播，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面 波質點振動的軌跡是橢圓形（其長軸

18、垂直于傳播方向，短 軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?超聲波的傳播速度 縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介 質的彈性常數(shù)及介質密度。氣體和液體中只能傳 播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲 速在9001900m/s。 在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速 成一定關系，通常可認為橫波聲速為縱波聲速的 一半，表面波聲速約為橫波聲速的90。 超聲波的反射和折射 超聲波的反射和折射 2 1 sin sin c c 超聲波的衰減 聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加， 能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以 下函數(shù)關系： x x eII 2 0 x x ePP

19、0 式中: x P、 x I 聲波在距聲源x處的聲壓和聲強； 0 P 、 0 I 聲波在聲源處的聲壓和聲強； x 聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)。 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理 來工作的。 n壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動 轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當外加交變電壓的 頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超 聲波最強。 n壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當 超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表 面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經(jīng)放大 后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。 壓電式超聲波傳感器結構圖 磁致伸縮式超聲波傳感器 磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致