傳感與檢測技術(shù)_09其他傳感器

1、第9章 其他傳感器 本章將對微波傳感器、紅外線傳感器、視覺傳感器、超聲波傳感器、生物傳感器的工作原理和應(yīng)用進(jìn)行介紹。9.1 微波傳感器v微波是電磁波的一部分，它與紅外光、可見光、紫外線、X射線、Y射線、及無線電波一起構(gòu)成整個(gè)無限連續(xù)電磁波譜，其波長為1mm1m，如圖9.1所示 圖9.1 電磁波波譜v微波具有如下一些特點(diǎn): (1)定向輻射裝置容易制造； (2)遇到各種障礙物易于反射； (3)不易產(chǎn)生繞射； (4)傳輸性好,傳輸過程中受煙霧、灰塵、強(qiáng) 光等影響很??； (5)傳輸介質(zhì)對微波有吸收作用并與其介電 常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用明顯 v微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置 v微波波長很短,頻率范圍

2、為300MHz300GHz .v微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管,傳輸，并通過天線發(fā)射出去,常用的天線如圖9.2所示. 圖9.2 常見微波天線 v微波傳感器是用微波特性來檢測一些物理量的裝置 ;v微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩種 (1)反射式微波傳感器 通過檢測被測物反射回來的微波功率或從發(fā)射微波到接收微波的時(shí)間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數(shù); (2)遮斷式微波傳感器 通過檢測接收天線接收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置等參數(shù)。v微波液位計(jì) 圖9.3為微波液位計(jì)示意圖,它由相互構(gòu)成一定角度、相距為s的發(fā)射天線與接收天線組成; 圖9.3 微波液位計(jì)示

3、意圖v接收天線接收到的功率Pr為: 式中： d兩天線與被測液面間的垂直距離； Pt發(fā)射天線發(fā)射的功率； Gt發(fā)射天線的增益； Gr接收天線的增益； S發(fā)射天線與接收天線之間的直線距離。 v當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均為恒定值時(shí)，上式可改寫為:22244dSGGPPrttr Kl取決于波長、發(fā)射功率和天線增益的常數(shù)； K2取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù) v微波物位計(jì) 圖9.4所示為微波物位計(jì)示意圖22122244dKKdSGGPPrttr圖9.4 微波開關(guān)式物位計(jì)v微波測厚儀 圖9.5為微波測厚儀原理圖 v該測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到金屬表面被反射的特性進(jìn)行厚度測量 圖9.5 微波測厚儀原

4、理9.2 紅外傳感器v紅外輻射指的是波長從0.761000m，相對應(yīng)的頻率大致在410310Hz之間的紅外光.紅外光在續(xù)電磁波譜中的分布如圖9.1所示.v紅外光分為三個(gè)區(qū)域:近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)v紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射,其在真空中的傳播速度如下式: c= (9-3) 紅外輻射的波長(m)； 紅外輻射的頻率(Hz)； c光在真空中的傳播速度，c=310m/s v圖9.6為紅外線在一海里長度的大氣中透過率曲線。 圖9.6 紅外光經(jīng)過一海里的長度大氣的透過率曲線 v紅外輻射源 紅外輻射源根據(jù)其幾何尺寸的大小可分為點(diǎn)源和面源 v輻射強(qiáng)度J是點(diǎn)源在某一指定方向、單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率，如

5、下式:圖9.7 點(diǎn)源熱輻射 (9-4) 為立體角，P為立體角內(nèi)的發(fā)射功率 由式（9-4）可見，點(diǎn)源的幅射強(qiáng)度J僅與方向有關(guān)，而與源面積無關(guān)PJv基爾霍夫定律 基爾霍夫定律指出，一個(gè)物體向周圍輻射熱能的同時(shí)也吸收周圍物體的輻射能.如下式表示: (9-5) Er 物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來輻射能； 該物體對輻射能的吸收系數(shù)； E0 等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射的能量，它是常數(shù) 0EErv斯忒藩玻爾茲曼定律 在單位時(shí)間內(nèi)，其單位面積輻射的總能量E為: (9-6)T 物體的絕對溫度(K) 斯忒藩一玻爾茲曼常數(shù) 比輻射率，即物體表面輻射本領(lǐng)與黑體輻 射本領(lǐng)的比值，黑體的 =1v維恩位移定律 熱輻射

6、發(fā)射的電磁波中包含著各種波長，實(shí)驗(yàn)證明，物體輻射峰值波長與物體的自身的絕對溫度T成反比,如下式表示: 4TE)/(1067. 5428KmW (9-7)v圖9.8給出了不同溫度的輻射光譜分布曲線 )(2897mTm圖9.8 物體峰值輻射波長與溫度關(guān)系曲線v熱敏紅外傳感器 熱敏紅外傳感器在吸收紅外輻射能后引起某種物理性質(zhì)的變化，如溫差熱電變化、金屬或半導(dǎo)體電阻變化、氣體壓強(qiáng)變化、金屬熱膨脹變化等; 熱敏紅外傳感器有以下幾種: 熱敏電阻型紅外傳感器 熱電偶型紅外傳感器 熱釋電型紅外傳感器 v光子紅外傳感器 光子紅外傳感器是根據(jù)光電效應(yīng)原理制成的.根據(jù)材料導(dǎo)電特性不同，光子紅外傳感器可分為光電導(dǎo)型和

7、光伏特型兩種: (1) 光電導(dǎo)型紅外傳感器 光電導(dǎo)型紅外傳感器是根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的 (2) 光伏特紅外傳感器 光伏特紅外傳感器是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的 v紅外遙測 運(yùn)用紅外光電傳感器遙測裝置，可代替空中照相技術(shù)，從空中獲取地球環(huán)境的各種圖像資。 圖9.9為現(xiàn)代遙測裝置普遍應(yīng)用的行掃描儀結(jié)構(gòu)示意圖 圖9.9 紅外傳感器遙感裝置示意圖v紅外氣體分析儀 外氣體分析儀是根據(jù)物質(zhì)吸收光能特性來進(jìn)行工作的 圖9.10為CO2氣體透射光譜圖 圖9.10 CO2氣體透射光譜圖vCO2紅外氣體分析儀的工作原理 如圖9.11所示 圖9.11 CO2紅外氣體分析儀原理圖9.3 視覺傳感器v人工網(wǎng)膜 人工網(wǎng)膜是用光

8、電管陣列代替網(wǎng)膜感受光信號(hào)，其最簡單的形式是33光電管陣列。 以數(shù)字字符1為例，由33陣列得到的正、負(fù)像如圖9.12所示 圖9.12 字符1的33正、負(fù)像v輸入字符為I，所得正、負(fù)像如圖9.13所示 v工作時(shí)得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負(fù)像可與已儲(chǔ)存的圖像進(jìn)行比較， 其結(jié)果如表9-1圖9.13 字符I的33正、負(fù)像v光電探測器 v光電探測器件有兩種:光導(dǎo)管和光敏二極管 光導(dǎo)管工作機(jī)理:其電阻隨光照度而變化; 光敏二極工作機(jī)理:產(chǎn)生與光照強(qiáng)度成正比的電流 v固態(tài)光電探測器件:將單個(gè)光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列，使之具有直接測量或攝像功能;v固態(tài)攝影器:做在硅片上的集成電路，硅片上有一個(gè)極小

9、的光敏單元陣列和一個(gè)存儲(chǔ)單元陣列及電荷讀出掃描電路;v固態(tài)陣列器件包括:自掃描光敏二極管（SSPD）、電荷耦合器（CCD）、電荷耦合光敏二極管（CCPD）和電荷注入器（CID）等v主要區(qū)別:電荷形成的方式和電荷讀出的方式不同v另一種存儲(chǔ)單元陣列:模擬移位寄存器 v雙目視覺傳感器v結(jié)構(gòu):由兩臺(tái)性能相同的面陣CCD攝像機(jī)組成 v工作原理:基于立體視差的原理，可完成視場內(nèi)的所有特征點(diǎn)的三維測量，如圓孔的中心、三棱頂點(diǎn)位置等; v機(jī)器人的視覺傳感器作用的過程如圖9.14所示:v客觀世界中三維物體經(jīng)由傳感器(如攝像機(jī))轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的平面圖像，再經(jīng)圖像處理，輸出該物體的圖像 圖9.14 視覺作用過程9.4

10、超聲波傳感器v超聲波的反射和折射 超聲波在傳播過程中的路線,如圖9.15所示 圖9.15 波的反射和折射v圖9.15所示中的入射波速,反射波速與折射波用方程式表示如下: (9-8) -入射角 -反射角 -入射波速 C -反射波速 -折射角sinsinccaa21sinsinccaCv超聲波的波形及轉(zhuǎn)換 縱波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致,它能 在固體、液體和氣體中傳播; 橫波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波, 它只能在固體中傳播; 表面波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面?zhèn)鞑?v以上各種波形都符合反射及折射定律，如圖9.16所示. v公式表示如下: (9-9) 式中: 入射角；

11、 圖9.16 波型轉(zhuǎn)換圖 sinsinsinsinsin222111SLSLLCCCCC 縱波與橫波的反射角； 縱波與橫波的折射角 入射介質(zhì)，反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的 縱波速度 反射介質(zhì)與折射介質(zhì)內(nèi)的橫波速度 v傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān),超聲波的縱波在氣體中傳播速度為344m/s，在液體中傳播速度在9001900m/s之間,通常認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波約為橫波聲速的90%。 21,11,SLLCCC32,SLCCv超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),其能量逐漸衰減,衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射、吸收等因素有關(guān); v距離聲源處的聲壓P和聲強(qiáng)I 可用以下式表示:

12、(9-10) (9-11) 式中: 聲源處的聲壓和聲強(qiáng)； e自然對數(shù)的底； a衰減系數(shù)； P，I距離聲源處的聲壓和聲強(qiáng)。 axePP0axeII2000, IPv超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)對介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械作用和熱學(xué)作用: (1)機(jī)械作用 在傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而使介質(zhì)產(chǎn)生交替的壓縮和伸張，從而對介質(zhì)產(chǎn)生了機(jī)械力作用 (2)熱學(xué)作用 在傳播過程中，由于其振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的同頻振動(dòng)，介質(zhì)之間因振動(dòng)產(chǎn)生互相摩擦而發(fā)熱，從而使介質(zhì)的溫度升高 v超聲波傳感器構(gòu)成:超聲波發(fā)生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片、吸收塊、保護(hù)膜等組成;v如圖9.17所示; 圖9.17 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖v超聲波傳

13、感器產(chǎn)生超聲波時(shí)，是利用逆壓電效應(yīng)原理工作,接收超聲波時(shí)則利用順壓電效應(yīng)原理工作.v圖9.18所示為其電路示意圖:圖9.18 超聲波傳感器電路原理圖v超聲波測厚 超聲波測厚常用的是脈沖回波法.超聲波探頭與被測物體表面接觸,如圖9.19所示; 圖9.19 脈沖回波法測厚原理圖 由上圖得出工件厚度可用下式表示: (9-12) C-超聲波在工件中的傳播速度 t-脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔;v障礙物探測 利用超聲波檢測汽車后面有無障礙物的裝置為駕駛員倒車時(shí)提供了方便. 其原理如圖9.20所示 2ctv超聲波液位測量 圖9.21所示為脈沖回波式測量液位的原理圖, 其 測量裝置可分為單探頭液體介質(zhì)式、單

14、探頭氣體介質(zhì)式、雙探頭氣體介質(zhì)式和雙探頭液體介質(zhì)式等數(shù)種. 圖9.20 超聲波障礙物距離探測原理圖v在實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)只需測量某個(gè)或幾個(gè)固定點(diǎn)的液位高度，此時(shí)可采用圖9.22所示 圖9.21 超聲波反射式液位測量原理圖 圖9.22 超聲波定點(diǎn)液位計(jì) 9.5 生物傳感器v生物傳感器構(gòu)成:由敏感膜和敏感元件兩部分組成; 基本原理框圖如圖9.23所示 圖9.23 生物傳感器原理圖 v生物傳感器的分類 按照敏感膜材料的不同，生物傳感器可分為:細(xì)胞傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、酶傳感器和組織傳感器。 如圖9.24所示 圖9.24 生物傳感器按敏感膜分類v按照敏感元件的工作原理不同，生物傳感器又可分為

15、:生物電極、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器等 如圖9.25所示。圖9.25 生物傳感器按敏感元件分類 v生物傳感器的特點(diǎn) 生物傳感器與通常的化學(xué)分析法相比，具有以下特點(diǎn)： （1）分析速度快，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到結(jié) 果。 （2）準(zhǔn)確度高，一般相對誤差可以達(dá)到1。（3）操作較簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析。 （4）生物傳感器的主要缺點(diǎn)是使用壽命較短。 v酶的特性與特點(diǎn) 酶是由生物體內(nèi)產(chǎn)生并具有催化活性的一類蛋白質(zhì)，此類蛋白質(zhì)表現(xiàn)出特異的催化功能，酶被稱為生物催化劑; 酶與一般催化劑有相似之處,酶與一般摧化劑的不同之處是: 1）酶的催化效率比一般催化劑要高 2）酶催化反應(yīng)

16、條件較為溫和，在常溫、常壓條件下 即可進(jìn)行。 3) 酶的催化具有高度的專一性，即一種酶只能作用于一種或一類物質(zhì)，產(chǎn)生一定的產(chǎn)物，而非酶催化劑對作用物沒有如此嚴(yán)格的選擇性。 v酶傳感器的結(jié)構(gòu)與原理 酶傳感器可分為:電流輸出型和電壓輸出型兩種 圖9.26是葡萄糖酶傳感器結(jié)構(gòu)原理圖，它的敏感膜為葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯酰胺凝膠上. 圖9.26 葡萄糖酶傳感器結(jié)構(gòu)原理圖1.Pt陰極 2.聚四氟乙烯膜 3.固相酶膜 4.半透膜多孔層 5.半透膜致密層v微生物傳感器的分類及結(jié)構(gòu) 微生物傳感器從原理上分為兩類:呼吸機(jī)能型和代謝機(jī)能型; 結(jié)構(gòu)原理框圖如圖9.27所示 圖9.27 微生物傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖v呼吸機(jī)能型微生物傳感器 微生物呼吸機(jī)能存在好氣型和厭氣型兩種, 圖9.28是呼吸機(jī)能型微生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 圖9.28 呼吸機(jī)能型微生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1.電解液 2.O型環(huán) 3.Pb陰極 4.聚四氟乙烯 5.固化微生物膜 6.尼龍網(wǎng) 7.Pt陰極v圖9.29是呼吸機(jī)能型微生物傳感器時(shí)間響應(yīng)曲線; 曲線中穩(wěn)定電流值表示傳感器處于O2飽和溶液中時(shí)