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: (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 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 圖9.3為微波液位計示意圖,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當發(fā)射功率、波長、增益均為恒定值時，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 圖9.4所示為微波物位計示意圖22122244dKKdSGGPPrttr圖9.4 微波開關(guān)式物位計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紅外光分為三個區(qū)域:近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠紅外區(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源和面源 v輻射強度J是點源在某一指定方向、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，點源的幅射強度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，一個物體向周圍輻射熱能的同時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，實驗證明，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，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、負像如圖9.12所示 圖9.12 字符1的33正、負像v輸入字符為I，所得正、負像如圖9.13所示 v工作時得到數(shù)字字符1的輸入，其正、負像可與已儲存的圖像進行比較， 其結(jié)果如表9-1圖9.13 字符I的33正、負像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)管工作機理:其電阻隨光照度而變化; 光敏二極工作機理:產(chǎn)生與光照強度成正比的電流 v固態(tài)光電探測器件:將單個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，硅片上有一個極小

9、的光敏單元陣列和一個存儲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):由兩臺性能相同的面陣CCD攝像機組成 v工作原理:基于立體視差的原理，可完成視場內(nèi)的所有特征點的三維測量，如圓孔的中心、三棱頂點位置等; v機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)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)點的振動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)點的振動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)點振動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,其能量逐漸衰減,衰減的程度與聲波的擴散、散射、吸收等因素有關(guān); v距離聲源處的聲壓P和聲強I 可用以下式表示:

12、(9-10) (9-11) 式中: 聲源處的聲壓和聲強； 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。 axePP0axeII2000, IPv超聲波在介質(zhì)中傳播時，會對介質(zhì)產(chǎn)生機械作用和熱學(xué)作用: (1)機械作用 在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點運動而使介質(zhì)產(chǎn)生交替的壓縮和伸張，從而對介質(zhì)產(chǎn)生了機械力作用 (2)熱學(xué)作用 在傳播過程中，由于其振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的同頻振動，介質(zhì)之間因振動產(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，是利用逆壓電效應(yīng)原理工作,接收超聲波時則利用順壓電效應(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在實際生產(chǎn)中，有時只需測量某個或幾個固定點的液位高度，此時可采用圖9.22所示 圖9.21 超聲波反射式液位測量原理圖 圖9.22 超聲波定點液位計 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 生物傳感器與通常的化學(xué)分析法相比，具有以下特點： （1）分析速度快，可以在較短的時間內(nèi)得到結(jié) 果。 （2）準確度高，一般相對誤差可以達到1。（3）操作較簡單，容易實現(xiàn)自動分析。 （4）生物傳感器的主要缺點是使用壽命較短。 v酶的特性與特點 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:呼吸機能型和代謝機能型; 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呼吸機能型微生物傳感器 微生物呼吸機能存在好氣型和厭氣型兩種, 圖9.28是呼吸機能型微生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 圖9.28 呼吸機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是呼吸機能型微生物傳感器時間響應(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