1、传感器原理与应用传感器原理与应用1313.传感检测技术传感检测技术13 13 传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术13.1 13.1 超声检测超声检测13.1.1 13.1.1 超声检测的物理基础超声检测的物理基础2102104 4HzHz当超声波由一种介质入射到当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。射和波型转换等现象。1.1.波的反射和折射波的反射和折射由物理学知，当波在界面上由物理学知，当波在界面上产生折射时，入射角产生折射时，入
2、射角 的正的正弦与折射角弦与折射角 的正弦之比等的正弦之比等于两波速之比。于两波速之比。2.2.超声波的波型及其转换超声波的波型及其转换纵波：质点振动方向与传播方向一致纵波：质点振动方向与传播方向一致固体固体/液体液体/气体气体横波：质点振动方向垂直于传播方向横波：质点振动方向垂直于传播方向仅固体仅固体表面波：质点振动介于纵波和横波之间，振幅随着深度的表面波：质点振动介于纵波和横波之间，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波增加而迅速衰减的波只在固体的表面只在固体的表面传感检测技术传感检测技术当声波以某一角度入射到第二介质当声波以某一角度入射到第二介质(固体固体)的界面上时，的界面上时，纵波有反射、
3、折射，横波也会反射和折射。在一定条件纵波有反射、折射，横波也会反射和折射。在一定条件下，还能产生表面波。符合几何光学中的反射定律：下，还能产生表面波。符合几何光学中的反射定律：如果介质为液体或气如果介质为液体或气体，则仅有纵波。体，则仅有纵波。入射角入射角纵波的反射角纵波的反射角横波的反射角横波的反射角纵波的折射角纵波的折射角横波的折射角横波的折射角折射介质内折射介质内的纵波速度的纵波速度反射介质的反射介质的纵波速度纵波速度入射介质的入射介质的纵波速度纵波速度反射介质的反射介质的横波速度横波速度折射介质内折射介质内的横波速度的横波速度传感检测技术传感检测技术3.3.声波的衰减声波的衰减声波在介
4、质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。有关。在平面波的情况下，距离声源在平面波的情况下，距离声源 处的声压处的声压 和声强和声强 的的衰减规律如下：衰减规律如下：距声源距声源 处的声压和声强；处的声压和声强；自然对数的底；自然对数的底；衰减系数，单位为衰减系数，单位为 (奈培奈培/厘米厘米)级差单位：级差单位：传感检测技术传感检测技术13.1.2 13.1.2 超声波探头超声波探头超声波探头：实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头：实
5、现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。成相应的电信号。压电式压电式磁致伸缩式磁致伸缩式电磁式等电磁式等传感检测技术传感检测技术压电片压电片吸收块吸收块保护膜保护膜压电片座压电片座接线接线导线螺杆导线螺杆绝缘柱绝缘柱接线片接线片接触座接触座传感检测技术传感检测技术13.1.3 13.1.3 超声波检测技术的应用超声波检测技术的应用13.1.3.113.1.3.1超声波测厚度超声波测厚度方法：共振法、干涉法、脉冲回波法等。方法：共振法、干涉法、脉冲回波法等。脉冲回波法检测厚度的工作原理
6、脉冲回波法检测厚度的工作原理 传感检测技术传感检测技术13.1.3.2 13.1.3.2 超声波测液位超声波测液位单探头液介式单探头液介式双探头液介式双探头液介式单探头气介式单探头气介式单探头固介式单探头固介式连续波阻抗式液位计连续波阻抗式液位计连续波透射式液位计连续波透射式液位计传感检测技术传感检测技术13.1.3.3 13.1.3.3 超声波测流量超声波测流量利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和结果不受流体物理和化学性质的影响。超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的，进而形成传播
7、时间和流动流体中的传播速度是不同的，进而形成传播时间和相位上的变化：相位上的变化：流体的平均流速流体的平均流速超声波传播方向与流体流动方向的夹角超声波传播方向与流体流动方向的夹角超声波探头超声波探头超声波探头超声波探头间距间距1.1.时差法时差法2.2.相位差法相位差法3.3.频率差法频率差法传感检测技术传感检测技术时差法测流量：时差法测流量：顺流传播时间顺流传播时间逆流传播时间逆流传播时间测量精度取决于测量精度取决于注意这里注意这里 不是常数，而是温度的函数。不是常数，而是温度的函数。传感检测技术传感检测技术相位差法测流量：相位差法测流量：A A发射发射B B接收，接收信号相对接收，接收信号
8、相对与发射信号的相位角：与发射信号的相位角：超声波的角频率超声波的角频率B B发射发射A A接收，接收信号相对接收，接收信号相对与发射信号的相位角：与发射信号的相位角：相位差：相位差：流体的平均速度：流体的平均速度：传感检测技术传感检测技术频率差法测流量：频率差法测流量：A A发射发射B B接收，超声波的重复接收，超声波的重复频率：频率：B B发射发射A A接收，超声波的重复接收，超声波的重复频率：频率：频率差：频率差：流体的平均速度：流体的平均速度：与与 无关，可获得无关，可获得更高的测量精度。更高的测量精度。传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术13.2 13.2 声表面波检测声
9、表面波检测传感检测技术传感检测技术13.2.1 13.2.1 声表面波检测的物理基础声表面波检测的物理基础在固体表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附在固体表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。近的弹性波。声学和电子学相结合的一门边缘学科。声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。功能化。同
10、时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。广泛的应用。基本结构和工作原理基本结构和工作原理传感检测技术传感检测技术声表面波器件是在压电基片上制作声表面波器件是在压电基片上制作两个声两个声电换能器：叉指换能器。电换能器：叉指换能器。声表面波器件的工作原理：声表面波器件的工作原理：基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将输基片左端的换能
11、器（输入换能器）通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。能器的特性来完成的。13.3 13.3 红外检测红外检测13.3.1 13.3.1 红外检测的物理基础红外检测的物理基础红外辐射又称红外光，从紫光到红光热效应逐渐
12、增大，红外辐射又称红外光，从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红外光。而热效应最大的为红外光。在自然界中只要物体本身具有一定温度在自然界中只要物体本身具有一定温度(只要高于绝对只要高于绝对零度零度)，都能辐射红外光。，都能辐射红外光。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。涉、吸收等特性。黑体：能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体；黑体：能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体；镜体：能全部反射的物体；镜体：能全部反射的物体；透明体：能全部透过的物体；透明体：能全部透过的物体；灰体：能部分反射、部分吸收的物体。灰体
13、能部分反射、部分吸收的物体。在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。传感检测技术传感检测技术1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红外辐射能，即射的红外辐射能，即:物体在单位面积和单位物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能时间内发射出的辐射能物体的吸收系数物体的吸收系数常数，其值等于黑体在相常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能同条件下发射出的辐射能2.2.斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内物体温度越高，
14、发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量其单位面积辐射的总能量 为为:物体的绝对温度物体的绝对温度(K)(K)比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，传感检测技术传感检测技术温度为温度为1515200200温度的光谱辐射分布曲线温度的光谱辐射分布曲线温度为温度为100010002000K2000K3 3.维恩位移定律维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长长 与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度 成反比，即成反比，即:传感检测技术传感检测技术13.3.2 13.3.2 红
15、外探测器红外探测器1.1.热探测器热探测器热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。系。常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红外辐因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红外辐射能大小，
16、从而得到被测非电量值。射能大小，从而得到被测非电量值。用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。长的红外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取决于热探测器的热容量和热扩散率的大小。其响应速度取决于热探测器的热容量和热扩散率的大小。传感检测技术传感检测技术2.2.光子探测器光子探测器利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常用的光子效应有光电效应、光生伏特效应、光电磁效常用的光子效应有光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。应
17、光电导效应。热探测器与光子探测器比较：热探测器与光子探测器比较：热探测器对各种波长都能响应，光子探测器只对一段热探测器对各种波长都能响应，光子探测器只对一段波长区间有响应；波长区间有响应；热探测器不需要冷却，光子探测器多数需要冷却；热探测器不需要冷却，光子探测器多数需要冷却；热探测器响应时间比光子探测器长；热探测器响应时间比光子探测器长；热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关，光子热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关，光子探测器容易实现规格化。探测器容易实现规格化。传感检测技术传感检测技术13.3.3 13.3.3 红外辐射检测技术的应用红外辐射检测技术的应用1.1.红外测温红外测温双
18、通道光电比色温度计双通道光电比色温度计目镜目镜硅光电池硅光电池滤光片滤光片滤光片滤光片分光镜分光镜场镜场镜视场光栏视场光栏物镜物镜反射镜反射镜倒像镜倒像镜硅光电池硅光电池红外红外短波短波回零信号回零信号接收元件接收元件传感检测技术传感检测技术2.2.红外气体分析红外气体分析只要在红外波段范围内存在吸收带的任何气体，都可用只要在红外波段范围内存在吸收带的任何气体，都可用红外辐射进行分析。该法的特点是：灵敏度高、反应速红外辐射进行分析。该法的特点是：灵敏度高、反应速度快、精度高、可连续分析和长期观察气体浓度的瞬时度快、精度高、可连续分析和长期观察气体浓度的瞬时变化。变化。3.3.红外遥测红外遥测运
19、用红外光电探测器和光学机械扫描成像技术构成的现运用红外光电探测器和光学机械扫描成像技术构成的现代遥测装置，可代替空中照相技术，从空中获取地球环代遥测装置，可代替空中照相技术，从空中获取地球环境的各种图像资料。境的各种图像资料。在气象卫星上采用的在气象卫星上采用的“双通道扫描仪双通道扫描仪”装有可见光探测装有可见光探测器和红外探测器。红外探测还可用于森林资源、矿产资器和红外探测器。红外探测还可用于森林资源、矿产资源、水文地质、地图绘制等勘测工作。源、水文地质、地图绘制等勘测工作。传感检测技术传感检测技术13.5 13.5 激光检测激光检测13.5.1 13.5.1 激光检测的物理基础激光检测的物
20、理基础1.1.激光的形成激光的形成激光的形成必须具备三个条件：激光的形成必须具备三个条件：具有能形成粒子数反转状态的工作物质具有能形成粒子数反转状态的工作物质增益介质；增益介质；具有供给能量的激励源；具有供给能量的激励源；具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。2.2.激光的特性激光的特性方向性强，亮度高方向性强，亮度高 单色性好单色性好 相干性好相干性好 传感检测技术传感检测技术工业工业YAGYAG固体激光器内部构造固体激光器内部构造13.5.2 13.5.2 激光器及其特点激光器及其特点固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器
21、半导体激光器半导体激光器传感检测技术传感检测技术磷酸氧钛钾磷酸氧钛钾 掺钕钒酸钇掺钕钒酸钇 13.5.3 13.5.3 激光检测技术的应用激光检测技术的应用激光检测技术具有精度高、测量范围大、检测时间短、激光检测技术具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。等参数。精度取决于测时精度。精度取决于测时精度。1.1.激光测距激光测距激光测距的基本原理是：将光速为激光测距的基本原理是：将光速为 的激光射向被测目的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间标，测量它返回的时间，由此求得
22、激光器与被测目标间的距离的距离 ，即：，即：由于它利用的是脉冲激光束，为提高精度，要求激光脉由于它利用的是脉冲激光束，为提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术2.2.激光测流速激光测流速激光测量流速用得较多的是多普勒流速计，用它可以测激光测量流速用得较多的是多普勒流速计，用它可以测量风洞气流速度、大气风速、火箭燃料的燃速等。量风洞气流速度、大气风速、火箭燃料的燃速等。当激光照射到随被测流体一起运动的微粒上时，激光被当激光照射到随被测流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射。根据多普勒原理，散射光的频率运动着的微粒所散射。根据多普勒原理，散射光的频率相对于入射光将产生正比于流体速度的频率偏移，测出相对于入射光将产生正比于流体速度的频率偏移，测出散射光的频率偏移，就可得到被测流体的流速。散射光的频率偏移，就可得到被测流体的流速。传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术3 3.激光测激光测车车速速传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术
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