第11章其他傳感器

1、第十一章、其他傳感器 本章主要講述超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器，并簡(jiǎn)要介紹一些新型傳感器。 第一節(jié)、超聲波傳感器 超聲波傳感器在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，主要是利用超聲波的物理性質(zhì)，通過被測(cè)介質(zhì)的某些聲學(xué)特性來檢測(cè)一些非電參數(shù)或者進(jìn)行探傷。 一、超聲波的物理基礎(chǔ) 1、超聲波的物理性質(zhì) 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波，根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。人耳能聽到的聲波頻率范圍是20Hz20KHz。頻率超過20KHz的聲波稱為超聲波。超聲波檢測(cè)中常用的工作頻率在250KHz-20MHz范圍內(nèi)。 超聲波的波型主要可分為縱波、橫波、表面波三種?？v波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)

2、方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波。橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波。表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方式介于縱波和橫波之間，且沿表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。橫波和表面波只能在固體中傳播；縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。因此常用的超聲波為縱波。 聲壓：聲壓指的是介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波時(shí)的靜壓強(qiáng)之差，其單位是Pa。聲強(qiáng)：聲強(qiáng)又稱為聲波的能量密度，即單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。聲強(qiáng)是一個(gè)矢量，它的方向就是能量傳播方向。聲強(qiáng)的單位是W/m2。聲振動(dòng)的頻率愈高，愈容易獲得較大的聲壓和聲強(qiáng)。 2、超聲波的傳播性質(zhì) 超聲波的傳播速度取決于介

3、質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。 當(dāng)超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖11-1所示。圖11-1、超聲波的反射與折射圖與超聲波有關(guān)的幾個(gè)定律論述如下。 (1)、反射定律：人射角和反射角的正弦與入射波和反射波在介質(zhì)中的速度之間有如下的關(guān)系 （11-1） 式中：C為入射波在介質(zhì)中的速度；C1為反射波在介質(zhì)中的速度。當(dāng)入射波和反射波波型相同、波速相同時(shí)，入射角等于反射角。 (2)、折射定律：人射角和折射角的正弦與人射波和折射波在介質(zhì)中的速度之間有如下的關(guān)系式中： （11-2）式

4、中：C為入射波在介質(zhì)中的速度；C2為折射波在介質(zhì)中的速度。 改變?nèi)松浣?，可以使折射角剛好?0，此時(shí)的人射角稱為臨界人射角，且；當(dāng)時(shí)，則只產(chǎn)生反射波。 (3)、透射率和反射率：透射率：超聲波從一種介質(zhì)垂直入射到另一種介質(zhì)時(shí)，透射聲壓與入射聲壓之比稱為透射率；反射率：反射聲壓與入射聲壓之比稱為反射率。超聲波的透射率和反射率的大小取決于兩種介質(zhì)的密度：當(dāng)從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)時(shí)，透射率較大，反射率也較大。當(dāng)從密度大的介質(zhì)入射到密度小的介質(zhì)時(shí)透射率和反射率較小。例如：超聲波從水中入射到鋼中時(shí)，透射率高達(dá)93.5%。超聲波的這一特性在金屬探傷、測(cè)厚技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。 (4)、超聲波在介質(zhì)中

5、的衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，以及介質(zhì)吸收能量，聲強(qiáng)逐漸減弱，即能量逐漸衰減。如圖11-2所示，超聲波進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為，從介質(zhì)出來之后的強(qiáng)度為，它們之間有如下關(guān)系： (11-3)式中：A為吸收系數(shù)；為介質(zhì)的厚度。 圖11-2、超聲波的衰減示意圖介質(zhì)中的能量衰減與頻率及介質(zhì)密度有很大關(guān)系。氣體的密度最小，因此衰減最快，尤其是在聲波的頻率較高時(shí)衰減更快。因此在空氣中采用的超聲波頻率較低，而在固體和液體中則可用頻率較高的超聲波。二、超聲波傳感器 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，我們必須能夠產(chǎn)生、發(fā)送超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，它由發(fā)送傳感器和接收傳感器兩部

6、分組成，在超聲波檢測(cè)中成對(duì)使用。 1、發(fā)送傳感器 發(fā)送傳感器由發(fā)送電源與換能器組成，發(fā)送電源是提供高頻電流或電壓的電源；換能器作用是將電磁振蕩能量變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波并向空中輻射。換能器一般有：壓電式、磁致伸縮式兩種。 (1)、壓電式超聲波發(fā)送傳感器壓電式發(fā)送傳感器根據(jù)壓電晶體的電致伸縮原理制成。 如圖11-3所示，在壓電材料切片上施加高頻正弦交流電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波并向空中輻射。 圖11-3、壓電式超聲波傳感器工作原理常用的壓電材料有：石英晶體、壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛等。 壓電材料在高頻電壓作用下會(huì)產(chǎn)生壓電晶體振動(dòng)(伸縮) ，當(dāng)外加高頻電壓的頻率與壓電材料的本身固有頻

7、率相等時(shí)，壓電材料產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波聲強(qiáng)最強(qiáng)。 壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度有關(guān)： (11-4)式中：n：為諧波級(jí)數(shù)，取1， 2， 3，；c：為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與壓電材料的密度有關(guān)。：壓電材料晶體切片的厚度。 壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十千赫茲到幾十兆赫茲的超聲波，聲強(qiáng)可達(dá)幾十瓦每平方厘米。(2)、磁致伸縮式發(fā)送傳感器磁致伸縮式發(fā)送傳感器是根據(jù)鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)原理制成的。a)矩形 b)窗形圖11-4、磁致伸縮超聲波發(fā)生器 磁致伸縮效應(yīng)：磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁性物質(zhì)在交變的磁場(chǎng)中，在順著磁場(chǎng)方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象。 磁致伸縮超聲波發(fā)送器把鐵磁材料置于交變

8、磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化，即產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。 磁致伸縮超聲波發(fā)送器是用厚度為0.10.4mm的鎳片疊加而成的，片間絕緣以減少渦流電流損失。也可采用鐵鈷釩合金等材料制作。其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等，如圖11-4 所示。它的固有頻率的表達(dá)式與壓電式的發(fā)送器相同。 磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬赫茲以內(nèi)，但聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦每平方厘米。它與壓電式的發(fā)送器比較所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低，而強(qiáng)度則大許多。 2、接收傳感器接收傳感器由換能器與放大電路組成。超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆變效應(yīng)進(jìn)行工作的。換能器接收超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出。接

9、收傳感器有：壓電式、磁致伸縮式兩種。 (1)、壓電式超聲波接收器當(dāng)超聲波作用到電晶體片上時(shí)，使晶片伸縮，則在晶片的兩個(gè)界面上產(chǎn)生交變電荷，這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出結(jié)果。實(shí)際使用中，發(fā)送傳感器的壓電陶瓷也可以用做接收器傳感器的壓電陶瓷。 (2)、磁致伸縮超聲波接收器當(dāng)超聲波作用到磁致伸縮材料上時(shí)，使磁致材料伸縮引起內(nèi)部磁場(chǎng)變化，根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再將此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送到測(cè)量電路及記錄顯示設(shè)備。三、超聲波在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用 超聲檢測(cè)和探傷的方法很多，在實(shí)際工作中比較常見的有如下幾種： 1、超聲波探傷 超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中

10、的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測(cè)量材料的厚度。其測(cè)量方法很多，一般常用的有以下兩種方法。 (1)、穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化情況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法有一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭，分別置于被測(cè)工件的兩邊，工作原理如圖11-5所示。 圖11-5、穿透法探傷示意圖工作時(shí)，如果工件內(nèi)部有缺陷，則有一部分超聲波在缺陷處即被反射，其余部分到達(dá)工件的底部被接收探頭接收。因此到達(dá)接收探頭的能量有一部分損失，接收到的能量變??；如果工件內(nèi)部沒有缺陷，超聲波都能到達(dá)接收探頭，因此接收探頭接收到的能量較大。這樣就可以檢測(cè)工件的質(zhì)量。 (

11、2)、反射法探傷反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同，來探測(cè)缺陷的一種方法。圖11-6為反射法探傷的示意圖。 反射法探傷也有兩個(gè)探頭，這兩個(gè)探頭做在一起，一個(gè)發(fā)射超聲波，另一個(gè)接收超聲波。工作時(shí)探頭放在被測(cè)工件上，并在工件上來回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射探頭發(fā)出超聲波并以一定速度向工件內(nèi)部傳播，如果工件沒有缺陷，則超聲波傳到工件底部才反射回來形成一個(gè)反射波，被接收探頭接收，一般稱為底波B，顯示在屏幕上；如果工件有缺陷，則一部分超聲波在遇到缺陷時(shí)反射回來，形成缺陷波F，其余的傳到底部反射回來，顯示到屏幕上，則屏幕上出現(xiàn)缺陷波F和底波B兩種反射波形，以及發(fā)射波T波形?？梢酝ㄟ^缺陷波在屏幕上的位置來

12、確定缺陷在工件中的位置。 圖11-6、反射法探傷示意圖2、超聲波測(cè)量厚度 超聲波測(cè)量厚度的方法很多，最常用的方法是利用超聲波脈沖反射法進(jìn)行厚度測(cè)量。圖11-7為超聲波測(cè)量厚度的示意圖，雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲波，該超聲波進(jìn)入工件到達(dá)底部，然后反射回來，被右邊的壓電晶片接收，經(jīng)過放大，顯示出來，記錄發(fā)射波與接收波的時(shí)間間隔t，工件的厚度可用下式測(cè)出： (11-5)由式( 11-5)可知，只要測(cè)量出超聲波脈沖通過工件的時(shí)間t，經(jīng)過信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度。 圖11-7、超聲波測(cè)厚示意圖 3、超聲波測(cè)量液位 超聲波測(cè)量液位是利用回聲原理進(jìn)行的，如圖11-8所示，在液位上方安裝空氣

13、傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器。根據(jù)式(11-5) ，只要測(cè)量出發(fā)射波和接收波之間的時(shí)間間隔，就可以測(cè)出探頭到液面的距離，如果液面晃動(dòng)，就會(huì)由于反射波散射而造成接收困難，此時(shí)可用直管將超聲傳播路徑限制在一定范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。 超聲波傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合非常多，比如超聲波傳感器應(yīng)用于汽車倒車防碰及車速測(cè)量等。圖11-8、超聲波測(cè)量液位示意圖 第二節(jié)、紅外傳感器 紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的一種傳感器；紅外測(cè)量技術(shù)是發(fā)展檢測(cè)技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學(xué)的重要手段。 紅外輻射又稱為紅外光，是熱輻射的一種形式。紅外光是一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍在0.761000m之間。紅外線在電磁波譜中的位置如

14、圖11-9所示。從電磁波譜中可知，紅外輻射是波長(zhǎng)位于可見光和微波之間的一種不可見光。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(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。近紅外線的波長(zhǎng)大致在0.763m；中紅外線的波長(zhǎng)大致在36m；遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)大致在614m； 極遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)大致在14m以上。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同，所用紅外輻射的波長(zhǎng)也不同。圖11-9、電磁波譜一、紅外輻射的產(chǎn)生和性質(zhì) 自然界中任何物體，只要其本身溫度高于絕對(duì)零度( -273. 160C ) ，就會(huì)不斷地輻射紅外線。常溫下所有物體均是紅外輻射源，而且物體溫度越高，輻射功率就越大。與所有電磁波一樣，紅外輻射也具有反射、折射、

15、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。 紅外線在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用而被衰減。紅外輻射在介質(zhì)中傳播時(shí)的輸入與輸出能量之間有如下關(guān)系： （11-6）式中： I：為穿過厚度為的介質(zhì)時(shí)輸出的通量； I0：為入射到介質(zhì)時(shí)的通量； K：為吸收系數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)； ：為介質(zhì)的厚度金屬對(duì)紅外輻射的衰減最大，氣體的衰減次之，液體對(duì)紅外輻射的衰減最小。各種氣體和液體對(duì)于不同波長(zhǎng)紅外輻射的吸收是有選擇的，亦即不同的氣體或液體只能吸收某一波長(zhǎng) 或幾個(gè)波長(zhǎng)范圍的紅外輻射能。這是利用紅外輻射進(jìn)行成分分析的依據(jù)之一。 二、紅外傳感器 紅外傳感器又稱為紅外探測(cè)器，它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)來探測(cè)紅

16、外輻射的，是一種將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器的種類很多，按工作原理的不同分為：熱電紅外傳感器、光電紅外傳感器兩大類。 1、熱電紅外傳感器 熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)原理工作的。熱電紅外傳感器主要采用一種高熱電系數(shù)的熱敏材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鯉、硫酸三甘鈦等制成探測(cè)元件。探測(cè)元件探測(cè)并吸收紅外輻射使得自身溫度升高進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)(如阻值)發(fā)生相應(yīng)變化，然后通過測(cè)量電路測(cè)量物理參數(shù)的變化來確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 由于熱敏材料的熱效應(yīng)需要一定的平衡時(shí)間，因此其響應(yīng)速度較低，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。但熱探測(cè)器的主

17、要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 熱電探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型、氣體型。熱釋電型探測(cè)器是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度的熱電探測(cè)器，它是利用某些材料的熱釋電效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射能量的器件。熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)是指某些晶體受熱時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這是一種熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。由于熱釋電信號(hào)正比于器件溫升的時(shí)間變化率，而不像通常的熱敏探測(cè)元件有個(gè)熱平衡過程，所以其響應(yīng)速度比其他熱敏探測(cè)器快得多。與其他熱敏探測(cè)器相比，它不僅探測(cè)率高，而且頻率響應(yīng)范圍最寬，既可工作于低頻區(qū)，也可工作

18、于高頻區(qū)。目前，靈敏度最高也是最常用的熱釋電紅外敏感材料是TGS (硫酸三甘鈦)系列水溶性晶體。這種材料特別適用于低功率探測(cè)，其缺點(diǎn)是脆弱、居里溫度低、易于極化、不能經(jīng)受較高的輻射功率。 2、光電紅外傳感器 光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)原理工作的。光電紅外傳感器是采用一種光電元件，如電真空器件(光電管、光電倍增管) ，也可以是半導(dǎo)體器件，當(dāng)人射輻射波的頻率大于某一特定頻率時(shí)，人射輻射波的光子能量被光電元件吸收，從而改變光電元件電子的能量狀態(tài)，使得其電特性發(fā)生改變，經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，放大后向外輸出。 光電紅外傳感器有內(nèi)光電和外光電紅外傳感器兩種；內(nèi)光電紅外傳感器又分為光電

19、導(dǎo)、光生伏特、光磁電紅外傳感器等三種。光電紅外傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。 光電紅外傳感器是由：光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等組成。按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為：透射式、反射式兩種。 (1)、透射式紅外傳感器透射式紅外傳感器是采用多面組合在一起的透鏡將紅外輻射聚焦在紅外敏感元件上。圖11-10為透射式紅外傳感器的光學(xué)系統(tǒng)。其光學(xué)系統(tǒng)的元件采用紅外光學(xué)材料，并且根據(jù)所探測(cè)的紅外波長(zhǎng)來選擇光學(xué)材料。在近紅外區(qū)，可用一般的光學(xué)玻璃和石英等材料；在中紅外區(qū)，可用氟化鎂、氧化鎂等材料；在遠(yuǎn)紅外區(qū)，可用鍺、硅等材料。由于獲得透射式光學(xué)

20、材料比較困難，人們還研制了反射式紅外傳感器。圖11-10、透射式紅外傳感器的光學(xué)系統(tǒng) (2)、反射式紅外傳感器反射式紅外傳感器是采用凹面玻璃反射鏡，將紅外輻射聚焦到敏感元件上。其光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖11-11所示。反射式的光學(xué)系統(tǒng)元件表面鍍金、鋁或鎳鎘等對(duì)紅外波段反射率較高的材料，其材料比較好找，但制造工藝較復(fù)雜。圖11-11、反射式紅外傳感器的兩種光學(xué)系統(tǒng)三、紅外傳感器的應(yīng)用 1、紅外測(cè)溫儀 紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外傳感器檢測(cè)其溫度。如采用可以分離出所需波段的濾光片，可使紅外測(cè)溫儀

21、工作在任意紅外波段。 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式，也可以是反射式。 圖11-12是一個(gè)透射式的紅外測(cè)溫儀框圖。它是一個(gè)包括光、機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)；圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許814m的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成斷續(xù)型的紅外輻射線。被測(cè)物體的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外傳感器上，紅外傳感器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。紅外傳感器一般為鉭酸鯉熱釋電傳感器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏元件上。溫度傳感器用來監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度以便進(jìn)行溫度補(bǔ)償。紅外測(cè)溫儀的電路比較復(fù)雜，包括前置放大、選頻放大、溫度補(bǔ)償、線性化、反射率調(diào)節(jié)等。目前已

22、有一種帶單片機(jī)的智能紅外測(cè)溫器，利用單片機(jī)與軟件的功能，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。圖11-12、紅外側(cè)祖儀框圖 2、紅外氣體分析儀 紅外氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。 許多氣體在紅外波段都有吸收帶，而且因氣體不同，吸收帶所在的波長(zhǎng)和吸收的強(qiáng)弱也不相同；例如：CO氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.65m附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力；CO2氣體則發(fā)生在2.78m和4.26m附近以及波長(zhǎng)大于13m的范圍對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如果要分析CO氣體，則可以利用4.65m附近的吸收波段進(jìn)行分析。 圖11-13是某紅外氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖11

23、-13某紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖 該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外傳感器及信號(hào)處理電路等部分組成。 紅外光源中的鎳鎘絲通電加熱產(chǎn)生310m的紅外線，經(jīng)過由同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，分別通過測(cè)量側(cè)氣路和標(biāo)準(zhǔn)側(cè)氣路，以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。圖中在測(cè)量側(cè)和標(biāo)準(zhǔn)側(cè)各設(shè)置了一個(gè)封鎖干擾氣體的濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。它能消除與被測(cè)氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體對(duì)分析所帶來的影響。測(cè)量氣室中通入被分析氣體(如分析它的CO氣體的含量) ，標(biāo)準(zhǔn)氣室中通人不吸收紅外線的氣體(如N2 等)。紅外傳感器是薄膜電容型。它有兩個(gè)吸收氣室，充以被

24、測(cè)氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大，如果電容器可動(dòng)電極兩邊的壓力不相等，它的電容量將發(fā)生變化。 工作時(shí)，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后，濾掉干擾氣體的影響(只允許波長(zhǎng)4.65m 附近的紅外輻射通過) ，從圖11-13中的濾波氣室出來的紅外線的波段正好處于CO氣體的吸收帶。分別射入測(cè)量氣室和標(biāo)準(zhǔn)氣室，由于測(cè)量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對(duì)4.65m的紅外輻射有較強(qiáng)的吸收能力，而標(biāo)準(zhǔn)氣室中氣體不吸收紅外輻射，這樣射人紅外傳感器的兩個(gè)吸收氣室的紅外輻射存在能量差異，從而使兩吸收室壓力不同，測(cè)量邊的壓力減小，于是電容器的可動(dòng)電極(薄膜)偏向固定電極片方向，改變了薄膜電容兩

25、電極間的距離，也就改變了電容C。如被測(cè)氣體的濃度越大，兩束光強(qiáng)的差值也越大，則電容的變化量也越大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度。 由于CO2氣體對(duì)應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部被濾波氣室吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測(cè)氣體CO的濃度呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，再經(jīng)放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后，推動(dòng)指示裝置顯示出氣體成分的測(cè)量值。 3、紅外無損探傷 紅外無損探傷是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的新技術(shù)。它是通過測(cè)量熱流或熱量來鑒定金屬或非金屬材料質(zhì)量的。其原理是：當(dāng)內(nèi)部存在缺陷的工件均勻受熱而溫度升高時(shí)，由于缺陷的存在將使熱流的流動(dòng)受到阻礙，從而在工件的相應(yīng)部位上出現(xiàn)溫度異常現(xiàn)

26、象。對(duì)于某些采用超聲波、渦流等方法無法探測(cè)的局部缺陷，用紅外元損探傷可取得良好的效果。因此紅外元損探傷的應(yīng)用范圍比較廣泛，可以進(jìn)行金屬、陶器、塑料、橡膠等各種材料中的裂縫、異物、孔洞、氣泡等各種缺陷的探傷。 紅外無損探傷分：主動(dòng)式、被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式是人為地在被測(cè)物體上注入(或移出) 固定熱量，探測(cè)物體表面熱量或熱流變化規(guī)律，并以此來判斷材料的質(zhì)量。被動(dòng)式則是用物體自身的熱輻射作為輻射源，探測(cè)其輻射的強(qiáng)弱或分布情況，判斷材料內(nèi)部有元缺陷。 圖11-14、包裝袋封口質(zhì)量的紅外檢測(cè)示意圖 圖11-14為某包裝袋封口質(zhì)量的紅外檢測(cè)示意圖。該系統(tǒng)由加熱源、傳送帶、紅外傳感 器和信號(hào)處理顯示電路四部分組

27、成。工作時(shí)，傳送帶把包裝袋的封口送往熱源和紅外傳感器之間，傳送帶勻速前進(jìn)，熱源對(duì)封口均勻加熱并使其封合，如果塑料袋封口中夾雜氣泡、小顆粒、油膩、空隙起皺等缺陷時(shí)，都會(huì)妨礙熱能的流動(dòng)而引起溫度分布的異?，F(xiàn)象。通過溫度分布的測(cè)量就可判斷出缺陷的位置。第三節(jié)、激光傳感器 激光器的品種已達(dá)數(shù)百種，激光波長(zhǎng)可包括了可見光、近紅外、紅外、直至遠(yuǎn)紅外的整個(gè)光譜波段范圍。 激光傳感器可將輸入它的一定形式的能量(光能、熱能等) ，轉(zhuǎn)換成一定波長(zhǎng)的光的形式發(fā)射出來。 一、激光的本質(zhì) 根據(jù)量子理論，物質(zhì)中的原子都是處在一些不連續(xù)的分離的能級(jí)上的。在正常狀態(tài)下，絕大多數(shù)物質(zhì)中的原子處于靠近原子核的最低能級(jí)，稱此時(shí)的原

28、子處于基態(tài)。處于基態(tài)的原子在不受外界激發(fā)的情況下是比較穩(wěn)定的。自發(fā)輻射：1）、當(dāng)原子受到光的照射或高能粒子的碰撞等外界因素的激發(fā)時(shí)，原子吸收了一定的能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，從而使原子處于激發(fā)態(tài)，原子的這種能態(tài)變化過程稱為激發(fā)。2）、處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，即激發(fā)態(tài)的時(shí)間非常短。即使沒有任何外界影響，物質(zhì)中處于高能級(jí)的原子很快自發(fā)地躍遷到較低能級(jí)，同時(shí)輻射出光子。3）、原子的這種自發(fā)躍遷而產(chǎn)生發(fā)光的過程叫做原子的自發(fā)輻射，如圖11-15a所。4）、在自發(fā)輻射的情況下，各個(gè)原子在輻射光子時(shí)，從哪個(gè)高能級(jí)向哪個(gè)低能級(jí)躍遷以及它們輻射光子的方向等都具有偶然性。因此自發(fā)輻射情況下的發(fā)光為一系列不

29、同頻率的光的組合。 a)、自發(fā)輻射 b)、受激輻射圖11-15、自發(fā)輻射與受激輻射過程 受激輻射：1）、在外界因素的誘發(fā)下，處在激發(fā)態(tài)的原子也可以躍遷到低能級(jí)而發(fā)光，這種發(fā)光過程稱為受激輻射，如圖11-15b所示。2）、并非任何外來光子都能引起受激輻射。只有當(dāng)外來光子的頻率大于或等于激發(fā)態(tài)原子的某一固有頻率，才能引起受激輻射。3）、設(shè)原子的兩個(gè)能級(jí)為E1和E2，并且。則根據(jù)能量守恒定律，輻射光子的能量為： ( 11-7) 式中：h：為普朗克常數(shù)，；：為輻射光子的頻率。 4）、在受激輻射過程中，輻射光子與最初引起受激輻射的外來光子有完全相同的頻率、相位和振動(dòng)方向，也可以說是一個(gè)光子被放大為兩個(gè)光

30、子，如圖11-16a所示，這種光稱為相干光。5）、如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，那么這些原子所引起的輻射光子在頻率、相位和振動(dòng)方向上也與外來光子完全相同，從而產(chǎn)生激光。 6）、并非任何受激輻射都能產(chǎn)生激光。能量為的光子在介質(zhì)中傳播時(shí)，也可能被處于低能級(jí)E1的原子吸收，而使得該原子躍遷到高能級(jí)E2上。在這種情況下，外來光子將減少，如圖11-16b所示。 光的放大和吸收是同時(shí)進(jìn)行的，至于最終光是放大還是減小，取決于哪一種運(yùn)動(dòng)更激烈。 a)、光的放大 b)、光的吸收 圖11-16、光子的放大與吸收示意圖二、激光的形成原理 要想得到大量的受激輻射光，就必須具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和光的振蕩兩個(gè)條件

31、。 1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 由前面的講述知道，要想獲得光的放大，必須使得光的放大運(yùn)動(dòng)更激烈。物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)與能量分布方程為： (11-8 ) 式中：N1和N2分別為E1和E2能級(jí)的粒子數(shù)；T為絕對(duì)溫度； k為波爾茲曼常數(shù)。 式(11-8 )說明：對(duì)應(yīng)的任意值，只要，就有，即處于低能級(jí)上的粒子數(shù)大于處于高能級(jí)的粒子數(shù)。此時(shí)光的吸收是主要的。若在一定溫度()下，能夠造成物質(zhì)內(nèi)部的一種反常分布狀態(tài)，則光的放大是主要的。物質(zhì)內(nèi)部的一種反常分布狀態(tài)即物質(zhì)內(nèi)部處于高能級(jí)的粒子數(shù)N2超過處于低能級(jí)的粒子數(shù)N1。物質(zhì)的這種反常分布狀態(tài)叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱為工作介質(zhì)。要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反

32、轉(zhuǎn)分布，就必須借助外界能量(如光照射或氣體放電等)，使工作介質(zhì)內(nèi)大量處于低能級(jí)(用黑點(diǎn)表示)的粒子躍遷到相應(yīng)的高能級(jí)(用白點(diǎn)表示)。圖11-17a為正常狀態(tài)下物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)的分布；圖11-17b為外界激發(fā)狀態(tài)下物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)的分布。 a)、正常狀態(tài) b)、激發(fā)狀態(tài)圖11-17、物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)的分布2、光的振蕩放大 由外界激發(fā)引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而形成的光的放大，能夠產(chǎn)生大量的光子。這些光子是射向各個(gè)方向的，而且大部分射向工作介質(zhì)之外后消失，受激輻射也將無法持續(xù)下去。 為了獲得持續(xù)發(fā)射的激光，最簡(jiǎn)單的辦法是在工作介質(zhì)的兩端安裝兩面相互平行的平面反射鏡。其中一塊為全反射鏡，另一塊為部分反射鏡(反射率

33、必須大于某一值)，這兩個(gè)反射鏡構(gòu)成一個(gè)光學(xué)共振腔(諧振腔)。安裝時(shí)必須保證反射鏡的中心與工作介質(zhì)的軸線相吻合。 當(dāng)工作介質(zhì)受到外界激發(fā)時(shí)，受激輻射光子在兩個(gè)反射鏡之間作一定次數(shù)的往返運(yùn)動(dòng)。在諧振腔中，沿介質(zhì)軸線方向運(yùn)動(dòng)的光子，遇到全反射鏡后，幾乎全部被反射回工作介質(zhì)，繼續(xù)撞擊處于激發(fā)態(tài)的粒子，再次形成受激輻射而使光進(jìn)一步放大；當(dāng)遇到部分反射鏡時(shí)，大部分光子被反射回工作介質(zhì)，一小部分光子透過部分反射鏡被輸出。這樣經(jīng)過幾十次、幾百次往返運(yùn)動(dòng)，直到能獲得單方向能量非常集中的激光，沿軸向透過部分反射鏡輸出為止，如圖11-18所示。圖11-18 、光振蕩器的工作過程 光子在兩反射鏡間往返運(yùn)動(dòng)，不斷地碰撞

34、處于激發(fā)態(tài)的粒子，使得受激輻射一次又一次的加強(qiáng)，如同提供了“正反饋”作用；激光在諧振腔內(nèi)往返放大的過程稱為光的振蕩放大。 由此可見：激光是受激輻射和諧振腔共同作用的結(jié)果，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布則是形成激光的必要前提條件。 三、激光的特點(diǎn) 1、方向性強(qiáng) 激光光束的發(fā)散角很小，在幾公里以外的光斑直徑可以小于幾厘米，因此一般認(rèn)為激光是平行光。 2、單色性好 激光的頻帶寬度很窄，是最好的單色光。單色光是指頻譜很窄的光波。例如：在普通光源中，單色性最好的光源是氟()燈發(fā)出的光。其中心波長(zhǎng)= 605.7nm，其譜線寬度；而普通氦氛激光器發(fā)出的激光的中心波長(zhǎng)=632.8nm，其譜線寬度。從上面的數(shù)字可以看出，激光

35、的譜線單純，波長(zhǎng)變化范圍很小，因此單色性非常好。 3、相干性好 相干性是指兩束光在相遇區(qū)域歸相互疊加后，能形成比較穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。相干性有時(shí)間相干性和空間相干性兩種。時(shí)間相干性：時(shí)間相干性是指同一光源在不同時(shí)刻發(fā)出的光束，經(jīng)過不同路程相遇可以產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象?？臻g相干性：空間相干性是指同一光源發(fā)出的光，在一定大小的空間區(qū)域內(nèi)相遇并產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。由于激光的傳播方向、頻率和相位完全相同，因此激光的時(shí)間相干性和空間相干性都很好。 四、激光傳感器 激光傳感器的種類很多，按其工作物質(zhì)可分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器。下面介紹幾種常用的激光傳感器。 1、氣體激光器 氣體激光器的工作物質(zhì)是氣

36、體，已開發(fā)了各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有：CO2激光器、氦氖激光器、CO激光器等。 氣體激光器通常是利用激光管中的氣體放電現(xiàn)象來工作的。光學(xué)共振腔一般由一個(gè)平面鏡和一個(gè)球面鏡構(gòu)成，球面的半徑要比腔長(zhǎng)大一些，如圖11-19所示。 圖11-19平凹腔 氮氖激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。氮氖激光器的結(jié)構(gòu)形式如圖11-20所示，它有內(nèi)腔式 (圖11-20a)和外腔式(圖11-20b)兩種。a)內(nèi)腔式 b)外腔式圖11-20氮氛激光器結(jié)構(gòu)示意圖共振腔長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)要滿足下式 ： ( 11-9) 式中：N為任意整數(shù)；：激光波長(zhǎng)；：共振腔長(zhǎng)；氮氖激光器的發(fā)光原理：在激光管內(nèi)充有一定

37、容量的氮氖混合比的氣體，形成低壓放電管。在陽極與陰極之間加幾千伏電壓，使之放電，產(chǎn)生大量的、動(dòng)能很高的自由電子發(fā)生受激輻射。氮氖激光器的能量較小，轉(zhuǎn)換效率較低，一般輸出功率為毫瓦級(jí)。但它的體積較小，能連續(xù)工作，單色性好。 2、液體激光器 液體激光器的工作物質(zhì)是液體；液體激光器可分為：有機(jī)液體染料激光器、無機(jī)液體染料、聚合物激光器等。較為重要的是：有機(jī)液體染料激光器。 有機(jī)液體染料激光器其特點(diǎn)是它發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一定的波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？蛇B續(xù)工作而不降低效率。 3、固體激光器 固體激光器的工作物質(zhì)是固體，目前，輸出功率可達(dá)幾十兆瓦。固體激光器的種類很多，但其結(jié)構(gòu)大致相同。圖11-21為固體激光器

38、的一般結(jié)構(gòu)示意圖。圖11-21、固體激光器的一般結(jié)構(gòu)示意圖常用的固體激光器有：紅寶石激光器、摻銣的釔鋁石榴石激光器(簡(jiǎn)稱YAG激光器)、銣玻璃激光器等。紅寶石激光器是世界上第一臺(tái)成功運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，但在常溫下，它只能脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換效率較低。 固體激光器的常用激勵(lì)方式為：光激勵(lì)(俗稱光泵)。光激勵(lì)就是用強(qiáng)光去照射工作物質(zhì)，使它激發(fā)起來，從而發(fā)出激光。為了有效地利用各種光泵源(俗稱泵燈)的光能，常采用各種聚光腔，如圖11-22所示。在共振腔內(nèi)壁鍍上高反射率的金屬薄層，使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上。 圖11-22、各種常用的聚光腔4、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是在固體和氣體激光器之后發(fā)展起來的

39、一種激光器。半導(dǎo)體激光器它的工作物質(zhì)是某些性能適合的半導(dǎo)體材料，如砷化嫁、磷化錮等。砷化嫁激光器最具有代表性，常常把它做成二極管，如圖11-23所示。砷化嫁激光器其主要部分是一個(gè)PN結(jié)，我們都知道PN結(jié)中有“導(dǎo)帶”和“價(jià)帶”，如果把能量集中在“價(jià)帶”，則“價(jià)帶”中的電子就被激發(fā)到能量較高的“導(dǎo)帶”，即形成了粒子數(shù)在能級(jí)上的反轉(zhuǎn)分布，這是激光產(chǎn)生的首要條件。如果加適當(dāng)大的電流(稱為電流激勵(lì)，俗稱流泵)時(shí)，就可以在導(dǎo)帶形成相當(dāng)可觀的光子溢出，最后通過共振腔輸出一定頻率的激光。砷化鉀激光器的共振腔，它是利用這種晶體的兩個(gè)自然解理面而形成的。它們本身十分光滑，而且彼此平行，無需再外加反射鏡，如圖11-

40、23所示。 圖11-23、砷化鉀激光器半導(dǎo)體激光器本身只有針孔那么大，長(zhǎng)度還不到1mm，因此它的重量非常輕，結(jié)構(gòu)緊湊，使用起來非常方便。它的轉(zhuǎn)換效率很高，但它也有一些缺點(diǎn)，如激光的方向性比較差，輸出功率比較小，受環(huán)境溫度影響比較大等。半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、軍艦、坦克、火炮上瞄準(zhǔn)、測(cè)距等方面四、激光的應(yīng)用 激光技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用，如激光精密機(jī)械加工、激光通信、激光音響、激光影視、激光武器和激光檢測(cè)等。激光檢測(cè)具有測(cè)量精度高、范圍大、檢測(cè)時(shí)間短及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，主要用來測(cè)量長(zhǎng)度、位移、速度、振動(dòng)等參數(shù)。 激光具有能量集中，方向性、單色性好電極以及相干性強(qiáng)的特點(diǎn)。激光傳感器按照工作原理

41、不同可以分為三類：激光干涉?zhèn)鞲衅鳌?激光衍射傳感器、激光掃描傳感器。其中激光干涉?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用最為廣泛。1、激光干涉位移傳感器 激光干涉位移傳感器測(cè)長(zhǎng)度的基本原理就是光的干涉原理。由物理學(xué)可知，頻率相同、相位相關(guān)的兩束光具有相干性，也就是說，當(dāng)它們互相交疊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光的增強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋，利用光的干涉條紋隨著被測(cè)長(zhǎng)度的變化而變化的原理可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，最廣泛使用的就是邁克爾遜干涉儀，圖11-24所示為邁克爾遜干涉儀原理圖。邁克爾遜干涉儀測(cè)量原理：激光器的光經(jīng)分光鏡后分成兩路：一路反射到固定反射鏡，另一路透射到可動(dòng)反射鏡，固定反射鏡反射的激光束透過分光鏡，可動(dòng)反射鏡反射的激

42、光束經(jīng)分光鏡反射，這兩路激光束在觀測(cè)屏處相遇而產(chǎn)生干涉。當(dāng)可動(dòng)反射鏡沿光軸方向每移動(dòng)半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，干涉條紋亮暗變化一次，經(jīng)光電倍增管放大后，計(jì)數(shù)得到干涉條紋數(shù)?？蓜?dòng)反射鏡的移動(dòng)位移x與干涉條紋數(shù)N之間的關(guān)系為： (11-10)式中：0為真空中光波波長(zhǎng)；n為空氣折射率；N干涉條紋數(shù)；這種激光干涉?zhèn)鞲衅鞑僮骱?jiǎn)單、攜帶方便、工作可靠，尤其是測(cè)量精度、分辨率高；測(cè)量1m長(zhǎng)度，精度可達(dá)10-710-8量級(jí)，量程可達(dá)幾十米。邁克爾遜干涉儀不僅能夠測(cè)量位移，而且可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度，因此應(yīng)用非常廣泛。 圖11-24、邁克爾遜干涉儀原理圖2、激光測(cè)距 激光測(cè)距是激光測(cè)量中一個(gè)很重要的方面。如飛機(jī)測(cè)量其前方目標(biāo)的

43、距離、激光潛艇定位等。激光測(cè)距的原理為：首先測(cè)量激光射向目標(biāo)，而后又經(jīng)目標(biāo)反射到激光器，測(cè)出激光往返一次所需的時(shí)間間隔，則探測(cè)器到目標(biāo)距離為： （11-11）時(shí)間間隔可用精密時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x測(cè)量。目前，國(guó)產(chǎn)的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x的單次分辨率達(dá)到20ps。由于激光方向性強(qiáng)、功率大、單色性好，對(duì)于測(cè)量遠(yuǎn)距離、判別目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比和保證測(cè)量的精度等都起著重要的作用。激光測(cè)距的精度主要取決于時(shí)間間隔測(cè)量的精度和激光的散射。例如：d = 1500km，激光往返一次所需的時(shí)間間隔為l0ms1ns，1ns為測(cè)時(shí)誤差。若忽略激光散射，則測(cè)距誤差為15cm；若測(cè)時(shí)誤差為0.1ns，則測(cè)距誤差可達(dá)1.5cm

44、。若采用無線電波測(cè)量，其誤差比激光測(cè)距誤差大得多。在激光測(cè)距的基礎(chǔ)上，發(fā)展了激光雷達(dá)。 3、激光測(cè)速 激光測(cè)速是利用光的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)：是指當(dāng)激光照射到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，被物體散射(或反射)光的頻率將發(fā)生改變的現(xiàn)象。將散射(或反射)光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。根據(jù)多普勒頻移可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度、流體流速等。 圖11-25為激光測(cè)速的原理圖，當(dāng)運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于激光光源S有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度而引起光波頻率偏移，此時(shí)多普勒頻移： ( 11-12) 式中：v：為運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度； ：為光源光波波長(zhǎng)；：為物體運(yùn)動(dòng)速度方向與激光傳播方向的夾角。 由式(11-12)可知，只要

45、能測(cè)得多普勒頻移則可求得物體運(yùn)動(dòng)速度v。圖11-25、激光測(cè)速原理圖 激光測(cè)速是一種非接觸測(cè)量，對(duì)被測(cè)物體無任何干擾。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量時(shí)，一般采用多普勒信號(hào)處理器接受來自光電接收器的電信號(hào)，從中取出速度信息，把這些信息傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和顯示。 測(cè)量流速所用的儀器稱為激光多普勒流速計(jì)，它可以測(cè)量火箭燃料的流速，飛行器噴射氣流的速度，風(fēng)洞氣流速度以及化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。 激光多普勒流速計(jì)的原理如圖11-26所示。1、激光器；2、聚焦透鏡；3、流體中的運(yùn)動(dòng)粒子；4、管道；5、6、接收透鏡； 7、平面鏡；8、分光鏡；9、光電倍增管圖11-26激光多普勒流速計(jì)原理 流速計(jì)主要包括光學(xué)系統(tǒng)

46、和多普勒信號(hào)處理兩大部分。 由激光器1發(fā)射出的單色平行光，經(jīng)透鏡2聚焦到被測(cè)流體內(nèi)。由于流體中存在著運(yùn)動(dòng)粒子，一部分光波被散射，散射光與未散射光之間產(chǎn)生頻移，混頻后輸出信號(hào)的頻移fd與流體速度成正比。圖中散射光由透鏡6收集，透過分光鏡8到達(dá)光電倍增管9；未散射光由透鏡5收集，經(jīng)反射鏡7和分光鏡8反射也到達(dá)光電倍增管9；最后在光電倍增管中進(jìn)行混頻后輸出。對(duì)這個(gè)混頻信號(hào)進(jìn)行處理，獲得多普勒頻移fd即可得到粒子運(yùn)動(dòng)速度，從而獲得流體流速。激光多普勒流速測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)是通過改變透鏡的匯聚點(diǎn)，可測(cè)量出流場(chǎng)中不同位置的流速，這是其他測(cè)量手段無法比擬的。第四節(jié)、新型傳感器簡(jiǎn)介 傳感器處于自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)之

47、首，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口；傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。因此，傳感器不僅地位與作用特別重要，而且具有廣闊的發(fā)展空間。 當(dāng)前，新型傳感器技術(shù)的發(fā)展有兩大方面： 第一，開展基礎(chǔ)研究主要包括發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料和采用新工藝。 (1)、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)等是各種傳感器的基本機(jī)理，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其意義極為深遠(yuǎn)。 (2)、開發(fā)新材料功能材料是發(fā)展傳感器技術(shù)的另一重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，在制造各種材料時(shí)，人們可以任意控制它的成分，

48、從而可以設(shè)計(jì)與制造出各種用于傳感器的功能材料。例如：控制半導(dǎo)體氧化物的成分，可以制造出各種氣體傳感器；光導(dǎo)纖維用于傳感器是傳感器功能材料的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)；有機(jī)材料作為功能材料，正引起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家 的極大關(guān)注。 (3)、采用新工藝傳感器的敏感元件的性能除了由其功能材料決定外，還與其加工工藝有關(guān)。隨著半導(dǎo)體、陶瓷等新型材料用于傳感器敏感元件，許多現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)也引人傳感器的制造中；例如采用集成技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、薄膜技術(shù)等，能制作出性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕的敏感元件。第二，擴(kuò)大傳感器的功能與應(yīng)用范圍主要包括研究多功能集成、智能式傳感器和仿生傳感器。 (1)、多功能集成傳感器這是傳感器發(fā)展

49、的一個(gè)重要方向，即在一個(gè)芯片上集成多種功能敏感元件或同一功能的多個(gè)敏感元件。例如，我國(guó)生產(chǎn)的復(fù)合壓阻傳感器，一個(gè)芯片可同時(shí)檢測(cè)壓力與溫度。 (2)、智能式傳感器這是一種具有微型計(jì)算機(jī)兼有檢測(cè)、判斷、信息處理等功能的傳感器，具有很多特點(diǎn)。例如，它可以確定傳感器的工作狀態(tài)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以便減少環(huán)境因素和溫度變化引起的誤差；用軟件解決難以解決的問題；完成數(shù)據(jù)計(jì)算與處理等。 (3)、仿生傳感器仿生傳感器就是模仿人的感覺器官的傳感器，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺傳感器等。目前，只有視覺傳感器與觸覺傳感器比較成功，其他幾種遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需求也可以說，至今真正能夠代替人的感覺器官功能的

50、傳感器極少。 幾種新型傳感器。 一、高分子有機(jī)材料傳感器 隨著高分子化學(xué)和有機(jī)合成技術(shù)的發(fā)展，用高分子材料制作的各種傳感器功能元件日益增多。高分子有機(jī)材料具有良好的加工性能，可以大面積薄膜化，柔性好，機(jī)械強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，特別是許多高分子材料分別具有離子導(dǎo)電、電子導(dǎo)電、選擇性滲透、光學(xué)敏感特性。 利用這些特性可制成大量對(duì)離子、化學(xué)氣體敏感的傳感器和pH電化學(xué)、生物酶等傳感器。 高分子有機(jī)材料聚偏氟乙烯(PVDF)就是一種比較成熟的有機(jī)壓電材料。PVDF薄膜是采用常規(guī)塑料薄膜加工方法獲得的，這種薄膜沒有壓電效應(yīng)。將薄膜置于一定溫度下進(jìn)行 高倍率單軸拉伸，然后在高溫下充分熱定形，將定形好的薄膜置于高

51、電壓電場(chǎng)下進(jìn)行熱極化，這時(shí)薄膜就形成了具有良好的壓電特性、熱電特性的PVDF傳感功能材料。 PVDF壓電薄膜制作的傳感器已進(jìn)入實(shí)用階段，有些已實(shí)現(xiàn)了商品化，下面就介紹一些它的應(yīng)用。 PVDF壓電薄膜在醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，如用在心音換能器、口腔力學(xué)分析儀等，并可利用它進(jìn)行超聲成像。 PVDF壓電薄膜可以用于電聲領(lǐng)域中，如立體聲耳機(jī)、傳聲器。它具有頻響好、靈敏度不受濕度的影響、動(dòng)態(tài)范圍大和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。 利用PVDF壓電薄膜做成的無觸點(diǎn)壓電薄膜開關(guān)具有高穩(wěn)定性、高可靠性和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，在電子計(jì)算機(jī)、打字機(jī)和電話鍵盤中得到很好的應(yīng)用。 二、固態(tài)圖像傳感器 圖像傳感器是利用光電器件的光-電

52、轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為與光學(xué)圖像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)圖像的一種功能器件。而固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干個(gè)光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡(jiǎn)稱像素或像點(diǎn)，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨(dú)立的。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)圖像，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的大小不等的電荷包的空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將這些電荷包在時(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列。固態(tài)圖像傳感器有CCD、CID、BBD等類型。其中電荷搞合型圖像傳感器CCD是目前應(yīng)用最為廣泛的一種圖像傳感器。 CCD圖像傳感器是在硅片上用氧化、擴(kuò)散、離子注入、光刻等集成電路工藝制成的半導(dǎo)體集成光電器件，它集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)和電傳送為一體，可進(jìn)行一維或二維的多通道 圖像信息處理。 CCD圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)是MOS (金屬-氧化物-半導(dǎo)體