56124自動檢測技術(shù)、電子課件第11章其它傳感器

第一節(jié)超聲波傳感器第二節(jié)紅外傳感器第三節(jié)激光傳感器第四節(jié)新型傳感器概述第十一章其他傳感器第五節(jié)新型傳感器應用實例

由于科學技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域中的一些新材料、新技術(shù)已在檢測技術(shù)中得到應用。目前，超聲波、紅外輻射、激光等傳感器的應用范圍在不斷地擴大，特別是在環(huán)境條件惡劣或非接觸測量的許多場合，這些傳感器更顯示出它們的優(yōu)越性。本章主要講述超聲波傳感器、紅外傳感器、激光傳感器，并簡要介紹一些新型傳感器及其應用實例。本章教學要求超聲波原理及超聲波傳感器紅外輻射、紅外傳感器的原理及應用激光原理、激光傳感器及其應用新型傳感器的類型及其應用領(lǐng)域新型傳感器應用實例

聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波，根據(jù)聲波振動頻率的范圍，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20～20000Hz。頻率超過20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲檢測中常用的工作頻率在0.25～

20MHz范圍內(nèi)。超聲波的波型主要可分為縱波、橫波和表面波三種。橫波和表面波只能在固體中傳播，而縱波可以在固體、液體和氣體中傳播。因此常用的超聲波為縱波。第一節(jié)超聲波傳感器一、超聲波的物理基礎(chǔ)超聲波的傳播性質(zhì)超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。當超聲波以一定的入射角α從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，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。反射定律折射定律當β=90°時的入射角稱為臨界入射角α0透射率和反射率取決于兩種介質(zhì)的密度。當從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)時，透射率較大，反射率也較大。反之，透射率和反射率較小。透射律反射率超聲波在介質(zhì)中的衰減二、超聲波傳感器

超聲波傳感器由發(fā)送傳感器和接收傳感器兩部分組成，在超聲波檢測中成對使用。

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械振蕩而產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。換能器一般有壓電式和磁致伸縮式兩種。

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。磁致伸縮式發(fā)送傳感器是根據(jù)鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應原理制成的。壓電式超聲波發(fā)送傳感器高頻正弦交流電壓產(chǎn)生并發(fā)射超聲波壓電晶體電致伸縮n為諧波級數(shù)，c為超聲波在壓電材料里的傳播速度磁致伸縮式發(fā)送傳感器高頻正弦交變磁場鐵磁材料機械振動頻率只能在幾萬Hz以內(nèi)，但聲強可達幾千W/cm2產(chǎn)生并發(fā)射超聲波

超聲波接收傳感器傳感器

超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆變效應進行工作的。接收傳感器由換能器與放大電路組成，包括壓電式和磁致伸縮式兩種形式。壓電式超聲波接收器：當超聲波作用到電晶體片上時，使晶片伸縮，則在晶片的兩個界面上產(chǎn)生交變電荷，這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過放大后送到測量電路。磁致伸縮超聲波接收器：當超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮引起內(nèi)部磁場變化，根據(jù)電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈獲得感應電動勢，再將此感應電動勢送到測量電路及記錄顯示設備。三、超聲波在自動檢測中的應用穿透法超聲波探傷發(fā)射超聲工件內(nèi)部缺陷接收能量損失部分反射工件內(nèi)無缺陷接收能量最大全部透射反射法超聲波探傷發(fā)射T波接收器接收工件沒有缺陷收到B波工件內(nèi)部缺陷收到F波超聲波測量厚度發(fā)射超聲波接收器接收記錄發(fā)送接收時間間隔t超聲波測量液位發(fā)射超聲波接收器接收記錄發(fā)送接收時間間隔t計算液位顯示輸出超聲波測量車速示意圖

紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性實現(xiàn)自動檢測的一種傳感器。已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)、科研、軍事和醫(yī)療等各個領(lǐng)域。紅外測量技術(shù)是檢測技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學的重要手段。第二節(jié)紅外傳感器一、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零度(-273.16℃)，就會不斷地輻射紅外線。也就是說，在常溫下所有物體均是紅外輻射源，而且物體溫度愈高，輻射功率就愈大。紅外線具有反射、折射、散射、干涉、吸收等多種性質(zhì)。紅外輻射在介質(zhì)中傳播時，輸入與輸出能量關(guān)系為穿出通量入射通量吸收系數(shù)介質(zhì)厚度二、紅外傳感器

熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應原理工作的。熱電探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。

按工作原理可分為熱電紅外傳感器和光電紅外傳感器兩類。

光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應原理工作的。光電紅外傳感器有內(nèi)光電和外光電紅外傳感器兩種，前者又分為光電導、光生伏特和光磁電紅外傳感器等三種。

按光學系統(tǒng)又分為透射式和反射式紅外探測器。透射式紅外傳感器光學系統(tǒng)的元件采用紅外光學材料，并且根據(jù)所探測的紅外波長來選擇光學材料：在近紅外區(qū)，選用一般的光學玻璃和石英等材料；在中紅外區(qū)，選用氟化鎂、氧化鎂等材料;在遠紅外區(qū)，選用鍺、硅等材料。

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。反射式的光學系統(tǒng)元件表面鍍金、鋁或鎳鉻等對紅外波段反射率較高的材料，但在制造工藝方面較復雜。三、紅外傳感器的應用紅外測溫儀

它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度。

根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進行分析的。工作時，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后，濾掉干擾氣體的影響，分別射入測量氣室和標準氣室。由于測量氣室中對4.65μm的紅外輻射有較強的吸收能力，而標準氣室中氣體不吸收紅外輻射，從而使兩吸收室壓力不同，于是電容器的可動電極（薄膜）偏向固定電極片方向，改變了電容極距，即改變電容C。電容量變化反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。

紅外氣體分析儀紅外無損探傷

工作時，傳送帶勻速把包裝袋的封口送往熱源和紅外傳感器之間，熱源對封口均勻加熱并使其封合，如果封口中存在氣泡、空隙等缺陷，會妨礙熱能的流動而引起溫度分布異常。通過溫度分布的測量就可以判斷出缺陷的位置。紅外自動感應門第三節(jié)激光傳感器一、激光的本質(zhì)基態(tài)原子外界因素激發(fā)自發(fā)輻射處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)原子外界因素誘發(fā)產(chǎn)生激光受激輻射自發(fā)輻射:原子在正常分布狀態(tài)下，大部分處于低能級E1狀態(tài)，得到外界能量后，原子被短期激發(fā)，躍遷到高能級E2狀態(tài)。極短時間后，原子躍遷返回低能級，同時輻射出光子。受激輻射: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而發(fā)光，這種發(fā)光過程稱為受激輻射，但并非任何外來光子都能引起受激輻射。只有當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。

受激輻射所激發(fā)出光子的頻率、相位方向均與入射光一致，這種光稱為相干光。如果這些光子再引起其它原子發(fā)生受激輻射，那么這些原子所引起的輻射光子在頻率、相位和振動方向上也與外來光子完全相同，從而產(chǎn)生激光。二、激光的形成原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布外界因素激發(fā)N2>N1光以放大為主物質(zhì)內(nèi)部粒子數(shù)與能量方程光的振蕩放大

光學共振腔由各種形狀的曲面反射鏡組成，鏡面具有極高的反射率，工作物質(zhì)被封裝在共振腔中。光子在兩反射鏡間往返運動，不斷地碰撞處于激發(fā)態(tài)的粒子，使得受激輻射一次又一次的加強。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、激光的特點方向性強：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，因此一般認為激光是平行光。單色性好：單色光是指頻譜很窄的光波。激光的頻帶寬度很窄，是最好的單色光。激光的譜線單純，波長變化范圍很小，因此單色性非常好。相干性好：相干性是指兩束光在相遇區(qū)域內(nèi)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)。相干性有時間相干性和空間相干性兩種。由于激光的傳播方向、頻率和相位完全相同，因此激光的時間相干性和空間相干性都很好。四、激光傳感器氣體激光器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。光學共振腔由一個平面鏡和一個球面鏡構(gòu)成成。氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體，目前已開發(fā)出各種氣體激光器。常用的有CO2激光器、氦氖激光器等。氦氖激光器在激光管內(nèi)充有一定容量的氦氖混合比的氣體，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)生大量動能很高的自由電子發(fā)生受激輻射。液體激光器

液體激光器的工作物質(zhì)是液體，可分為有機液體染料激光器、無機液體染料和聚合物激光器等。其特點是它發(fā)出的激光波長可在一定的波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)?？蛇B續(xù)工作而不降低效率。固體激光器

固體激光器的工作物質(zhì)是固體。常用的固體激光器有紅寶石激光器等。固體激光器的常用激勵方式為光激勵，也就是用強光去照射工作物質(zhì)，使它激發(fā)出激光。為了有效地利用各種光泵源的光能，常采用各種聚光腔。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。

半導體激光器的主要特點重量非常輕，結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)換效率很高，輸出功率比較小，受環(huán)境溫度影響比較大等。主要用于軍工武器瞄準、測距等方面。半導體激光器

半導體激光器的工作物質(zhì)是某些半導體材料，如砷化鎵等。砷化鎵激光器可以做成二極管形式，在PN結(jié)中注入能量，可以造成電子與空穴重新復合，能量以光子形式釋放，形成激光。五、激光的應用激光干涉位移傳感器

當可動反射鏡沿光軸方向每移動半個光波波長時，干涉條紋亮暗變化一次，經(jīng)光電倍增管放大后，計數(shù)得到干涉條紋數(shù)。激光測距探測器到目標距離為激光射向被測目標計算距離目標反射回激光器求出往返所需時間激光測速

激光測速是利用光的多普勒效應。多普勒效應是指當激光照射到相對運動的物體上時，被物體散射（或反射）光的頻率將發(fā)生改變的現(xiàn)象。相應地，將散射（或反射）光的頻率與光源光頻率之差稱為多普勒頻移。據(jù)此可測量運動物體速度、流體流速等。當運動體相對于激光光源S有相對運動時，由于運動體的運動速度而引起光波頻率偏移，稱為多普勒頻移多普勒頻移結(jié)論：只要測出

fd，則可求出物體運動速度v激光多普勒流速計

測量流速所用的儀器稱為激光多普勒流速計，它可以測量火箭燃料的流速，飛行器噴射氣流的速度，風洞氣流速度以及化學反應中粒子的大小及匯聚速度等。第四節(jié)新型傳感器概述

隨著社會的發(fā)展，工業(yè)的進步，傳感器在科學技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)在精度、靈敏性、集成度、可靠性等方面已經(jīng)逐漸不能滿足要求。人們對傳感器提出了越來越高的要求，這也成為傳感器技術(shù)發(fā)展的強大動力。在這種背景下，近年來人們對傳感器新原理、新材料和新技術(shù)的研究更加深入廣泛，傳感器新品種、新結(jié)構(gòu)、新應用不斷涌現(xiàn)。新型傳感器的特征以及發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。微型化傳感器

隨著半導體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器的生產(chǎn)制造引入了許多新工藝并實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，這為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。在傳感器微型化方面值得一提的是近年來微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems

縮寫為MEMS）的發(fā)展。MEMS是指可批量制作的，集微型傳感器、微型機構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信等于一體的微型系統(tǒng)。智能化傳感器

智能化傳感器是20世紀80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學科的新型傳感器系統(tǒng)。智能化傳感器集成了傳感器與微處理器（或微控制器）的功能，可全部或部分實現(xiàn)信號檢測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，以及內(nèi)部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，它的應用使傳感器技術(shù)提高到一個新的水平，發(fā)展到一個嶄新的階段。智能化傳感器的特點具有邏輯判斷及信息處理功能智能化傳感器帶有微處理器，因此它不但能夠?qū)π畔⑦M行處理、分析和調(diào)節(jié)，而且還能夠?qū)λ鶞y的數(shù)值及其誤差進行補償。它可以借助表格對非線性信號進行線性化處理，也可以借助數(shù)字濾波軟件對信號進行濾波，還能夠利用軟件實現(xiàn)非線性補償或其它更復雜的環(huán)境補償，從而極大地提高了測量精度。具有自診斷和自校準功能智能化傳感器可以檢測工作環(huán)境。當外部工作環(huán)境臨近其極限條件時，它能夠發(fā)出報警信號并給出相關(guān)的診斷信息，從而提高了可靠性。實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量，能更加方便地對多種信號進行實時處理。具有數(shù)據(jù)存取功能智能化傳感器能實時處理檢測數(shù)據(jù)，也能存儲信息，以備事后查詢。存儲的內(nèi)容可以是檢測數(shù)據(jù)，也可以包括設備的歷史工作記錄以及其它相關(guān)信息。具有通信功能智能化傳感器帶總線接口，能執(zhí)行與計算機之間的通信，實現(xiàn)信息的相互交換。它可以通過接口向計算機傳遞現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并通過接口接收來自上位機的控制指令。多功能集成傳感器

多功能集成傳感器是傳感器發(fā)展的一個重要方向。這里的集成有兩種定義。一種是同類型多個傳感器的集成，即用集成工藝將多個同一功能的傳感元件排列在同一平面上，組成線性傳感器（如CCD圖像傳感器）。另一種是多功能傳感器的集成，即將幾種不同的敏感元器件制作在同一硅片上，制成多功能一體化傳感器。而后者正是當前傳感器集成化發(fā)展的主要方向。網(wǎng)絡傳感器

傳感器網(wǎng)絡是由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡將所感知信息傳送到用戶終端。傳感器網(wǎng)絡具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和巨大實用價值。第五節(jié)新型傳感器應用實例設計一個以單片機為核心的實時溫度檢測系統(tǒng)。單片機為AT89C2051，溫度傳感器為智能化集成溫度傳感器DS18B20。溫度測量范圍為-55℃～+125℃，分辨率為0.0625℃。使用五位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示溫度值，溫度精確到小數(shù)點后兩位。設計單片機和DS18B20的接口電路及相應軟件。一、功能要求系統(tǒng)硬件由DS18B20、單片機和顯示元件三部分組成二、系統(tǒng)硬件DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的操作命令ROM操作命令命令字功能33H讀ROM命令：通過該命令主機可以讀出DS18B20ROM中的8位系列產(chǎn)品代碼、48位產(chǎn)品序列號和8位CRC校驗碼。該命令僅限于單個DS18B20在線的情況。55H匹配ROM命令：當多片DS18B20在線時，主機發(fā)出該命令，后面跟隨64位ROM編碼序列。掛在總線上的DS18B20，只有其內(nèi)部ROM與該64位數(shù)相同者才能響應隨后的存儲器操作命令。0F0H搜索ROM命令：該命令可以查詢總線上的DS18B20數(shù)目及其64位序列號。0CCH跳過ROM命令：該命令允許主機跳過ROM序列號檢測而直接使用功能命令。該命令僅限于單個DS18B20在線的情況。0ECH報警搜索命令：只有滿足報警條件的DS18B20才對該命令作出響應。DS18B20的操作命令存儲器