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1、第1页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.1 11.1.1 红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射 v红外辐射的传播红外辐射的传播 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播直线传播，具，具有有反射、折射、散射、干涉、吸收反射、折射、散射、干涉、吸收等性质，其在真空中的传播速度为等性质，其在真空中的传播速度为3108m/s。大气层对不同波长的红外线存在不同的透射率，而红外线在通过大大气层对不同波长的红外线存在不同的透射率，而红外线在通过大气层时，在气层时，在22.6 m、35 m和
2、和814 m三个波段（统称为三个波段（统称为“大气窗大气窗口口”）透射率比较大，因此红外传感器一般都工作在这三个波段（大气窗口）透射率比较大，因此红外传感器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。之内。红外辐射是指波长从红外辐射是指波长从0.761 000 m，其频率大致在，其频率大致在410331011 Hz之之间的红外光。它是一种间的红外光。它是一种不可见光不可见光，由于位于可见光中红色光以外，故又称为，由于位于可见光中红色光以外，故又称为红红外线外线。红辐射被物体吸收时，可以显著地转变为热能，故红外辐射又可称红辐射被物体吸收时，可以显著地转变为热能，故红外辐射又可称为为热辐射热辐射或者或
3、者热射线热射线。第2页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 红外传感器红外传感器1热敏红外传感器热敏红外传感器热敏红外传感器热敏红外传感器 利用红外辐射的热效应，热敏红外传感器中探测器的敏感元件在吸收利用红外辐射的热效应，热敏红外传感器中探测器的敏感元件在吸收了红外辐射能后会引起了红外辐射能后会引起温度升高温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量通过测量物理参数的变化物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射能，从而，便可确定探测器所吸收的红外辐射能，从而
4、得出被测非电量值。得出被测非电量值。常用的热敏红外传感器主要有以下几种。常用的热敏红外传感器主要有以下几种。1）热敏电阻型热敏电阻型红外传感器红外传感器 是根据物体受热后电阻值发生变化而工作是根据物体受热后电阻值发生变化而工作 2）热电偶型热电偶型红外传感器红外传感器 由热电功率差别比较大的两种金属材料构成由热电功率差别比较大的两种金属材料构成 3）热释电型热释电型红外传感器红外传感器 由具有极化现象的热晶体或被称为由具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体铁电体”的材料制成的材料制成 第3页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.2 11.1.2 红
5、外传感器红外传感器2 2光子红外传感器光子红外传感器 光光子子红红外外传传感感器器是是根根据据光光电电效效应应原原理理制制成成的的。当当红红外外辐辐射射入入射射到到某某物物体体时时，其其内内部部的的电电子子因因接接受受辐辐射射的的能能量量而而改改变变了了运运动动状状态态，进进而而引引起起其其导电特性导电特性的变化。的变化。根据材料导电特性的不同，主要分为：根据材料导电特性的不同，主要分为：1）光电导型红外传感器）光电导型红外传感器 根据根据内光电效应内光电效应工作的，某些半导体材料，当受到红外辐射照射时，工作的，某些半导体材料，当受到红外辐射照射时，使半导体的导电率增加，此现象称为内光电效应，
6、也叫光电导现象。使半导体的导电率增加，此现象称为内光电效应，也叫光电导现象。2）光伏特型红外传感器）光伏特型红外传感器 根据根据光伏特效应光伏特效应工作的。某些半导体材料的工作的。某些半导体材料的PN结受到红外辐射照射时，结受到红外辐射照射时，在在PN结两端产生一个称为结两端产生一个称为光生电势光生电势的附加电势，而此现象称为光生伏特的附加电势，而此现象称为光生伏特效应。效应。第4页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.3 11.1.3 11.1.3 11.1.3 红外传感器的常用型号红外传感器的常用型号 红红外外传传感感器器可可以以检检测测到到
7、物物体体发发射射出出的的红红外外线线，利利用用红红外外线线作作为为检检测测媒媒介介，实实现现某某些些非非电电量量的的测测量量，比比采采用用可可见见光光做做媒媒介介更更加加实实用用和和方方便便，如如红红外外线线（中中、远远红红外外线线）不不受受周周围围可可见见光光的的影影响响，可可昼昼夜夜测测量量；被被测测对对象象本本身身若若会会辐辐射射红红外外线线，测测量量时时则则不不必必设设光光源源等等。在在防防盗盗、火火灾灾报报警警、成成像技术、温度测量像技术、温度测量等方面应用及为广泛。等方面应用及为广泛。第5页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.4 1
8、1.1.4 11.1.4 11.1.4 红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用1 1红外测温仪红外测温仪 因因为为物物体体温温度度愈愈高高，辐辐射射能能量量就就愈愈大大，因因此此若若测测得得物物体体所所发发射射的的辐辐射射能能量量，就就能能确确定定其其温温度度。红红外外测测温温仪仪是是利利用用热热辐辐射射体体在在红红外外波波段段的的辐辐射射通通量量来来测测量量温度的。温度的。红红外外测测温温仪仪由由光光学学系系统统、调调制制器器、红红外外传传感感器器、放放大大器器、显显示示器器等等部部分分组组成成，其其结结构构原原理理如图如图11-2 所示。所示。第6页，共44页，编
9、辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.4 11.1.4 11.1.4 11.1.4 红外传感器的应用红外传感器的应用2红外线纸张监控器红外线纸张监控器红外线纸张监控器红外线纸张监控器 红红外外纸纸张张监监控控器器，采采用用红红外外光光电电检检测测原原理理，自自动动检检测测出出每每次次通通过过印印刷刷机机的的纸纸张张数数，以以避避免免印印刷刷时时一一次次通通过过两两张张及及其其以以上上的的纸纸，造造成成纸纸张张浪浪费费，影影响响装装订订质质量量。红外线纸张监控器电路原理如图红外线纸张监控器电路原理如图11-3所示。所示。第7页，共44页，编辑于2022年，星期日
10、11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.4 11.1.4 红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用3 3红外线气体分析仪红外线气体分析仪红外线气体分析仪红外线气体分析仪 红红外外线线气气体体分分析析仪仪是是根根据据气气体体对对红红外外线线具具有有选选择择性性吸吸收收的的特特性性来来对对气气体体成成分分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同。红红外外线线气气体体分分析析仪仪由由红红外外线线辐辐射射光光源源、气气室室、红红外外检检测测器器及及电电路路等等部部分分组组成成，如如图图11-5所示。所示。1-光源 2-抛
11、物体反射镜 3-同步电动机4-切光片 5-滤波气室 6-参比气室7-测量室 8-红外探测器 9-放大器图11-5 红外线气体分析仪结构原理图 第8页，共44页，编辑于2022年，星期日11.1 11.1 红外传感器红外传感器11.1.4 11.1.4 红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用红外传感器的应用4 4无损探伤无损探伤 红红外外无无损损探探伤伤实实际际是是利利用用了了红红外外测测温温原原理理来来实实现现的的。例例如如有有A、B两两块块金金属属板板压压焊焊在在一一起起，为为了了不不损损坏坏部部件件又又可可以以检检查查交交接接面面焊焊接接是是否否良良好好，有有无无漏漏焊焊，就就可
12、可以以均均匀匀加加热热A板板，当当A板板温温度度升升高高，热热量量会会向向B板板流流去去，B板板温温度度也也会会随随之之升升高高。若若焊焊接接良良好好，则则热热量量均均匀匀分分布布流流向向B板板，B板板表表面面的的温温度度变变化化也也均均匀匀一一致致，否否则则会会在在焊焊接接问问题题点点对对应应的的B板板表表面面出出现现温温度度异异常常现现象。象。第9页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 光纤基本知识光纤基本知识光纤基本知识光纤基本知识1 1光纤的结构光纤的结构 光导纤维是一种传输信息的光导纤维是一
13、种传输信息的导光纤维导光纤维，简称为光纤，主要由高强度石英，简称为光纤，主要由高强度石英玻璃、常规玻璃、常规玻璃和塑料玻璃和塑料制成。光纤的直径只有几微米至几十微米，通常由制成。光纤的直径只有几微米至几十微米，通常由两层光学性质不同的材料组成，其结构示于图两层光学性质不同的材料组成，其结构示于图11-6。光纤的中心圆柱体叫光纤的中心圆柱体叫纤芯纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层包层。第10页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 光纤基本知识光纤基本知识2光纤的传输原理光纤的传
14、输原理v v3 3光纤的分类光纤的分类 光在空间是光在空间是直线传播直线传播的，但是在光纤中，光的传输限制在光纤中，并且必的，但是在光纤中，光的传输限制在光纤中，并且必须基于光的须基于光的全内反射全内反射，光才能随光纤传送到比较远的距离。，光才能随光纤传送到比较远的距离。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成 角时，根据斯乃尔定律，在光纤内角时，根据斯乃尔定律，在光纤内折射成折射成，然后以，然后以 角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，则则纤芯与界面的光线入射角纤芯与界面的光线入射角 应大于临界角应大于
15、临界角 c，即，即 c=arcsin （11-1）说明光纤集光本领的术语叫说明光纤集光本领的术语叫数值孔径数值孔径NA，一般，一般NA值越大，值越大，光源到光纤的耦合光源到光纤的耦合越高，但越高，但NA过大，会造成光信号畸变。过大，会造成光信号畸变。光纤按其传输的模式分为光纤按其传输的模式分为单模单模光纤和光纤和多模多模光纤两类。光纤两类。光纤按照其中折射率的分布还可以分为光纤按照其中折射率的分布还可以分为阶跃型阶跃型光纤和光纤和梯度型梯度型光纤。光纤。第11页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器11.2.2 11.2.2 光纤传感器光纤传感器1.1.功
16、能型光纤传感器功能型光纤传感器功能型光纤传感器功能型光纤传感器 利用光纤本身具有的某种敏感功能使光在光纤内受到被测量调制利用光纤本身具有的某种敏感功能使光在光纤内受到被测量调制的是的是功能型（功能型（FF型）光纤传感器型）光纤传感器，如光纤陀螺、光纤水听器等。，如光纤陀螺、光纤水听器等。这类光纤传感器又可分为这类光纤传感器又可分为强度强度调制型、调制型、相位相位调制型、调制型、频率频率调制型、调制型、偏振偏振调制型等几类。调制型等几类。第12页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 光纤传感器光纤传感器
17、2.2.非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器 光纤仅仅光纤仅仅起传输光波的起传输光波的作用，必须在作用，必须在光纤端面加装光纤端面加装其他敏感元件其他敏感元件才能构成传感才能构成传感器的是器的是非功能非功能型（型（NFF型）型）传传感器，如光纤激感器，如光纤激光多普勒速度计、光多普勒速度计、辐射式光纤温度辐射式光纤温度传感器等。传感器等。第13页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 光纤传感器的常用型号光纤传感器的常用型号 光纤传感器能用于温度、压力、应变、转矩、位移、速度、加光纤传感器能用于温度、压
18、力、应变、转矩、位移、速度、加速度、电压、电流、流量、流速、浓度、磁、声、光、放射性射线速度、电压、电流、流量、流速、浓度、磁、声、光、放射性射线和和PH值等各种物理量的测量。值等各种物理量的测量。第14页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器 当光线在光纤的直线段的入射角当光线在光纤的直线段的入射角 大于临界角大于临界角 c时，光线在界面产生时，光线在界面产生全反射全反射，可当光线在微弯曲段的界面上，入射角，可当光线在微弯曲段的界面上，入射角 如果小于临界角如果小于临界角 c，这时一部分光在纤芯和包层的界面上反射，另一部分光则透射进入包层，这时一部分光在
19、纤芯和包层的界面上反射，另一部分光则透射进入包层，从而导致从而导致光能损耗光能损耗，光纤，光纤微弯曲位移（压力）微弯曲位移（压力）传感器就是基于这一原理传感器就是基于这一原理制成的。制成的。11.2.4 11.2.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用1光纤位移和压力传感器光纤位移和压力传感器光纤位移和压力传感器光纤位移和压力传感器第15页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器 光纤加速度传感器采用了光纤加速度传感器采用了简谐振子简谐振子的结构形式。激光束由单模光纤传输，通的结构形式。激光束由单模光纤传输，通过分光板后分为两束
20、光，透射光作为参考光束，反射光则作为测量光束。过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光则作为测量光束。11.2.4 11.2.4 11.2.4 11.2.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用2光纤加速度传感器光纤加速度传感器光纤加速度传感器光纤加速度传感器 当传感器感受加速度时，由当传感器感受加速度时，由于质量块对光纤的作用，从而于质量块对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起反射光的使光纤被拉伸，引起反射光的光程差发生改变。相位改变的光程差发生改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生考光束会合产生干涉效应干涉效应。
21、激光。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。处理后便可正确地测出加速度值。第16页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器 光纤温度传感器是仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传光纤温度传感器是仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为感器。根据工作原理可分为相位调制型相位调制型、强度调制型强度调制型和和偏振光型偏振光型等多种类型，等多种类型，具有体积小、灵敏度高、工作可靠等优点，广泛应用于高压电力装置中的温
22、度测具有体积小、灵敏度高、工作可靠等优点，广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。量等特殊场合。以强度调制型为例介绍半导体光吸收型光纤温度传感器。传感器由半导体光吸收以强度调制型为例介绍半导体光吸收型光纤温度传感器。传感器由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成，其敏感元件是器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成，其敏感元件是半半导体光吸收器导体光吸收器，光纤则用来，光纤则用来传输信号传输信号。它的基本工作原理利用了多数半导。它的基本工作原理利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性，即材料的吸收光波长将随温度增体的能带随温度的升高而减
23、小的特性，即材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动，如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的加而向长波方向移动，如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化光强随温度而变化，从而达到，从而达到测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、成本低、便于推广，可在测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、成本低、便于推广，可在-10300的温度范围内进行测量，响应时间约为的温度范围内进行测量，响应时间约为2s。11.2.4 11.2.4 11.2.4 11.2.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用3 3光
24、纤温度传感器光纤温度传感器第17页，共44页，编辑于2022年，星期日11.2 11.2 光纤传感器光纤传感器 光纤图像传感器在工业生产、医学应用方面应用广泛，其原理是照光纤图像传感器在工业生产、医学应用方面应用广泛，其原理是照明光经照明导光管，再穿过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反明光经照明导光管，再穿过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光由物镜成像后，通过射光由物镜成像后，通过光纤图像导管光纤图像导管，把被观察物的像素送到目镜后，把被观察物的像素送到目镜后输出，医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手输出，医用内窥镜由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手
25、柄组成。其结构如图柄组成。其结构如图11-12所示。所示。11.2.4 11.2.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用光纤传感器的应用4 4光纤图像传感器光纤图像传感器第18页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.111.3.111.3.111.3.1超声波工作原理超声波工作原理1 1超声波的形式与声速超声波的形式与声速超声波的形式与声速超声波的形式与声速 机械波是振动在弹性介质内的传播过程。声波就是一种能在气体、液体机械波是振动在弹性介质内的传播过程。声波就是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，它分为和固体中传播的机械波，它
26、分为次声波次声波、声波声波、超声波超声波以及以及特超声波特超声波。频率。频率在在20Hz20kHz的范围内时，可为人耳所感觉，称为（可闻）声波。低的范围内时，可为人耳所感觉，称为（可闻）声波。低于于20Hz的机械振动人耳不可闻，称为次声波。频率高于的机械振动人耳不可闻，称为次声波。频率高于20kHz的机械振动的机械振动波就称为波就称为超声波超声波。由于机械波的振源施力方向与波在介质中传播的方向不同，所以由于机械波的振源施力方向与波在介质中传播的方向不同，所以超声波的波动形式可以分为超声波的波动形式可以分为横波横波、纵波纵波、表面波表面波和和蓝姆波蓝姆波几种。声波的几种。声波的传播速度取决于介质
27、的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。超声波的横波在气体和液体中不能传播，但超声波的纵波可在超声波的横波在气体和液体中不能传播，但超声波的纵波可在气体和液体中传播。超声波的纵波在气体中的传播速度为气体和液体中传播。超声波的纵波在气体中的传播速度为344m/s，在，在液体中的传播速度为液体中的传播速度为9001900 m/s。在固体中，超声波的纵波、横波、。在固体中，超声波的纵波、横波、表面波三者的传播速度有一定的关系，通常认为横波声速约为纵波表面波三者的传播速度有一定的关系，通常认为横波声速约为纵波的一半，而表面波约为横波声速的的一半，而表面波约
28、为横波声速的90%。第19页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.111.3.111.3.111.3.1超声波工作原理超声波工作原理超声波工作原理超声波工作原理2超声波的反射与折射超声波的反射与折射超声波的反射与折射超声波的反射与折射 当超声波以一定的入射角从一种介质传播到与另一种介质的分界面上时，当超声波以一定的入射角从一种介质传播到与另一种介质的分界面上时，一部分能量反射回原介质，称为一部分能量反射回原介质，称为反射波反射波；另一部分能量则透过分界面，称为；另一部分能量则透过分界面，称为折折射波射波或或透射波透射波，并在另一介质中继续传播，如
29、图，并在另一介质中继续传播，如图11-13所示。所示。超声波反射时，入射角超声波反射时，入射角的正弦与的正弦与反射角的正弦反射角的正弦的正弦之比等于的正弦之比等于入射波入射波速速c与反射波速与反射波速c之比之比。当声波在界面处产。当声波在界面处产生折射时，入射角生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦与折射角的的正弦之比等于入射波在第一介质中的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速波速c1与折射波速在第二介质中的波速与折射波速在第二介质中的波速c2之比。之比。第20页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.111.3.1超声波工作原理超声波工作原理超声波
30、工作原理超声波工作原理3 3超声波的波形转换超声波的波形转换 超声波传播时，质点的振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、超声波传播时，质点的振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播，在工业应用中多采用它。质点的振动方向与传播方向垂直的液体和气体中传播，在工业应用中多采用它。质点的振动方向与传播方向垂直的波称为波称为横波横波，它只能在固体中传播。而质点的振动介于横波和纵波之间，它只能在固体中传播。而质点的振动介于横波和纵波之间的，沿着表面传播的则是的，沿着表面传播的则是表面波表面波，它只能沿着固体表面传播。沿着介质的，它只能沿着固体表面传播。沿着介质的两个表面及
31、中部传播的则是蓝姆波。两个表面及中部传播的则是蓝姆波。当超声波以某一入射角度入射到第二介质（固体）时，除了有当超声波以某一入射角度入射到第二介质（固体）时，除了有纵波的反射、折射外，还会发生横波的反射和折射，甚至还可能产纵波的反射、折射外，还会发生横波的反射和折射，甚至还可能产生表面波。各种波形都符合生表面波。各种波形都符合反射及折射定律反射及折射定律。第21页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.211.3.211.3.211.3.2超声波传感器超声波传感器1 1超声波发生器超声波发生器超声波发生器超声波发生器2超声波接收器超声波接收器超声波接
32、收器超声波接收器 压压电电晶晶体体不不仅仅具具有有压压电电效效应应，还还具具有有逆逆压压电电效效应应。在在压压电电晶晶片片的的两两个个电电极极面面施施加加交交流流电电压压，压压电电晶晶片片就就会会产产生生机机械械振振动动，即即压压电电晶晶片片在在两两个个电电极极方方向向有有伸伸缩缩现现象象，这这就就是是电电致致伸伸缩缩效效应应。在在电电极极上上施施加加频频率率高高于于20kHz的的交交流流电电，由由于于电电致致伸伸缩缩效效应应使使得得压压电电晶晶片片产产生生超超声声机机械械振振动动，从而发出超声波，工作原理如图从而发出超声波，工作原理如图11-14（a）所示。）所示。超超声声波波接接收收器器则
33、则是是利利用用压压电电晶晶体体的的压压电电效效应应原原理理来来工工作作的的。在在压压电电晶晶体体的的电电轴轴或或机机械械轴轴的的两两端端面面施施加加某某一一频频率率的的超超声声波波，则则会会在在两两端端面面出出现现频频率率与与外外加加超超声声波波频频率率相相同同的的交交变变电电荷荷，交交变变电电荷荷的的幅幅值值与与所所施施加加的的超超声声波波强强度度成成正正比比，通通过过转转换换与与测测量量电电路路将将交交变变电电荷荷转转换为电压或电流输出，工作原理如图换为电压或电流输出，工作原理如图11-14（b）所示。）所示。第22页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传
34、感器11.3.211.3.211.3.211.3.2超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器1 1超声波发生器超声波发生器 2 2超声波接收器超声波接收器超声波接收器超声波接收器第23页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.211.3.2超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器1超声波发生器超声波发生器超声波发生器超声波发生器2超声波接收器超声波接收器 压压电电晶晶体体不不仅仅具具有有压压电电效效应应，还还具具有有逆逆压压电电效效应应。在在压压电电晶晶片片的的两两个个电电极极面面施施加加交交流流电电压压，压压电电晶晶片片就就会会产
35、产生生机机械械振振动动，即即压压电电晶晶片片在在两两个个电电极极方方向向有有伸伸缩缩现现象象，这这就就是是电电致致伸伸缩缩效效应应。在在电电极极上上施施加加频频率率高高于于20kHz的的交交流流电电，由由于于电电致致伸伸缩缩效效应应使使得得压压电电晶晶片片产产生生超超声声机机械械振振动动，从从而而发发出出超超声声波波，工工作作原理如图原理如图11-14（a）所示。）所示。超超声声波波接接收收器器则则是是利利用用压压电电晶晶体体的的压压电电效效应应原原理理来来工工作作的的。在在压压电电晶晶体体的的电电轴轴或或机机械械轴轴的的两两端端面面施施加加某某一一频频率率的的超超声声波波，则则会会在在两两端
36、端面面出出现现频频率率与与外外加加超超声声波波频频率率相相同同的的交交变变电电荷荷，交交变变电电荷荷的的幅幅值值与与所所施施加加的的超超声声波波强强度度成成正正比比，通通过过转转换换与与测测量量电电路路将将交交变变电电荷荷转转换换为为电电压压或或电电流流输出，工作原理如图输出，工作原理如图11-14（b）所示。）所示。第24页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.311.3.3超声波传感器的常用型号超声波传感器的常用型号超声波传感器的常用型号超声波传感器的常用型号 超超声声波波传传感感器器可可以以实实现现精精确确、快快速速、自自动动无无损损检检测
37、测各各种种参参数数，已已广广泛泛地地应用于工业、医学、军事、渔业等领域。应用于工业、医学、军事、渔业等领域。第25页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.411.3.411.3.411.3.4超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用1超声波测距超声波测距超声波测距超声波测距 超超声声波波发发生生器器向向外外发发出出超超声声波波，该该超超声声波波遇遇到到被被测测物物体体后后反反射射回回来来被被超超声声波波接接收收器器接接收收，用用时时钟钟脉脉冲冲对对此此信信号号的的发发送送波波和和接接收收波波之之间间的的延延迟迟时时
38、间间进进行行计计数数，计计数数器器的的计计数数值值与与被被测测距距离离成成正正比比，通通过过计计算算可可以以得得出出测测量量的的距距离离值值，并并可可实实现现数数字字显显示示，工工作作原原理理如如图图11-16所所示示。使使用用双晶直探头可以使信号处理电路趋于简化，有利于缩小仪表的体积。双晶直探头可以使信号处理电路趋于简化，有利于缩小仪表的体积。第26页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.411.3.411.3.411.3.4超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用2 2超声波液位测量超声波液位测量超声波液位测量
39、超声波液位测量 超超声声波波探探头头发发出出超超声声波波脉脉冲冲通通过过介介质质到到达达液液面面，并并经经过过液液面面反反射射后后又又被被探探头头接接收收。测测量量发发射射脉脉冲冲与与接接收收脉脉冲冲的的时时间间间间隔隔和和超超声声波波脉脉冲冲在在介介质质中中的的传传播播速速度度，便便可可以以求求出出探探头头与与液面之间的距离。液面之间的距离。第27页，共44页，编辑于2022年，星期日11.311.3超声波传感器超声波传感器11.3.411.3.4超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用超声波传感器的应用3超声波无损探伤超声波无损探伤 由于微观和宏观缺陷的存在，会大大降低了材料
40、和构件的强度。由于微观和宏观缺陷的存在，会大大降低了材料和构件的强度。为避免造成不必要的损失，因此材料与构件在使用时应该进行检测。为避免造成不必要的损失，因此材料与构件在使用时应该进行检测。对铁磁材料，可采用对铁磁材料，可采用磁粉检测法磁粉检测法；对导电材料，可用；对导电材料，可用电涡流法电涡流法；对非导；对非导电材料还可以用电材料还可以用荧光染色渗透法荧光染色渗透法。而超声波检测、探伤是目前应用十。而超声波检测、探伤是目前应用十分广泛的分广泛的无损探伤手段无损探伤手段，在实际应用过程中受到广泛的欢迎。，在实际应用过程中受到广泛的欢迎。超声波无损探伤主要分为三类：探伤结果以二维坐标图形式给出超
41、声波无损探伤主要分为三类：探伤结果以二维坐标图形式给出A型超声探型超声探伤伤；探伤原理类似于医学上；探伤原理类似于医学上B超的超的B型超声探伤型超声探伤；类似于医学上；类似于医学上CT扫描扫描原理的原理的C型超声探伤型超声探伤。第28页，共44页，编辑于2022年，星期日11.411.4其他新型传感器简介其他新型传感器简介11.4.111.4.111.4.111.4.1半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器1气敏传感器气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体气敏传感器是用来检测气体浓度浓度和和成分成分，并将其转换为电信号的传感器，并将其转换为电信号的传感器，根据电信号的强弱以获得
42、与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进根据电信号的强弱以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警。还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控行检测、监控、报警。还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统，对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。制和报警系统，对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。1）半导体气敏传感器的分类）半导体气敏传感器的分类 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器。按照半
43、导体变化的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器。按照半导体变化的物理特征，可分为非电阻型和电阻型两类。电阻型又可分为表面电阻控制物理特征，可分为非电阻型和电阻型两类。电阻型又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型。型和体电阻控制型。半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按加热方式不同，半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。可分为直热式和旁热式两种。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。第29页，共44页，编辑于2022年，星期日11.411.4其他新
44、型传感器简介其他新型传感器简介11.4.111.4.111.4.111.4.1半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器1 1气敏传感器气敏传感器2）SnO2气敏元件气敏元件 空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏元件的阻值大致保持不变。如果被测气体与敏感元件接触后，元件表面将产生吸附作用，元件的阻致保持不变。如果被测气体与敏感元件接触后，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得
45、知气体的浓度。实验证明实验证明SnO2 中的添加物对其气敏效应有明显影响，添加剂的成分和含量、中的添加物对其气敏效应有明显影响，添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含一温度下，含1.5%（重量）（重量）Pd的元件，对的元件，对CO最灵敏，而含最灵敏，而含0.2%（重量）（重量）Pd时，时，对对CH4最灵敏。最灵敏。3）气敏传感器的应用）气敏传感器的应用 气敏传感器广泛应用于各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。如对气敏传感器广泛应用于各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检
46、测和报警。如对大气污染、气体成分进行检测，对液化石油气、天然气、煤矿瓦斯以及有毒气体大气污染、气体成分进行检测，对液化石油气、天然气、煤矿瓦斯以及有毒气体进行检测与报警，甚至在生活中运用于空调、抽油烟机、烹调装置、酒精浓度探进行检测与报警，甚至在生活中运用于空调、抽油烟机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。测等方面。第30页，共44页，编辑于2022年，星期日11.411.4其他新型传感器简介其他新型传感器简介11.4.111.4.111.4.111.4.1半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器2 2湿敏传感器湿敏传感器 所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量。常用绝对湿度和相对湿
47、度表示大气的干、湿所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量。常用绝对湿度和相对湿度表示大气的干、湿程度。程度。绝对湿度绝对湿度是在一定温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，是在一定温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号一般用符号AH表示。表示。相对湿度相对湿度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在相同温度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，是一个无量纲的值，下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，是一个无量纲的值，一般用符号一般用符号%RH表示。表示。湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组
48、成，能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度变换为电信号的装置。或化学性质变化，将湿度变换为电信号的装置。1）湿敏传感器的分类）湿敏传感器的分类 湿敏传感器种类繁多，有多种分类方式。按元件输出的湿敏传感器种类繁多，有多种分类方式。按元件输出的电参量电参量可分为：电阻式、电可分为：电阻式、电容式、频率式等；按其容式、频率式等；按其探测功能探测功能可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种；可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种；按按材料材料则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电
49、解质式等。则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。根据根据与水分子亲和力与水分子亲和力的相关性，可以将湿敏传感器分为水亲和力型湿敏传感器和非水的相关性，可以将湿敏传感器分为水亲和力型湿敏传感器和非水亲和力型湿敏传感器。亲和力型湿敏传感器。第31页，共44页，编辑于2022年，星期日11.411.4其他新型传感器简介其他新型传感器简介11.4.111.4.1半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器半导体式传感器2湿敏传感器湿敏传感器 2）半导体陶瓷湿敏电阻）半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感
50、器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。通常，半导体陶瓷湿敏的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。通常，半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为电阻按其结构可以分为烧结型烧结型和和涂覆膜型涂覆膜型两大类。按照电阻特性又分为两大类。按照电阻特性又分为负特性负特性和和正特性正特性湿敏电阻。湿敏电阻。3）湿敏传感器的应用）湿敏传感器的应用 湿敏传感器的应用领域非常广阔，可广泛使用于如蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、湿敏传感器的应用领域非常广阔，可广泛使用于如蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合，进行湿度监测、控制和报警。医院等对湿