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1、传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器本章内容本章内容 11.1 11.1 光纤传感器光纤传感器 11.2 11.2 超声波传感器超声波传感器 11.3 11.3 红外传感器红外传感器 11.4 11.4 核辐射传感器核辐射传感器 传感器技术及应用第11章新型传感器学习目标学习目标 了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用。了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参数、掌握超声传感器的典型应用。掌握红外辐射的特点和红外探测的机理、红外传感器的应用。了解核辐射的基础知识、核辐射传感器的原理及应用。传感器技术及应用第11章新型传感器 11.1 光纤传感器 11.
2、1.1 11.1.1 光纤结构光纤结构 光纤，是一种多层介质结构的对称圆柱体，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包层和涂敷层，它的外形与结构如图11-l所示。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤的传输基于光的全内反射。设有一段圆柱形的光纤，如图11-2所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成 i角时，在端面发生折射进入光纤后，又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会投射出界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一
3、端射出，这就是光纤的传光原理。传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器11.1.2 光纤传感器的类型与原理光纤传感器的类型与原理1类型类型（1）传光型光纤传感器在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件来完成。如图11-3所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-3 传光型光纤传感器组成示意图1被测对象；2光源；3光探测器；4光纤；5光敏感元件传感器技
4、术及应用第11章新型传感器（2）传感型光纤传感器传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的，如图11-4所示。传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器 2光纤传感器的调制原理光纤传感器的调制原理 1）光强调制利用被测量直接或间接改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为光强调制。例如，微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。在这类传感
5、器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形器件组成，例如一对锯齿板，如图11-5（a）所示。相邻齿之间的距离决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到压力作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，从而引起光强调制。传感器技术及应用第11章新型传感器（a）（b）图11-5 微弯光纤传感器（a）微弯光纤传感器原理图；（b）光纤微弯曲对传播光的影响1裸光纤；2机械变形器传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器3）波长调制利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变化来测量各种物理量，称为波长调制。波长调制技术比光强调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，通常要使用分光仪。但
6、是，采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。波长调制技术的优点在于它对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏感，该方法广泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析，以及用在光学滤波器上。传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器 图11-6 多普勒效应示意图传感器技术及应用第11章新型传感器 3光纤传感器的特点光纤传感器的特点（1）传光性能、电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可在强电磁干扰下完成传统传感器不能完成的某些参量的测量，特别是电流、电压测量，损耗小于0.2dB/km。（2）质量轻、体积小、可挠性好，光波传输无电能和电火花，在恶劣
7、环境下，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性的环境中安全工作。（3）频带宽、动态范围大、对被测对象不产生影响，可进行非接触式、远距离测量，有利于提高测量精确度。传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器（a）（b）图11-7 反射式光纤位移传感器（a）原理图；（b）接收相对光强与距离的关系特性曲线1光源；2发射光纤；3被测物；4接收光纤；5光敏元件传感器技术及应用第11章新型传感器图11-8（a）所示是利用挡光原理测位移，图11-8（b）所示是利用改变斜切面间隙大小的原理测位移。这两种方法更为简单，但可测范围及线性不如反射法。
8、光纤位移传感器测量范围为0.05mm0.12mm，分辨率为0.01mm。光纤微位移传感器可测量位移为0.08nm，动态范围为110dB。传感器技术及应用第11章新型传感器（a）（b）图11-8 光纤位移传感器的其他形式（a）利用挡光原理测位移；（b）利用改变斜切面间隙大小测位移1光纤1；2挡板；3光纤2；4光敏元件；5缝隙；6光源；7可动光纤；8斜切间隙；9固定光纤传感器技术及应用第11章新型传感器11.2.1 超声波传感器的工作原理与结构超声波传感器的工作原理与结构1超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应分为正压电效应和逆压电效应。超声波传感器
9、是可逆元件，超声波发送器就是利用逆压电效应的原理。图11-10所示为采用双压电晶片超声波传感器示意图。若在发送器的双压电晶片（谐振频率为40KHZ）上所施加频率为40KHZ的高频电压，压电陶瓷片1、2就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是发射频率为40KHZ的超声波。11.2 超声波传感器传感器技术及应用第11章新型传感器图11-10 双压电晶片超声波传感器示意图1、2压电陶瓷片传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器（a）（b）图11-11 超声波传感器的典型外形和表示符号（a）典型外形 （b）表示符号1金属网；2外壳；3标签传感器技术及应用第11章新型传感器（
10、a）（b）（c）图11-12 超声波探头结构示意图（a）单晶直探头 （b）双晶直探头（c）斜探头1接插件；2外壳；3阻尼吸收块；4引线；5压电晶体；6保护膜；7隔离层；8延迟块；9有机玻璃斜楔块；10耦合剂；11试件1）以固体为传导介质的超声探头传感器技术及应用第11章新型传感器2）以空气为传导介质的超声探头（a）（b）图11-13 空气传导型超声发生、接收器结构（a）超声发射器（b）超声接收器 1外壳；2金属丝网罩；3锥形共振盘；4压电晶片；5引脚；6阻抗匹配器；7超声波束传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器（a）（b）图11-14 直探头探伤示意图（a）有缺
11、陷超声波的反射 （b）有缺陷时显示波形传感器技术及应用第11章新型传感器2）斜探头探伤斜探头探伤示意图如图11-15所示。在直探头探伤时，当超声波束中心线与缺陷截面垂直时，探测灵敏度最高。但如遇到图11-15所示方向的缺陷时，就不能真实反映缺陷的大小，甚至有可能漏检。这时若用斜探头探测，可提高探伤效率。传感器技术及应用第11章新型传感器传感器技术及应用第11章新型传感器2超声波测物位超声波测物位图11-16所示给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图11-16（a）所示。由于超声波在液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲
12、幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图11-16（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-16 几种超声波物位传感器的结构原理示意图（a）换能器设置于液面下；（b换能器设置于液面上传感器技术及应用第11章新型传感器单换能器:双换能器:传感器技术及应用第11章新型传感器3超声波测厚度超声波测厚度图11-17所示为便携式超声测厚仪示意图，它可用于测量钢及其他金属、有机玻璃、硬塑料等材料的厚度。双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射回来，并被右
13、边的压电晶片所接收。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-17 超声波测厚原理1双晶直探头；2引线电缆；3入射波；4反射波；5试件；6测厚显示器设定键传感器技术及应用第11章新型传感器4超声波防碰撞电路超声波防碰撞电路图11-18所示为超声波防碰撞电路，电路采用LM1812并由时基电路来控制LM1812的发射和接收（LM1812既发射又接收）。控制距离可用5K的电位器来调节，一般可控制23m.时基电路组成单稳态电路，当达到报警距离时，时基电路的2脚输入一低电平（相当于Ucc/3），单稳态电路被触法，3脚输出高电平，VL点亮的同时，电子蜂鸣器HA也发声报警。本电路超声波发射/接收传感器采用T
14、/R-40系列。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-18 超声波防碰撞电路传感器技术及应用第11章新型传感器11.3.1 红外辐射介绍红外辐射介绍红外线是一种不可见光是太阳光谱的一部分，实质上是一种电磁波。波长范围在0.751000之间，其中近红外线波长范围在0.751.4。红外辐射是由于物体内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的。在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。11.
15、3 红外传感器传感器技术及应用第11章新型传感器11.3.2 红外线传感器红外线传感器红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件，通常称为红外探测器。热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数发生相应的变化的原理研制成的。通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型和热释电型等几种。光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化的原理研制成的。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电探测器和内光电探测器两种。传感器技术及应用第11章
16、新型传感器11.3.3 红外传感器的应用红外传感器的应用1红外线测温仪红外线测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。图11-20中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8m14m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-20 红
17、外测温仪方框图1红外探测器；2步进电机；3温度传感器；4调制盘；5滤光片；6透镜传感器技术及应用第11章新型传感器2红外线防盗报警器红外线防盗报警器红外线反射式防盗报警器采用反射式红外探测组件（其最大探测距离可达12m）来触发报警器，当检测到盗情时，报警器会发出逼真的“狗叫”声，提醒主人有异常情况发生。在正常情况下，ICl输出低电平，IC2不能触发工作，扬声器BL不发声。当有外人进入ICI的警戒探测区域时，ICl发射的红外线信号经人体反射回来。ICl接收到人体反射回来的红外信号并对该信号进行处理后，输出高电平触发信号，使IC2受触发工作，输出音效电信号。该电信号经IC3功率放大后驱动BL发出响
18、亮的“狗叫”声，提示主人有异常情况发生。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-21 红外线防盗报警器传感器技术及应用第11章新型传感器3热释电红外线人体探测器热释电红外线人体探测器1）热释电红外线灯光自动控制红外线灯控器由热释电红外线传感器作为人体接近感知器件，使灯控器可实现“人来灯亮，人走灯灭”的功能，特别适用于宾馆、机关、居民住宅楼楼道及家庭使用。当热释电红外传感器检测到人体红外信号时，它将输出微弱的电信号至ICl的10脚，经ICl内部两级放大器放大后，再经电压比较器与其设定的基准电压进行比较，然后输出高电平，经延时处理后由ICl的2脚输出，驱动VTl使继电器K工作，其常开触点K接通电
19、灯电源，点亮电灯。当人离去时，2min后灯光自行熄灭。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-22 热释电红外线灯光自动控制电路传感器技术及应用第11章新型传感器2）热释电自动门控制电路图11-23所示为热释电自动门控制电路原理图。人体移动探测采用HN911新型热释电红外线探测模块。VF用作延时控制，通过调节电位器RP便可改变延时控制的时间。MOC3020光耦合器起交直流隔离作用。当无人行走时，HN911的l脚为低电平，VF无控制信号输，双向晶闸管VTH关断，负载电动机不工作，门处于关闭状态。当有人接近自动门时，HN911检测到人体辐射的红外能量，输l脚为高电平，双向晶闸管VTH导通，负载电
20、动机工作，打开自动门。当自动门运行到位时由限位开关SQ切断电源。由于HN911的2脚输出的电平正好与其1脚电平相反，故可用2脚的输出控制自动门的关闭。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-23 热释电自动门控制电路传感器技术及应用第11章新型传感器11.4.1 核辐射及其性质核辐射及其性质具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出 射线、射线、射线、x射线等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。放射源的强度是随着时间按指数定理而减小的，即 J=J0et 11.4 核辐射
21、传感器传感器技术及应用第11章新型传感器1 射线射线放射性同位素原子核中可以发射出 粒子。粒子的质量为4.002775u（原于质量单位），它带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种 粒子流通常称作 射线。在检测技术中，射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用，但以电离效应为主，用 粒子来使气体电离比其他辐射强得多。传感器技术及应用第11章新型传感器2 射线射线 粒子的质量为0.000549u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为十万电子伏特到几兆电子伏特。粒子的运动速度均较 粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。射线与射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据 辐射吸收来测量材
22、料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用 粒子很大的电离能力来测量气体流。传感器技术及应用第11章新型传感器3 射线射线原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为 衰变（或称 跃迁）。发生 跃迁时所放射出的射线称 射线或 光子。与 射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据 辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。传感器技术及应用第11章新型传感器11.2.2 核辐射探测器核辐射探测器核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射
23、传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转化为电信号，从而探测出射线的强弱和变化。1电离室电离室电离室是利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器，它的重要部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。气体可以是空气或某些惰性气体。传感器技术及应用第11章新型传感器如图11-24所示，在电离室两侧放置相互绝缘的电极板，电极间加上适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射的作用下，电离室中的气体介质即被电离，离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流。核辐射强度越大，在电离室产生的离子对越多，产生的电流亦越大。在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。
24、为了使两个电离室的特性一样，以减少测量误差，通常设计成差分电离室，如图11-25所示。传感器技术及应用第11章新型传感器 图11-24 电离室的结构示意图 图11-25 差分电离室 1集电极；2外壳；3高电阻传感器技术及应用第11章新型传感器2正比计数管正比计数管正比计数管的结构如图11-26所示。它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，由于在芯线近旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其他气体分子和原子而产生新的离子对。此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。由于放大而产
25、生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生的电子，正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。传感器技术及应用第11章新型传感器 图11-26 正比计数管的结构 图11-27 盖革弥勒计数管1芯线电极；2圆筒形阴极 1阳极；2阴极传感器技术及应用第11章新型传感器3盖革盖革弥勒计数管弥勒计数管盖革弥勒计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于它工作在气体放电区域，具有放大作用。其结构如图11-27所示。计数管以金属圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为
26、阳极，筒和丝之间用绝缘体隔开。计数管内充有氩、氦等气体。盖革弥勒计数管由于有气体放大作用，所产生的电流比电离室的离子流大好几千倍，因此它不需要高电阻，其负载电阻一般不超过1M，输出的脉冲一般为几伏到几十伏。图11-28所示为计数管的特性曲线。传感器技术及应用第11章新型传感器4闪烁计数器闪烁计数器物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成，如图11-29所示。传感器技术及应用第11章新型传感器 图11-28 盖革弥
27、勒计数管特性曲线 图11-29 闪烁计数器 1铝壳；2光电倍增管；3阳极；4联级；5光阴极；6橡胶板；7闪烁体传感器技术及应用第11章新型传感器5半导体探测器半导体探测器半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。由于荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止，入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而x射线或 射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。传感器技术及应用第11章新型传感器11.2.3 核辐射传感器的应用核辐射传感器
28、的应用1核辐射测厚仪核辐射测厚仪核辐射传感器可用来检测厚度、液位、物位、速度、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。以下举例说明。核辐射测厚仪是利用射线的散射与物质厚度的关系来测量物质厚度的。图11-30所示为利用差动和平衡变换原理测量钢带镀锡层的厚度测量仪。传感器技术及应用第11章新型传感器图11-30 利用差动和平衡变换原理测量钢带镀锡层厚度的测量仪1电离室1；2电离室2；3挡板；4电动机；5辊子；6辅助放射源；7钢带；8锂层；9放射源传感器技术及应用第11章新型传感器图11-30中两个电离室外壳加上极性相反的电压，形成相反的栅极电流，使电阻R上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室
29、l的辐射强度取决于辐射源的放射线经镀锡层厚度的反向散射，电离室2的辐射强度取决于辅助放射源镀锡层厚度的反向散射和辅助放射源的辐射线经挡板位置的调制程度。利用R上的电压，经过放大器放大后，控制电动机转动以此带动挡板发生位移，使电极电流相等。用检测仪表测出挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。传感器技术及应用第11章新型传感器 本本 章章 小小 结结本章主要学习了光纤、超声波、红外线和核辐射这四类新型的传感器，讨论了它们的工作原理，介绍了它们的结构类型，讲解了它们在工程测量和生产、生活中的应用情况。光纤传感器主要利用光纤特殊的传光性能，通过某种手段将被测信号转换成特定的光线，然后在光纤中进行无损传输
30、。因此，光纤在检测中主要还是作为光信号的传输介质来使用的。实际意义上的光纤传感器就是将其作为第三元件，通过它把被测量转换成脉冲信号，实现测量位移、振动频率、转速等。传感器技术及应用第11章新型传感器 超声波传感器是利用超声波在传播过程中强大的穿透力，广泛用于结构件的内部质量检测的控制，在医疗仪器中也得到了很多的应用。红外线传感器是利用某些特殊的材料能吸收物体辐射出来的红外线而产生微弱的电信号，从而实现对被测物体的温度测量或者对被测物体的监控。核辐射传感器的工作原理是基于射线通过物质时产生的电离作用，或利用射线能使某些物质产生荧光，再配以光电元件，将光信号转变为电信号。利用这些原理可以对气体成分、材料厚度、物质密度、物位等参数进行测量。传感器技术及应用第11章新型传感器 思考题与习题思考题与习题11-1 光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？11-2用超声测厚仪测量工件的厚度，若已知超声波在工件中的声速c=5640m/s，测得的时间间隔t为22s，试求其工件厚度。11-3 根据学过的知识设计一个超声波探伤实用装置（画出原理框图），并简要说明它探伤的工作过程。11-4 常用的光探测型红外传感器有哪些？11-5 红外光电开关有哪些优越的开关特性？11-6 常用的四种核辐射源是什么？核辐射的特性有哪些？传感器技术及应用第11章新型传感器回去总结