自動檢測技術第11章--其它傳感器課件

1、第十一章 其他傳感器 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) 新型傳感器概述第五節(jié) 新型傳感器應用實例第一節(jié) 超聲波傳感器 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波，根據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2020000Hz。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。 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。一、超聲波的物理基礎1.超聲波的物理性質2. 超聲波的傳播性質超

2、聲波的傳播速度取決于介質的彈性常數及介質密度。當超聲波以一定的入射角從一種介質傳播到另一種介質時，在兩介質的分界面上，一部分能量反射回原介質稱為反射波；另一部分能量則透過分界面，在另一介質內繼續(xù)傳播，稱為折射波，如圖11-1所示。超聲波的衰減示意圖 為吸收系數；為介質的厚度 二、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。 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械振蕩而產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。 （1）壓電式超聲波發(fā)生器 -利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)

3、象制成超聲頻電信號換能器壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度有關 n為諧波級數，取1，2，3，；c為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與材料密度有關。 (2)磁致伸縮超聲波發(fā)生器 -利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成 磁致伸縮超聲波發(fā)生器產生的頻率只能在幾萬Hz以內，但聲強可達幾千W/cm2。它與壓電式的發(fā)送器比較所產生的超聲波的頻率較低，而強度則大許多。鎳、鐵鈷釩合金等 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)生器的逆變效應進行工作的。換能器接收超聲波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出。同樣，接收傳感器有壓電式和磁致伸縮式兩種。 （1

4、）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生交變電荷，這種電荷先被轉換成電壓，經過放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出結果。而實際使用中，發(fā)送傳感器的壓電陶瓷的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 當超聲波作用到磁致伸縮材料上時，使磁致材料伸縮引起內部磁場變化，根據電磁感應，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 1.超聲波探傷 主要用于檢測板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測量材料的厚度。 （1）穿透法探傷 當工件內部有缺陷時，在缺陷處能量被反射

5、，到達接收探頭的能量損失了一部分。 （2）反射法探傷 當工件內部無缺陷時，超聲波傳到工件底面再反射回來； 當工件內部有缺陷時，超聲波傳到缺陷就反射回來；不同缺陷會造成不同的接收波幅度和周期。 2.超聲波測厚度 厚度計算: 只要測量出超聲波脈沖通過工件的時間t,經過信號處理電路就可以直接讀出工件的厚度。 3.超聲波測液位 只要測量出發(fā)射波和接收波之間的時間間隔，就可以測出探頭到液面的距離。 超聲波測量液位是利用回聲原理進行的，在液位上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器。第二節(jié) 紅外傳感器 紅外傳感器是利用物體產生紅外輻射的特性實現(xiàn)自動檢測的一種傳感器。已經廣泛應用于生產、科研、軍事和醫(yī)療等各個領

6、域。紅外測量技術是發(fā)展檢測技術、遙感技術和空間科學的重要手段。 在電磁波的波譜圖中，可以知道紅外線的頻率（波長）范圍： 一、紅外輻射的產生與性質 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。 紅外線在介質中傳播時，通過介質后的通量I具有衰減特性： 剛射到介質時的通量介質厚度介質常數（如金屬具有特別大的衰減） 二、紅外傳感器 又稱為紅外探測器。 按工作原理，紅外探測器可分為熱電紅外傳感器和光電紅外傳感器兩類。 熱電紅外傳感器是利

7、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。 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。光電紅外傳感器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。 光電紅外傳感器是由光學系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調制器等組成。 1. 透射式紅外探測器 2. 反射式紅外探測器按光學系統(tǒng)分類其光學系統(tǒng)的元件采用紅外光學材料，并且根據所探測的紅外波長來選擇光學材料。在近紅外區(qū)，可用一般的光學玻璃和石英等材料；在中紅

8、外區(qū)，可用氟化鎂、氧化鎂等材料;在遠紅外區(qū)，可用鍺、硅等材料。 （1）透射式紅外傳感器 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。 透射式光學系統(tǒng)獲得透射紅外波段的玻璃比較困難，加工制造難度小。 （2）反射式紅外傳感器次反射鏡 主反射鏡 敏感元件 前置放大器 前置放大器 敏感元件 主反射鏡 次反射鏡 三、紅外傳感器的應用1. 紅外測溫儀 (機械冶金 陶瓷玻璃等高溫行業(yè)) 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的。 紅外氣體分析儀是

9、根據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。 2.紅外氣體分析儀 工作時，兩束紅外線經反射、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4.65m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，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。 鎳鉻加熱絲 紅外光源 同步電機 切光片 濾波氣室 標準氣室 測量氣室 信號處理電路與指示裝置 3. 紅外無損探傷 紅外無損探測分主動式和被動式兩類。某包裝袋封口質量的紅外檢測示意圖

10、 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，如果塑料袋封口中夾雜氣泡、小顆粒、油膩、空隙起皺等缺陷時，都會妨礙熱能的流動而引起溫度分布的異?，F(xiàn)象。通過溫度分布的測量就可判斷出缺陷的位置。第三節(jié) 激光傳感器 激光傳感器可將輸入它的一定形式的能量（光能，熱能等），轉換成一定波長的光的形式發(fā)射出來。 已成功應用于精密測量與加工、軍事、宇航等生產科研領域。 一、激光的本質 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)。 極短時間之后，原子躍遷返回低能級，同時輻射出光子。具有偶然性。 自發(fā)輻射 受激輻射

11、 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，但是，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。 輻射光子的能量 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、相位和振動方向 受激輻射，可以使所激發(fā)出光子的頻率、相位方向均與入射光一致，也可以說是一個光子被放大為兩個光子，如圖所示，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，從而產生激光。 由于光子被激發(fā)放大或被吸收是一個動態(tài)

12、過程，光子在媒介中傳播的過程中，也可能被原子吸收而逐漸減少，被稱為光的吸收。光的放大光的吸收 光的放大和吸收是同時進行的，至于最終光是放大還是減小，取決于哪一種運動更激烈。二、激光的形成原理1.粒子數反轉分布 要想獲得光的放大，必須使得光的放大運動更激烈。物質內部粒子數與能量分布方程為：絕對溫度波爾茲曼常數 對于T0的任何值，只要E2E1,就有N1N2，即處于高能級上的粒子數大于處于低能級的粒子數。此時光的放大是主要的。介質才能以發(fā)射光子為主。被稱為粒子數反轉。這是形成激光的第一個條件。 E1能級的粒子數N1，E2能級的粒子數N2正常狀態(tài) 激發(fā)狀態(tài) 低能級E1 高能級E2 高能級E2 低能級E

13、1 2. 光的振蕩放大 由外界激發(fā)引起粒子數反轉分布而形成的光的放大，這些光子是射向各個方向的，受激輻射將無法持續(xù)下去。必須在一個光學共振腔中才能實現(xiàn)光振蕩放大。 光學共振腔（謝振腔）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果，而粒子數反轉分布則是形成激光的必要前提條件。 三、激光的特點 1.高方向性 2.高亮度 3.單色性好（頻率高度一致） 4.高相干性（能產生穩(wěn)定干涉條紋） 四、激光傳感器 1.氣體激光器 一般原理惰性氣體原子、金屬蒸氣

14、、氣體離子等氦氖激光器氦氖內腔式 外腔式 2.液體激光器 它的工作物質是液體?？煞譃橛袡C液體染料激光器、無機液體染料和聚合物激光器等。較為重要的是有機液體染料激光器。 其特點是它發(fā)出的激光波長可在一定的波段內連續(xù)可調?？蛇B續(xù)工作而不降低效率。3.固體激光器 它的工作物質是固體。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（簡稱YAG激光器）和銣玻璃激光器等。 工作方式：在共振腔內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上。 各種聚光腔固體激光器的一般結構示意圖 4.半導體激光器 半導體激光器是在固體和氣體激光器之后發(fā)展起來的一種激光器。它的工作物質是某些性能適合的

15、半導體材料，如砷化鎵、磷化銦等。砷化鎵激光器可以做成二極管形式，在PN結中注入能量，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。 半導體激光器的主要特點重量非常輕，結構緊湊，轉換效率很高，輸出功率比較小，受環(huán)境溫度影響比較大等。主要用于飛機、軍艦、坦克、火炮上瞄準、測距等方面。 砷化鎵激光器五、激光的應用1.激光測量長度（邁克爾遜干涉儀）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，經光電倍增管放大后，計數得到干涉條紋數。N-干涉條紋數n為空氣折射率 真空中光波波長 可動反射鏡的移動位移 :2.激光測距 激光測距的原理：首先測量激光射向目標，而后又經目標反射到

16、激光器，測出激光往返一次所需的時間間隔，則探測器到目標距離為：3.激光測速激光測速是利用光的多普勒效應。 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，此時，多普勒頻移運動體的運動速度 光源光波波長 只要能測得多普勒頻移fd，則可求得物體運動速度v。 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。激光器 聚焦透鏡 流體中的運動粒子 管道 接收透鏡 平面鏡 分光鏡 光電倍增管 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，傳感器在科學技術領域、工農業(yè)生產以及日常生活中

17、發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的傳感器技術在精度、靈敏性、集成度、可靠性等方面已經逐漸不能滿足要求。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、新材料和新技術的研究更加深入廣泛，傳感器新品種、新結構、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。一、微型化傳感器 隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展，傳感器的生產制造引入了許多新工藝并實現(xiàn)了規(guī)?；a，這為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術支撐。 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-Mechanical

18、Systems 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、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)。 二、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，以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能，它的應用使傳感器技術提高到一個新的水平，發(fā)展到一個嶄新的階段。 三、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

19、，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。四、傳感器網絡 傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，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，并通過無線通信網絡將所感知信息傳送到用戶終端。傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有重

20、要的科研價值和巨大實用價值，已經引起了世界許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視，被認為是將對二十一世紀產生巨大影響力的技術之一。第五節(jié) 新型傳感器應用實例一、功能要求1）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。2）使用五位LED數碼管動態(tài)顯示溫度值，溫度精確到小數點后兩位。3）設計單片機和DS18B20的接口電路及相應軟件。二、系統(tǒng)硬件 根據設計要求，實時溫度檢測系統(tǒng)硬件由智能化集成溫度傳感器DS18B20、單片機AT89C2051和顯示元件三部分組成，系統(tǒng)硬件原理圖如圖11-27所示。1、DS18B20的內部結構 溫度傳感器DS18B20是美國DALAAS公司生產的一種高精度單總線溫度傳感器，屬于智能化集成溫度傳感器。本節(jié)將具體介紹DS18B20工作原理及使用方法。 DS18B20的內部結構圖如圖11-28所示。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。 ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，這是生產廠家給每一個出廠的DS18B20命名的產品序列號，也可以作為該溫度傳感器的地址序列號。其作用是使得每一個出廠的DS18B20地址序列號都各不相同，從而實現(xiàn)在一根總線上掛接多個DS1