波和射线式传感器

,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,主要内容,11.1 超声波传感器 11.2 红外线传感器 11.3 核辐射传感器,11.1 超声波传感器,超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，超声波传感器是向空气中发射超声波，再通过探测来自某个物体的反射波检测物体有无或距离； 超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。,人耳能听见的机械波称声波,频率在16Hz20kHz； 频率低于16Hz的机械波称为次声波； 频率高于20KHz的机械波称为超声波; 频率在300MHz 300GHz之间的波称为微波； 超声波是人耳无法听到的，频率超过20kHz的声音。,声波频率界限,11.1.1 超声波及物理特性,当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换； 超声波以直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器； 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米。,11.1.1 超声波及物理特性,超声波的反射和折射,超声波传感器是通过超声波的产生 传播 接收 等物理过程完成。主要功能是产生、接收超声波信号。,超声波的波型及其传播速度, 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,纵波,声速,声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质密度以及声阻抗。 固体的横波声速约为纵波声速的一半，且与频率关系不大。而声表面波约为横波声速的90%。,超声波在空气中传播速度较慢，为344m/s（20时）（电磁波的传播速度为3×108m/s），速度低、波长短，意味着可获得较高的距离方向分辨率。 这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,11.1.1 超声波及物理特性,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面 波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在900-1900m/s。,液体中声速传播速度在9001900m/s，在液体和气体中只有纵波的传播，传播速度与介质密度有关:,11.1.1 超声波及物理特性,由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射100% 的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。,声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关，衰减规律用两个能量描述：,声压,声强,声波与声源之间距离；,衰减系数Np/m（奈培/米）,分别为 X=0 处的声压、声强；,声波随距离增加，声能减弱较快，所以超声波不能进行较远距离传播； 频率高衰减快。,11.1.1 超声波及物理特性,式中：,接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,压电陶瓷的主要性能指标,介电常数：10006000 压电灵敏度D33:300600pC/N 机械品质因素Q:1002000 静电容:1000100000pF（与面积有关) 频率范围： 用于超声清洗:30100KHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器:12MHz,空气超声探头,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,1.1.2 超声波传感器,c)反射式,a）兼用型,不同工作方式的超声波传感器,发射探头（TX）,接收探头（RX）,超声波传感器使用时的两种形式：,反射式 直射式,超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。 由电抗特性可见, fr fa中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中 fr频率低：LCR产生串联谐振频率； fa频率高：LCC产生并联谐振频率； 超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。,超声波传感器等效电路,fr: L、C、R 产生的串联谐振频率fa：L、C、C产生的并联谐振频率,电抗特性,等效电路,C L R,C,超声波传感器的工作原理,在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（40KHz）的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。,11.1.2 超声波传感器,超声波传感器基本电路包括 振荡发射电路、检测电路两部分组成：,超声波传感器发射电路,调整振荡器频率,11.1.3 超声波传感器基本电路,超声波发射电路： 由反向器组成RC振荡器，经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。,超声波传感器 接收电路,超声波检测电路： 接收到的超声波信号极微弱，需要高增益的放大电路用于检测反射波，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。,11.1.3 超声波传感器基本电路,超声波测距集成模块：最大距离600cm，最小距离2cm,发送电路，555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出； 接收电路，放大、检波，信号处理根据被测物体的距离设定反射脉冲时间， 调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。,11.1.3 超声波传感器基本电路,测距原理： 40kHz高频信号与20Hz周期信号,调制成短脉冲群向外发送: 周期 T=1/20=50ms，超声波在空气中传播距离为： 340m/s×50ms= 17m，单程距离：17m/2=850cm 测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号; 用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。 时钟周期 T=1/40kHz=25m 340m/s (n×25s) = 往返距离 单程距离 = 往返距离/2,超声波传感器测距原理,测距原理： 40kHz高频信号与20Hz周期信号 调制成短脉冲群向外发送: 周期 T=1/20=50ms 超声波在空气中传播速度 340m/s×50ms= 17m,17m/2=850cm 测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号; 用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。 时钟周期 T=1/40kHz=25S 340m/s (n×25S) = 往返距离 单程距离 = 往返距离/2,超声波测距原理时序波形示意图,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1.4 超声波传感器应用,超声波物位传感器,超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。 如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。,超声波测流量原理图,超声波流速测量,超声波在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,分别在流体上游和下游放两个传感器, 同时发送、接收，顺流和逆流超声波传播时间分别为:,流体流速远小于超声波在流体中传播速度c ,可求出近似流速：,超声波流速检测(时间差法),超声波流速测量,实际应用中传感器安装在管道外, 传播时间为:,超声波流速检测,这种方法必须求出声速,否则会引入误差。 如何不用声速求流速？,F1发射的超声波先到达T1 F2发射的超声波后到达T2,辛格法流速测量: 发送的超声波由接收器检出后，再发射下一个超声波脉冲，形成连续的脉冲发射状态，脉冲的发射频率为：,超声波流速检测（频率差法）,求出流速：,多普勒流速测量法,多普勒流速测量法: 流体内的微小颗粒物与流体有相同的移动速度，利用超声波遇到物体会产生反射，并且传播频率发生变化；这种多普勒效应可以求出流速: 接收频率f1和发送频率f2的差称多普勒频率f：,超声波流速检测,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度d,超声波测厚指示仪,显示方法：128*32LCD 点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：10009999m./s 测量周期:2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号电池，可连续工作不少于72小时。 使用温度：-10C40C 存储温度：-20C70C 外形尺寸：108*61*25mm 重量:230g(含电池）,超声波液位计原理 根据显示波形计算液位,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,超声防盗报警器,图中的上班部分为发射电路，下半部分为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体法社回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Df,A型超声波探伤,超声探伤计算,设:显示器的x轴为10us/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。 求1）td 及tF 2)钢板的厚度d及缺陷与表面的距离xF,红外传感器按应用可分为： 热成像遥感技术； 红外搜索(跟踪目标、确定位置)； 红外辐射测量；通讯；测距等。,11.2.1 红外辐射,红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已； 一个炙热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。,11. 2 红外线传感器 11.2.1 红外辐射,红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线，波长约0.751000m 。,红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，红外波长比无线电波的波长短，所以红外仪器的空间分辨率比雷达高； 红外波长比可见光的波长长，因此红外线透过阴霾的能力比可见光强。,可见光,红外线,微波,工程上把红外线占据在电磁波谱中的波段分为: 近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。 红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播， 红外线在通过大气层时有三个波段通过率最高： 22.6m, 35m, 814m,因为空气中氮、氧、氢不吸收红外，使大气层对不同的波长红外线存在不同吸收带; 这三个波段对红外探测技术非常重要，遥感红外探测器一般工作在这三个波段。,红外,11. 2 红外线传感器 11.2.1 红外辐射,11. 2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,红外传感器有两部分组成： 1）红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为点源和面源； （红外辐射源基准黑体炉） 2）红外探测器，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。,红外探测器主要有两大类型： 1）热探测器（热电型） 包括有：热释电元件、热敏电阻、热电偶等； 原理：当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化，检测其中一种性能的变化，即可探知辐射的存在和强弱。 2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化； 其中有光敏电阻、光敏管、光电池等。 量子型光子探