现代检测技术-新型传感器

现代检测技术新型传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity1．红外辐射：红光以外的光线，波长0.76～1000μm。10987654321123456101010101010101010101101010101010无线微波微波可见光紫外线X射线0.010.390.762.5251000红外线近中远波长/μm任何温度高于绝对零度（-273.16℃）的物体，都会发射或吸收红外线，即红外辐射。当达到热平衡时，散发和吸收的辐射一样多。物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率等。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity2．红外辐射规律：1）基尔霍夫定律：物体向外发射辐射能取决于它的吸收本领。ER——物体在单位面积、单位时间内发出的辐射能；α——物体对辐射能的吸收系数；E0——常数，等价于黑体在相同温度下发射出的辐射能。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity2）斯蒂芬－玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：物体单位面积辐射功率、物体辐射强度W与其热力学温度T四次方成正比：4WT/——比辐射率，非黑体辐射度黑体辐射度——斯蒂芬－玻尔兹曼常数（1）黑体ε=1，在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射；（2）物体辐射强度随温度升高而明显增强；（3）大气对不同波长的红外辐射有不同的穿透程度。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity3）普朗克定律：绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为：红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversitya.随温度升高，峰值辐射波长向短波方向移动，强度按指数增长；b.温度不太高时，辐射波长位于红外区域；c.峰值左侧能量约占25％，右侧约占75％。4）维恩位移定律：光谱辐射通量密度密度峰值波长与物体自身的绝对温度成反比。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity能将红外辐射能转换为电能的装置称为红外传感器，按其工作原理可以分为光敏型（或称光子型、量子型）和热敏型两类。12Rλ光敏型直接把红外光能转换为电能，其工作原理是光电效应。需要在低温下工作、灵敏度很高，响应速度快，但响应红外光的波长范围较窄（图中曲线2）。红外传感器光谱响应曲线红外辐射传感器热敏型将吸收的红外光转变为热能，使器件自身的温度发生变化，包括热电偶式、电阻式和热释电式等。热敏型红外传感器响应的红外光谱范围宽，（图中的曲线1），能在常温下工作，价格便宜。它的响应速度和灵敏度较低。Xi’anJiaotongUniversity以红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类：（1）温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity待测目标大气衰减光学接收器光学调制器红外探测器信号处理系统探测器制冷器显示设备（3）光学接收器：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用的是物镜。（4）辐射调制器：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器。（1）待侧目标：具有红外辐射特性。（2）大气衰减：由于各种气体分子以及溶胶粒的散射和吸收，使待测目标发出的红外辐射发生衰减。典型的红外传感系统Xi’anJiaotongUniversity（5）红外探测器：它是红外传感系统的核心，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。（6）探测器制冷器：由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，探测器可以缩短响应时间，提高灵敏度。（7）信号处理系统：将探测的信号进行放大、滤波，并从中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的格式，传送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备：它是红外传感系统的终端设备，常用的有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。典型的红外传感系统Xi’anJiaotongUniversity多谐振荡信号调理数据采集信号调理透镜滤光片调制盘温度传感器红外探测器步进电机红外测温仪原理框图滤光片采用允许在8～14μm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，透镜焦点落在红外光敏面上，被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，并将红外辐射变换为电信号。例1：红外测温（0-700℃）红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity例2：红外测温（800℃以上的高温）被测物物镜人造黑体测温元件假定人造黑体吸收了由被测物辐射的全部能量，则有：4400TT从而得到：04TT红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity例3：红外热成像红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。红外辐射传感器Xi’anJiaotongUniversity热像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、临床医学、军事等。红外辐射传感器防爆型红外热像仪用于探测地面和井下煤堆自燃温度。矿用本质安全型红外成像生命探测仪用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时工作状态、探测井下各种开关、接头、变压器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热状态等。Xi’anJiaotongUniversity红外热像仪应用贮存罐液位检测内部屋顶检查微观电路检测塑料挤压过程温度检测Xi’anJiaotongUniversity总线节点发热检测耐火材料设备检测电脑主板发热量分布沥青铺路温度分布红外热像仪应用Xi’anJiaotongUniversity机械振动在介质中的传播称为声波，人耳可以听到的声波频率范围是16～20kHz，超过20kHz的声波称为超声波，如图所示。次声波声波超声波音乐语言探测)(101010101010107654321zHf声波频率界限图超声波传感器Xi’anJiaotongUniversity声敏传感器是将在气体、液体或固体介质中传播的机械振动转换为电信号的器件或装置。传统的声敏传感器包括电阻变换型、压电式、电容式等，下面介绍超声波传感器和声表面波（SAW）传感器。3）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。它只能在固体的表面传播。1）纵波：质点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。2）横波：质点振动方向与传播方向相垂直的波称为横波。声波的分类Xi’anJiaotongUniversity以非接触方式工作，特别适用于防爆、放射性、医学等领域应用，也更容易安装和维护。频率高、波长短、绕射现象小；方向性好、能够成为射线而定向传播；对液体、固体的穿透本领很大，在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射式回波，碰到活动物体能产生多普勒效应；传播速度取决于媒质，与超声波频率无关。超声波的特点Xi’anJiaotongUniversity利用压电材料制成，逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电式换能器是利用电致伸缩效应制成的。通过在压电材料上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷和锆钛酸铅等。金属壳吸收块保护膜导电螺杆接线片压电晶片压电式超声波探头结构超声波传感器的结构Xi’anJiaotongUniversity超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。晶片的材料、大小（如直径和厚度）各不相同，因此每个探头的性能是不同的：（1）工作频率：压电晶片的共振频率。当交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。当超声探头的温度比较高时，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感器的性能指标Xi’anJiaotongUniversity超声波压电陶瓷片的形式Xi’anJiaotongUniversity超声波传感器的形式Xi’anJiaotongUniversity超声波传感器的应用各种场合的距离测量；生产线上的工件计数；接近开关；倒车报警装置；机器人自动避障装置；超声波液位/物位计；自动门开关装置；液体、气体的浓度和流量检测；超声波清洗；超声波雾化；探伤、测厚、测密度；医疗器械、美容仪、按摩仪Xi’anJiaotongUniversity超声波传感器的应用h超声波物位传感器检测框图2tvh超声波测物位：通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。包括液位测量、固体料位测量、固－液分界面测量以及液－液分界面测量和液体有无测量等。Xi’anJiaotongUniversity电路传感器1传感器2LvB2B1超声波测流量原理图12221222222LLttcvcvLvLvctttvtcvcL超声波流量传感器超声波传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity传感器1传感器2vD超声波传感器安装位置θsincos1vcDtsincos2vcDt212222tansinDvtttcv22tanDvtc22tancvtD超声波传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity超声波传感器的应用常用超声波流量传感器分类：时差法和多普勒效应法；固定式和便携式；条件传播时间差法多普勒法适用液体水类(江河水，海水农业用水等),油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等含杂质多的水(下水，污水，农业用水等)，浆类(泥浆，矿浆，纸浆化工料浆等)，油类(非净燃油，重油，原油等)重复性误差0.1%-0.3%1%传输电缆长度100-300m,在能保证信号质量的前提下,可以小于100m30m价格较高一般较低Xi’anJiaotongUniversity超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触，主控制器产生一定频率的脉冲信号，脉冲波传到被测工件的另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速v是已知的，设工件厚度为d，脉冲波从发射到接收的时间间隔为Δt，则工件的厚度为：d＝vΔt/2发射电路主控制器扫描电路标记发生器示波器接收放大器换能器试件超声波传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity超声波无损探伤超声波探伤分为穿透法探伤和反射法探伤。穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。该方法结构简单，适合探测薄板；探测灵敏度较低，不能精确定位；对两探头的相对距离和位置要求较严格。高频发生器放大器显示发射探头接收探头工件超声波传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity反射法是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法，具体又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。一次脉冲反射法是以一次底波为依据进行探伤的方法。多次脉冲反射法是以多次底波为依据进行探伤的方法。高频发生器放大器显示探头缺陷工件BTFTB1FB4B3B2T无缺陷波形有缺陷波形超声波传感器的应用Xi’anJia