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第 9 章 其他传感器

第 9 章 其他传感器. 微波传感器. 红外线传感器. 视觉传感器. 超声波传感器. 生物传感器. 9.1 微波传感器. 微波是电磁波的一部分，它与红外光、可见光、紫外线、 X 射线、 Y 射线、及无线电波一起构成整个连续电磁波谱，其波长为 1mm ～ 1m. 图 9.1 电磁波波谱. 9.1.1 微波的性质与特点. 微波特点. (1) 定向辐射装置容易制造； (2) 遇到各种障碍物易于反射； (3) 不易产生绕射； (4) 传输过程中受烟雾、灰尘、强光等影响小； (5) 传输介质对微波有吸收作用并与其介电常数成比例

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第 9 章 其他传感器

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  1. 第9章 其他传感器 微波传感器 红外线传感器 视觉传感器 超声波传感器 生物传感器

  2. 9.1 微波传感器 微波是电磁波的一部分，它与红外光、可见光、紫外线、X射线、Y射线、及无线电波一起构成整个连续电磁波谱，其波长为1mm～1m 图9.1 电磁波波谱

  3. 9.1.1 微波的性质与特点 微波特点 (1)定向辐射装置容易制造； (2)遇到各种障碍物易于反射； (3)不易产生绕射； (4)传输过程中受烟雾、灰尘、强光等影响小； (5)传输介质对微波有吸收作用并与其介电常数成比例 （6）水对微波的吸收作用明显

  4. 9.1.2 微波振荡器与微波天线 • 微波振荡器是产生微波的装置 • 微波波长很短,频率范围为300MHz～300GHz. • 微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管传输，并通过天线发射出去

  5. 9.1.2 微波振荡器与微波天线 常用微波天线结构 图9.2 常见微波天线

  6. 9.1.3 微波传感器及其分类 • 微波传感器是用微波特性来检测物理量的装置 • 微波传感器可分为反射式和遮断式两种 (1)反射式微波传感器 通过检测被测物反射回来的微波功率或从发射微波到接收微波的时间间隔来测量被测物的位置、厚度等参数

  7. 9.1.3 微波传感器及其分类 (2) 遮断式微波传感器 通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置等参数

  8. 9.1.4 微波传感器的应用 1 微波液位计 由相互构成一定角度、相距为s的发射天线与接收天线组成 图9.3 微波液位计示意图

  9. 天线接收到的功率Pr为 式中： d——两天线与被测液面间的垂直距离； Pt——发射天线发射的功率； Gt——发射天线的增益； Gr——接收天线的增益； S——发射天线与接收天线之间的直线距离

  10. 当发射功率、波长、增益均为恒定值时 可改写为: Kl——取决于波长、发射功率和天线增益的常数； K2——取决于天线安装方法和安装距离的常数

  11. 微波物位计示意图 2 微波物位计

  12. 3 微波测厚仪 该测厚仪是利用微波在传播过程中遇到金属表面被反射的特性进行厚度测量

  13. 9.2 红外传感器 9.2.1 红外辐射的基本知识 1 红外辐射概念 指的是波长从0.76～1000μm，相对应的频率大致在4×10～3×10Hz之间的红外光. 红外光在电磁波谱中的分布

  14. 9.2 红外传感器 9.2.1 红外辐射的基本知识 （1） 红外光 分为三个区域：近红外区、中红外区、远红外区

  15. 9.2 红外传感器 9.2.1 红外辐射的基本知识 （2） 红外辐射波速 红外辐射的物理本质是热辐射 在真空中的传播速度如下式: c=λƒ m/s。 λ——红外辐射的波长(μm)； ƒ——红外辐射的频率(Hz)； c——光在真空中的传播速度，c=3╳108m/s

  16. （3） 红外线透射率曲线 波长为1～2.5μm 、３～5μm 、8～14μm区域的红外光具有比较大的“透射率”． 即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。

  17. 根据辐射源几何尺寸的大小分为点源和面源 2 红外辐射源 面源： 充满红外光学系统视场的辐射源叫 点源： 没有充满红外光学系统现场的大面源叫 图9.7 点源热辐射

  18. 辐射强度 辐射强度J是点源在某一指定方向、单位立体角内发射的辐射功率 Ω为立体角， P为立体角Ω内的发射功率 点源的幅射强度J仅与方向有关，而与源面积无关

  19. 9.2.2 红外辐射的基本定律 1 基尔霍夫定律 一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能. Er —物体在单位面积和单位时间内发射出辐射能 —该物体对辐射能的吸收系数； E0 —等价于黑体在相同温度下发射的能量， 它是常数

  20. 在单位时间内，其单位面积辐射的总能量E为: 2 斯忒藩—玻尔兹曼定律 T —物体的绝对温度(K) —斯忒藩一玻尔兹曼常数 —比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的=1

  21. （1）热辐射发射的电磁波中包含着各种波长 3 维恩位移定律 （2）物体辐射峰值波长与物体的自身的绝对温度T成反比 （3）峰值波长与绝对温度T关系:

  22. 4 不同温度的辐射光谱分布 图9.8 物体峰值辐射波长与温度关系曲线

  23. 9.2.3 红外传感器 1 热敏红外传感器 热敏红外传感器在吸收红外辐射能后引起某种物理性质的变化： ★ 温差热电变化 ★ 金属或半导体电阻变化 ★ 气体压强变化 ★ 金属热膨胀变化

  24. 9.2.3 红外传感器 2 热敏红外传感器种类 ★ 热敏电阻型红外传感器 ★ 热电偶型红外传感器 ★ 热释电型红外传感器

  25. ▲ 光子红外传感器是根据光电效应原理制成的 3 光子红外传感器 ▲ 光子红外传感器可分为光电导型和光伏特型两种: (1) 光电导型红外传感器 光电导型红外传感器是根据内光电效应制成的 (2) 光伏特红外传感器 光伏特红外传感器是根据光生伏特效应制成的

  26. 9.2.4 红外辐射检测技术的应用 • 红外遥测 红外光电传感器遥测可代替空中照相技术，从空中获取地球环境的各种图像资。 行扫描仪结构示意图 图9.9 红外传感器遥感装置示意图

  27. 红外气体分析仪 根据物质吸收光能特性来进行工作 CO2气体透射光谱图 图9.10 CO2气体透射光谱图

  28. CO2红外气体分析仪的工作原理 图9.11 CO2红外气体分析仪原理图

  29. 9.3 视觉传感器（本节不讲） • 人工网膜 人工网膜是用光电管阵列代替网膜感受光信号，其最简单的形式是3×3光电管阵列。 以数字字符1为例，由3×3阵列得到的正、负像如图9.12所示 图9.12 字符1的3×3正、负像

  30. 输入字符为I，所得正、负像如图9.13所示 • 工作时得到数字字符1的输入，其正、负像可与已储存的图像进行比较， 其结果如表9-1 图9.13 字符I的3×3正、负像

  31. 光电探测器 • 光电探测器件有两种:光导管和光敏二极管 光导管工作机理:其电阻随光照度而变化; 光敏二极工作机理:产生与光照强度成正比的电流

  32. 固态光电探测器件:将单个光敏二极管排列成线性阵列或矩阵阵列，使之具有直接测量或摄像功能;固态光电探测器件:将单个光敏二极管排列成线性阵列或矩阵阵列，使之具有直接测量或摄像功能; • 固态摄影器:做在硅片上的集成电路，硅片上有一个极小的光敏单元阵列和一个存储单元阵列及电荷读出扫描电路; • 固态阵列器件包括:自扫描光敏二极管（SSPD）、电荷耦合器（CCD）、电荷耦合光敏二极管（CCPD）和电荷注入器（CID）等 • 主要区别:电荷形成的方式和电荷读出的方式不同 • 另一种存储单元阵列:模拟移位寄存器

  33. 双目视觉传感器 • 结构:由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成 • 工作原理:基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，如圆孔的中心、三棱顶点位置等;

  34. 机器人视觉 • 机器人的视觉传感器作用的过程如图9.14所示: • 客观世界中三维物体经由传感器(如摄像机)转变为二维的平面图像，再经图像处理，输出该物体的图像 图9.14 视觉作用过程

  35. 9.4 超声波传感器 9.4.1超声波的基本特性 1 超声波的反射和折射 超声波在传播过程中的路线 图9.15 波的反射和折射

  36. 2 入射波速,反射波速与折射波速 -入射角 -反射角 -入射波速 C -反射波速 β-折射角

  37. 超声波的波形及转换 纵波:质点的振动方向与传播方向一致,它能 在固体、液体和气体中传播; 横波:质点的振动方向垂直于传播方向的波, 它只能在固体中传播; 表面波:质点振动介于纵波和横波之间,它只能沿着固体表面传播; • 以上各种波形都符合反射及折射定律，如图9.16所示.

  38. 2 超声波的波形及转换 ●纵波: 质点的振动方向与传播方向一致,它能在固体、液体和气体中传播 ●横波: 质点的振动方向垂直于传播方向的波, 它只能在固体中传播 ●表面波: 质点振动介于纵波和横波之间,它只能沿着固体表面传播

  39. 3 各种波形都符合反射及折射定律 图9.16 波型转换图

  40. —纵波与横波的反射角； —纵波与横波的折射角 —入射介质，反射介质与折射介质内的纵波速度 —反射介质与折射介质内的横波速度 —入射角；

  41. ◆ 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关 4 传播速度 ◆ 超声波的纵波在气体中传播速度为344m/s ◆ 在液体中传播速度在900~1900m/s之间 ◆ 通常认为横波声速为纵波的一半 ◆ 表面波约为横波声速的90%

  42. 超声波在介质中传播时,其能量逐渐衰减,衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关超声波在介质中传播时,其能量逐渐衰减,衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关 5 超声波的衰减 6 距离声源处的声压P和声强I —声源处的声压和声强； e——自然对数的底； a——衰减系数； P，I——距离声源处的声压和声强。

  43. 9.4.2 超声波对传播介质的作用 超声波在介质中传播时，会对介质产生机械作用和热学作用 (1) 机械作用 超声波在传播过程中，会引起介质质点运动而使介质产生交替的压缩和伸张，从而对介质产生了机械力作用 (2) 热学作用 在传播过程中，由于其振动，使介质产生强烈的同频振动，介质之间因振动产生互相摩擦而发热，从而使介质的温度升高

  44. 9.4.3超声波传感器的结构及工作原理 超声波传感器构成:超声波发生器和超声波接收器,主要由压电晶片、吸收块、保护膜等组成; 图9.17 超声波传感器结构示意图

  45. （2）超声波接收：利用顺压电效应原理工作 （1）超声波产生：是利用逆压电效应原理工作 （3）工作原理电路图 图9.18 超声波传感器电路原理图

  46. 9.4.4超声波传感器的应用 1 超声波测厚 超声波测厚常用的是脉冲回波法.超声波探头与被测物体表面接触, 图9.19 脉冲回波法测厚原理图

  47. 工件厚度δ表示为: C--超声波在工件中的传播速度 t--脉冲波从发射到接收的时间间隔

  48. 利用超声波检测汽车后面有无障碍物的装置 2 障碍物探测

  49. 脉冲回波式测量液位的原理图,其测量装置可分为脉冲回波式测量液位的原理图,其测量装置可分为 3 超声波液位测量 ● 单探头气体介质式 ● 单探头液体介质式

  50. 脉冲回波式测量液位的原理图,其测量装置可分为脉冲回波式测量液位的原理图,其测量装置可分为 3 超声波液位测量 ● 双探头液体介质式 ● 双探头气体介质式

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