傳感器技術及應用（第2版）第10章波式與射線式傳感器紅外傳感器1.2超聲波傳感器10.110.2微波傳感器10.310.4第10章波式與射線式傳感器2激光傳感器10.5核輻射傳感器10.6本章小結本章內容引出3本章介紹超聲波式、紅外式、微波式、激光式和核輻射式等五種類型的波式與射線式傳感器，這類非接觸式傳感器可以實現(xiàn)精確、快速、自動無損檢測各種參數(shù)，應用于多種場合，如雷達、遙感、紅外跟蹤、警戒、工業(yè)探傷和材料成分分析等。10.1超聲波傳感器4超聲波的類型5聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同，超聲波的波形也不同，按傳播方式通?？煞譃橐韵氯N：橫波是質點振動方向與波的傳播方向垂直的波，它只能在固體中傳播，主要用于檢測物體的表面缺陷。縱波是質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播，主要用于檢測物體的內部結構。表面波是質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?，主要用于檢測物體的表面缺陷。超聲波的物理性質6超聲波的波速超聲波在氣體、液體中的傳播速度：在常溫下，超聲波在空氣中的傳播速度為334m/s在水中的傳播速度約為1440m/s超聲波在固體中的傳播速度在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關系，通常認為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波的聲速約為橫波聲速的90%。在常溫下，超聲波在鋼鐵中的傳播速度約為5000m/s。ρ—介質的密度Ba—絕對壓縮系數(shù)（10-1）超聲波的物理性質7超聲波的反射與折射當聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩種介質的分界面上一部分被反射回原介質的波稱為反射波，另一部分透過分界面在另一種介質內部繼續(xù)傳播的波稱為折射波。超聲波的物理性質8超聲波的反射與折射反射定律入射角α與反射角α’的正弦之比等于入射波速度c1與反射波的速度c2之比。折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波在介質1中的波速c1與折射波在介質2中的波速c2之比，即圖10-1波的反射與折射超聲波傳感器的性能9工作頻率壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用的功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。靈敏度主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波傳感器的應用10當A為發(fā)射換能器，B為接收換能器時。超聲波為順流方向傳播，順流傳播時間t1為當B為發(fā)射換能器，A為接收換能器時。超聲波為逆流方向傳播，逆流傳播時間t2為超聲波順、逆流傳播時間差為可得被測流體的平均流速為×管道截面積流量1.超聲波測流量2.無損探傷超聲波傳感器的應用11超聲波透射型探傷：根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內部質量。優(yōu)點指示簡單，適用于自動探傷可避免盲區(qū)，適宜探測薄板缺點探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位對兩探頭的相對位置要求較高超聲波測流量無損探傷圖10-3透射型探傷原理圖超聲波傳感器的應用12超聲波反射型探傷：根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。超聲波測流量無損探傷圖10-4反射型探傷原理圖10.2紅外傳感器13紅外輻射概述14紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，因其光譜位于可見光中的紅色光之外，故稱紅外線。紅外輻射本質上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于熱力學溫度0K（-273℃），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現(xiàn)的，物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外輻射最大的特點是具有光熱效應，處于光譜中最大光熱效應區(qū)，因此又將紅外輻射稱為熱輻射。紅外輻射概述15紅外線具有以下特征：在近紅外區(qū)時，具有可見光的某些特征，如直線傳播、反射、折射、散射、衍射等；在遠外紅區(qū)時，具有較強的穿透能力，能穿透大部分半導體和一些塑料等不透明物質。紅外線在介質中傳播會產生衰減，特別是在金屬中傳播時衰減很大。大部分液體對紅外線吸收很大；氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶。紅外線具有良好的隱蔽性和保密性，環(huán)境光線對它影響很小，抗干擾能力強。紅外傳感器的工作原理16紅外傳感器是將紅外輻射能轉換為電能的一種光敏元件，通常稱為紅外探測器。常見的紅外探測器有兩類：熱探測器和光探測器參數(shù)熱探測器光探測器波長范圍所有波長只對狹小波長范圍靈敏度高響應時間ms以上ns級探測性能與器件尺寸、形狀、工藝有關與器件尺寸、形狀、工藝無關適用溫度無需冷卻多數(shù)需要冷卻紅外傳感器的工作原理17根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外傳感器還可分為主動型和被動型兩種：主動型紅外傳感器包括紅外發(fā)射器和紅外接收器，它們配套使用可組成一個完整的紅外線發(fā)送與接收遙控系統(tǒng)。被動型紅外傳感器只有接收傳感器，在背景物體紅外特性穩(wěn)定的狀態(tài)下，用于檢測背景中出現(xiàn)突變的紅外特性。紅外傳感器的應用18紅外無損檢測技術主要基于紅外輻射理論，對物體內部能量流動情況進行測量，最后使用紅外熱像儀顯示檢測結果，在直觀上對缺陷進行判定的一種方法。在實施無損檢測時，向試件注入熱量，當試件內部存在缺陷時，就會在試件有缺陷區(qū)和無缺陷區(qū)形成溫差。由于試件局部溫差的存在，必然導致紅外輻射強度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測出溫度的變化狀況，進而判斷缺陷的情況。1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控紅外傳感器的應用

191.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控圖10-5缺陷表面溫度分布圖紅外傳感器的應用

20紅外無損檢測裝置根據(jù)是否需要外加激勵源可分為主動式和被動式兩種：主動式紅外檢測：人為地為被測物體注入（或移出）熱量，被測物體內部溫度不必達到穩(wěn)定狀態(tài)，探測物體表面熱量或熱流變化規(guī)律，并以此分析判斷物體有無缺陷。被動式紅外檢測：不需要加載熱源，通過探測被測物自身紅外輻射的強弱或分布情況來判斷內部有無缺陷。圖10-6紅外無損檢測系統(tǒng)原理框圖1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控紅外傳感器的應用

21在探測器前端安裝有光學鏡頭，當有人體經過或移動時，人體輻射的紅外線經光學透鏡傳遞給熱釋電元件。傳感器將熱-電轉換信號送放大器放大，1.5MΩ反饋電阻可調節(jié)放大器的放大倍數(shù)，二極管D與電阻、電容組成低通濾波器。當信號幅值達到某一限定值時，可用比較器控制輸出驅動蜂鳴器報警。1.紅外無損檢測2.紅外監(jiān)控圖10-7熱釋電紅外報警控制電路原理10.3微波傳感器22微波概述23微波：波長介于紅外線和無線電波之間的電磁波，其頻率范圍大約300MHz~300GHz之間，所對應的波長為1mm~1m之間，可以細分為分米波、厘米波、毫米波三個波段。微波既具有電磁波的性質，又與普通的無線電波及光波不同，是一種波長相對較長的電磁波。其特點如下：微波易于產生，發(fā)射裝置容易制造定向性好，遇到障礙物容易反射，繞射能力差介質對微波能量的吸收與介質的介電常數(shù)成正比例傳輸損耗小，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光等影響很小微波傳感器的原理及構成24微波傳感器是利用微波特性來檢測一些物理量的器件，可感應物體的存在、移動速度、距離、角度等信息。由發(fā)射天線發(fā)出微波，該微波信號在傳播過程中遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收透過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將其轉換成電信號，再經過信號調理電路后顯示出被測量，就實現(xiàn)了微波檢測。微波傳感器的原理及構成25微波傳感器通常由微波振蕩器、微波天線和微波檢測器三部分組成。微波振蕩器是產生微波的裝置。通常構成微波振蕩器的器件有調速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應管。由微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管（波長在10cm以上可用同軸電纜）傳輸?shù)桨l(fā)射天線，并發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波波束具有較小的發(fā)散角度和尖銳的方向性，天線要有特殊的結構。常用的天線結構有喇叭形、拋物面等。（a）圓錐形喇叭天線

（b）旋轉拋物面天線圖10-8常用的微波天線

微波傳感器的分類26根據(jù)微波的傳輸特性，可將微波傳感器分為以下兩類：反射式微波傳感器：通過檢測被測物反射回來的微波功率或經過的時間間隔來實現(xiàn)被測量的檢測，通?？梢詼y量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。遮斷式微波傳感器：利用微波穿透物體時損耗特性的不同來實現(xiàn)檢測目的，它通過檢測接收天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置、被測物的含水量等參數(shù)。微波傳感器的特點27實現(xiàn)了非接觸測量，檢測速度快，靈敏度高，可以進行動態(tài)檢測和實時處理，便于自動控制；有極寬的頻譜（波長1mm~1m）可供選用,可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；可以在惡劣的環(huán)境條件下檢測，如煙霧、粉塵、高溫、高壓、有毒、有放射線等環(huán)境條件下工作；輸出信號可以方便地調制在載頻信號上進行發(fā)射與接收，傳輸距離遠，便于實現(xiàn)遙測與遙控。微波傳感器的不足之處是零點漂移，不易標定，測量環(huán)境（溫度、氣壓、取樣位置等）對測量結果影響較大。微波傳感器的應用28微波多普勒傳感器是利用雷達將微波發(fā)射到被測對象，并接收返回的反射波來實現(xiàn)測量的。若對以相對速度v運動的物體發(fā)射微波，由于多普勒效應，反射波的頻率發(fā)生偏移（稱為多普勒頻移），表示為當波遇到靜止不動的物體時，其反射波的頻率不改變；當物體靠近發(fā)射天線時,fd取“+”號；當物體遠離發(fā)射天線時,fd取“-”號。只要確定了v、λ、θ中的任意兩個參數(shù)，由于fd可測出，即可根據(jù)式（10-8）確定第三個參數(shù)，微波多普勒傳感器通常用于測定物體的運動速度。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器（10-8）

fd—多普勒頻率；v—物體的運動速度；λ—微波信號波長；θ—方位角。微波傳感器的應用29如果要確定運動物體與發(fā)射天線間的距離，可發(fā)射兩個不同波長的信號，引起信號初始相位的變化，即因此，只要測出不同波長λ1、λ2下的初始相位差

，即可確定距離r。微波多普勒傳感器的應用非常廣泛，如多普勒測速儀可用于交通管制的車輛測速雷達、水文站的流速測定儀、海洋氣象站的海浪與熱帶風暴測定、火車進站的速度監(jiān)控等。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器（10-11）微波傳感器的應用30任何物體的溫度高于環(huán)境溫度時，都能夠向外輻射熱能，當該輻射熱到達接收機輸入端時，若仍然高于基準溫度（或室溫），在接收機的輸出端將有信號輸出。1.微波多普勒傳感器2.微波溫度傳感器圖中Ti為輸入（被測）溫度，Tc為基準溫度，C為環(huán)行器，BPF為帶通濾波器，LNA為低噪聲放大器，IFA為中頻放大器，M為混頻器，LO為本機振蕩器。當被測溫度Ti與基準溫度Tc不一致時，就會產生輻射，輻射強度通過環(huán)行器輸出到帶通濾波器，再通過低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器等處理得到被測溫度。圖10-10微波輻射儀原理框圖10.4激光傳感器31激光的產生機理32在一個原子體系中，電子基本上是分層運動的，有些原子處于低能級，有些處于高能級，一旦低能級原子受到外界光子的刺激，吸收一定的能量，會從低能級ε1躍遷至高能級ε2，這個過程稱為光的受激吸收。處在高能級ε2的原子在適合條件的外來光的作用下，躍遷到低能級ε1而發(fā)光，這個現(xiàn)象稱為受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來光子具有完全相同的頻率、傳播方向和偏振方向。通過一次受激輻射，一個光子變?yōu)閮蓚€相同的光子，這稱為光的放大。激光的產生機理33在外來光的激發(fā)下，如果受激輻射大于受激吸收，原子在某高能級的數(shù)目就多于在低能級的數(shù)目,將其稱為粒子數(shù)反轉。當激光器內工作物質中的原子處于反轉分布，這時受激輻射占優(yōu)勢，光在這種工作物質中傳播時，會變得越來越強。通常把處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的物質稱為增益介質。激光的產生機理34為了使受激輻射的光具有足夠的強度，還需設置一個光學諧振腔。光學諧振腔內設有兩個面對面平行放置的反射鏡，一個為全反射鏡，另一個為半反半透鏡，其間放有工作物質。當沿軸線方向行進的光遇到反射鏡后，被反射折回，如此在兩反射鏡間往復運行并不斷對有限容積內的工作物質進行受激輻射，產生雪崩式的放大，形成強大的受激輻射光，簡稱激光。激光的產生機理35激光的形成必須具備三個條件：具有能形成粒子數(shù)反轉狀態(tài)的工作物質—增益介質；具有供給能量的激勵源；具有提供反復進行受激輻射場所的光學諧振腔。將這三個條件結合在一起的裝置稱為激光器。按增益介質的不同,激光器可分為氣體激光器（CO2、氦氖、CO等）、液體激光器（液體染料）、固體激光器（紅寶石、銣玻璃等）、半導體激光器（砷化鎵、銻化銦等）。

激光的特性36高方向性:激光具有高平行度，其發(fā)散角小，一般約為0.18°，比普通光和微波小2~3個數(shù)量級。它的能量高度集中，亮度較高，比同能量的普通光源高幾百萬倍。高單色性:激光的光譜很窄，比普通光頻率寬度的1/10還小，因此顏色極純。高相干性:受激輻射產生的光子與初始光子狀態(tài)（傳播方向、頻率、相位）完全一致，因此激光的相干性非常好。激光傳感器的工作原理37激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。激光傳感器由激光發(fā)射器、激光接收器和測量電路組成。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖，經目標反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號，通過相應電路的過濾、放大、整流得到輸出信號，從而算出被測量。激光傳感器的應用38激光位移傳感器：激光三角測量法1.

激光位移傳感器2.激光測速傳感器圖10-11三角測量法的原理圖半導體激光器發(fā)射可見激光，被鏡片2聚焦到被測物體6上。反射光被鏡片3收集，被CCD線性相機4接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，信號處理器5就能通過三角函數(shù)計算出傳感器和被測物體之間的距離。激光傳感器的應用39激光位移傳感器：激光回波分析法1.

激光位移傳感器2.激光測速傳感器圖10-12回波分析法原理框圖激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時間，以此計算出距離，該距離值是將上千次的測量結果進行的平均輸出。激光回波分析法適合于長距離檢測激光傳感器的應用40利用激光具有高方向性的特點可以測量汽車、火車等運動物體的速度。當被測物體進入相距為L的兩個激光器區(qū)間（測速區(qū)）內時，先后遮斷兩個激光器發(fā)出的激光光束。利用計數(shù)器記錄主振蕩器在先后遮斷激光束的時間間隔的脈沖數(shù)N，即可求得被測物體的速度為1.激光位移傳感器2.激光測速傳感器f—主振蕩器的振蕩頻率

（10-13）10.5核輻射傳感器41放射性衰變42放射性是指原子核自發(fā)釋放出的輻射。原子由一個中心原子核組成，它包含帶正電的質子和不帶電荷的中子，周圍是帶負電的電子。在穩(wěn)定的原子中，原子核內的力使它保持完整，并阻止任何粒子或能量的自發(fā)釋放。但是在某些原子中，由于質子和中子數(shù)量的不平衡或其他因素造成原子核的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性形成了一種被稱為放射性衰變的過程。在此過程中，不穩(wěn)定的原子核經歷一種自發(fā)轉變以達到更穩(wěn)定的狀態(tài)，發(fā)出各種不同類型的輻射，稱為核輻射。放射性衰變43核輻射釋放的放射線主要有以下三種類型：α射線：帶正電荷的高速粒子流，相對其他輻射來說電離能力較強，所以α

射線常用于氣體成分分析，測量氣體的壓力、流量或其他參數(shù)β射線：帶負電荷的高速粒子流，在氣體中的射程可達20米。根據(jù)材料對β射線的吸收，可測量材料的厚度和密度；根據(jù)對β射線的反射可測量覆蓋層厚度；利用β射線的電離能力可測量氣體流量γ射線：一種從原子核內發(fā)射出來的光子流，具有極強的穿透力，強于α射線和β射線，因此廣泛應用于金屬探傷、測厚，以及流速、物位和密度的測量核輻射與物質的相互作用44核輻射的吸收、散射和反射α、β、γ射線穿透物質時，一部分離子能量被物質吸收，一部分離子能量被散射掉。離子或射線的能量將按下述關系式衰減三種射線中，γ射線穿透能力最強，β射線次之，α射線最弱J——穿過厚度為h的物質后的輻射強度；J0——射入物質前的輻射強度；

μm——物質的質量吸收系數(shù)；ρ——物質的密度；h——物質的厚度。1.核輻射的吸收、散射和反射2.電離作用（10-14）核輻射與物質的相互作用45當射線穿透物質時，容易改變其運動方向產生散射現(xiàn)象。β射線的散射作用較強當產生相反方向散射時，更容易產生反射。反射的大小與反射物質的厚度有如下關系Js——反射物質厚度為h時，放射線被反射的強度；Jsmax——當h趨向無窮大時的反射強度；μs——輻射能量的常數(shù)；1.核輻射的吸收、散射和反射2.電離作用（10-15）核輻射與物質的相互作用46電離作用當具有一定能量的帶電粒子穿透物質時，在它們經過的路程上就會產生電離作用，形成許多離子對。電離作用是帶電粒子和物質相互作用的主要形式在輻射線的電離作用下，每秒鐘產生的離子對的總數(shù)，即離子對形成的頻率可由下式表示E——帶電粒子的能量；Ed——離子對的能量；J——輻射源的強度；C——在輻射源強度為1Ci時，每秒放射出的粒子數(shù)。1.核輻射的吸收、散射和反射2.電離作用（10-16）核輻射傳感器的類型47核輻射傳感器是將入射核輻射粒子的全部或部分能量轉為可觀測電信號的裝置，是基于被測物質對射線的吸收、反散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作的核輻射傳感器種類較多，常用于放射性測量的主要有以下三種電離室閃爍計數(shù)器半導體探測器1.電離室2.閃爍計數(shù)器3.半導體探測器核輻射傳感器的類型48電離室是測量電離輻射的探測器。

在空氣中或充有惰性氣體的裝置中設置一個平行極板電容器，加幾百伏高壓，高壓在極板間產生電場。當粒子或射線射向兩極板之間的空氣（氣體）時，氣體分子電離，在電場作用下正離子趨向負極板，電子趨向正極板，產生電離電流。1.電離室2.閃爍計數(shù)器3.半導體探測器電離電流在外電路的電阻R上形成電壓降U0，利用核輻射的電離性質，從外電路R上的電壓降來衡量核輻射中離子數(shù)目和能量。通過一定的設計和對電離室配置以恰當?shù)碾妷海湍苁馆椛鋸姸扰cR上的電壓降成正比。圖10-13電離室工作原理圖核輻射傳感器的類型49閃爍計數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成。當閃爍體受到輻射時閃爍體內的原子受激發(fā)光，閃爍體將輻射能變?yōu)楣饽?。光透過閃爍體射到光電倍增管的光陰極上，并激發(fā)出光電子，光電倍增管再將光能變?yōu)殡娦盘栠M行探測放大，在陽極上形成可以測量的脈沖電流，電流脈沖的幅值反映了入射射線的能量（元素），脈沖數(shù)目代表含量的多少，最后經輸出處理電路得到與該核輻射量有關的電信號。1.電離室2.閃爍計數(shù)器3.半導體探測器圖10-14閃爍計