第9章-新型传感器课件

第9章 新型传感器 2024/7/122一、教学目标一、教学目标（1）了解光了解光纤传感器和超声波感器和超声波传感器的概念。感器的概念。（2）掌握光）掌握光纤传感器的感器的结构原理及超声波构原理及超声波传感器的物理性感器的物理性质。（3）熟悉两种新型）熟悉两种新型传感器在工程上的感器在工程上的应用。用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1、重点：、重点：超声波的物理性超声波的物理性质和光和光纤传感器的感器的结构原理。构原理。2、难点：点：超声波的物理性超声波的物理性质。三、教学学时三、教学学时 6学学时9.1 9.1 光纤传感器及其应用 光纤传感器具有灵敏度高、光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、电绝缘性能好、抗电磁干扰、频带宽、动态范围大、结构频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量轻以及简单、体积小、质量轻以及耗能少等优点。耗能少等优点。光的全反射实验 各种装饰性光导纤维 发光二极管发光二极管产生多种颜产生多种颜色的光线，色的光线，通过光导纤通过光导纤维传导到东维传导到东方明珠球体方明珠球体的表面。在的表面。在计算机控制计算机控制下，可产生下，可产生动态图案。动态图案。上海东方明珠上海东方明珠9.1.1 9.1.1 光纤的基本概念1.光纤的结构光纤的结构（a）光）光纤的截面的截面图（b）光）光纤的外的外观图图9-1 光光纤的的结构构1纤芯；芯；2包包层；3缓冲冲层；4加加强层；5PVC护套套光缆的外形光缆的外形及光纤的拉制及光纤的拉制光纤拉制塔：光纤拉制塔：拉制速度：拉制速度：6001000m/min石英预制棒：直径石英预制棒：直径为为4060mm，长约，长约1m连续拉制成直径为连续拉制成直径为125m，长为，长为100200km的光纤的光纤光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角1从介质从介质1射到介质射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。光的全反射 当减小入射角当减小入射角c时，进入介质时，进入介质2的折射光与分界面的的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于当入射角小于c时，入射光线将发生时，入射光线将发生全反射全反射。光在光纤中的全反射 光纤的类型 阶跃型阶跃型：光纤：光纤纤芯芯的折射率分布各点均的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。匀一致，称为多模光纤。梯度型梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。到与包层区一样。单孔型光纤单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁接近于被传输光波的波长，光以电磁场场“模模”的原理在纤芯中传导，能量的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。损失很小，适宜于远距离传输。9.1.2 9.1.2 光纤传感器的结构原理（a）传统传感器传统传感器（b）光纤传感器）光纤传感器 光纤传感器的基本工作原理是将来自光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。探测器，经解调后，获得被测参数。9.1.3 9.1.3 光纤传感器的分类1.根据光纤在传感器中的作用进行分类根据光纤在传感器中的作用进行分类 分为分为功能型功能型光纤传感器、光纤传感器、非功能型非功能型光纤传感光纤传感器和器和拾光型拾光型光纤传感器光纤传感器 （a）功能型）功能型 1）功能型光）功能型光纤传感器感器光纤水听器 光光纤水听器主要用于海水听器主要用于海洋声学洋声学环境中的声境中的声传播、播、噪声、混响、海底声学噪声、混响、海底声学特性、目特性、目标声学特性等声学特性等的的监测。它既可用于海。它既可用于海洋、洋、陆地石油天然气勘地石油天然气勘探，也可用于海洋、探，也可用于海洋、陆地地震波地地震波检测以及海洋以及海洋环境境检测，它又是，它又是现代代海海军反潜作反潜作战及水下兵及水下兵器器试验的先的先进检测手段。手段。（b）非功能型2）非功能型光）非功能型光纤传感器感器光纤传感器光纤传感器外形外形 3）拾光型光）拾光型光纤传感器感器（c）拾光型）拾光型光纤温度传感器 2.2.根据光受被测对象的调制形式进行分类 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 1 1）强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种利用强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的被测量的变化变化而引起而引起敏感元件参数的变化敏感元件参数的变化，从而导致，从而导致光强度的变化光强度的变化来实现测量的传感器。来实现测量的传感器。这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的反射光强度的变化，以及物动膜或者液晶的反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传感器。感器。2 2）偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是一种利用偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振光偏振的变化的变化来传递来传递被测信号被测信号的传感器。的传感器。这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流或磁场传感器，它可法拉第效应做成电流或磁场传感器，它可以避免光源强度的变化对其产生的影响，以避免光源强度的变化对其产生的影响，因此，灵敏度较高。因此，灵敏度较高。3 3）频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器是一种利用频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射到被测量物体上时反射单色光照射到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变化回来的光的频率发生变化来进行监来进行监测的一种传感器。测的一种传感器。4 4）相位调制型传感器 相位调制型传感器是利用被测量对敏感相位调制型传感器是利用被测量对敏感元件的作用，使元件的作用，使敏感元件的折射率或者敏感元件的折射率或者传播常数发生变化传播常数发生变化，从而导致，从而导致光的相位光的相位发生变化发生变化，通过检测干涉条纹的变化量，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量，从而得到被来确定光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。测量的信息。9.1.4 9.1.4 光纤传感器的应用1.反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 非功能非功能图9-6 反射式光反射式光纤位移位移传感器的工作原理感器的工作原理2.2.光纤压力传感器图图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的原理图膜片反射式光纤压力传感器的原理图1Y形光纤束；形光纤束；2壳片；壳片；3膜片膜片3.3.光纤温度传感器图图9-8 光纤温度传感器示意图光纤温度传感器示意图1感温黑色壳体感温黑色壳体 2彩色液晶彩色液晶 3入射光纤；入射光纤；4出射光纤出射光纤适用于远距离防爆场所的温度测量适用于远距离防爆场所的温度测量 保保护管管光纤温度传感器 4.4.热双金属式光纤温度开关图图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图热双金属式光纤温度开关的原理图1遮光板；遮光板；2双金属片双金属片 测温范围：测温范围：1050摄氏度摄氏度 缺点：反应慢缺点：反应慢5.5.球面光纤液位传感器 （a）不接触液体的工况）不接触液体的工况 （b）浸在液体中的工况）浸在液体中的工况图图9-10 球面光纤液位传感器的原理图球面光纤液位传感器的原理图1入射光纤；入射光纤；2透明球形端面；透明球形端面；3包层；包层；4出射光纤出射光纤6.6.斜端面光纤液位传感器（a）在空气中）在空气中 （b）在液体中）在液体中图图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图反射式斜端面光纤液位传感器的原理图1、2光纤；光纤；3棱镜棱镜7.7.单光纤液位传感器图图9-12 单光纤液位传感器的结构单光纤液位传感器的结构1光纤；光纤；2耦合器耦合器 （a）尖顶磨平镀反射膜的探头（）尖顶磨平镀反射膜的探头（b）尖顶磨平并粘上突出物的探头）尖顶磨平并粘上突出物的探头图图9-13 改进的光纤液位探头改进的光纤液位探头探头离开液面，有液体附着，不能立即响应。探头离开液面，有液体附着，不能立即响应。9.2 9.2 超声波传感器及其应用主要学习超声波的主要学习超声波的物理特性物理特性，着重了，着重了解超声波在检测技术中的一些解超声波在检测技术中的一些应用应用，也涉及也涉及无损探伤无损探伤的设备及方法。的设备及方法。声波频率的界限划分1.1.次声波次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。停止跳动。在在自然界自然界中，海上风暴、中，海上风暴、火山火山爆发、大爆发、大陨石陨石落地、落地、海啸海啸、电闪雷鸣、波浪击岸、水中漩涡、空中、电闪雷鸣、波浪击岸、水中漩涡、空中湍湍流流、龙卷风龙卷风、磁暴、磁暴、极光极光等都可能伴有次声波的等都可能伴有次声波的发生发生.在人类活动中，诸如核在人类活动中，诸如核爆炸爆炸、导弹飞行、火、导弹飞行、火炮发射、轮船航行、汽车争驰、高楼和大桥摇晃，炮发射、轮船航行、汽车争驰、高楼和大桥摇晃，甚至像鼓风机、甚至像鼓风机、搅拌机搅拌机、扩音喇叭等在发声的同、扩音喇叭等在发声的同时也都能产生次声波。据研究称，著名的时也都能产生次声波。据研究称，著名的“杀人杀人乐曲乐曲“黑色星期天黑色星期天所弹奏的旋律也是属于次声所弹奏的旋律也是属于次声波。波。2.2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。3.3.超声波 蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠能发出和听见超声波。9.2.1 9.2.1 超声波的物理性质1.超声波的本质超声波的本质高于高于20KHz的声波的声波具有指向性好、能量集中、具有指向性好、能量集中、穿透本领大等特点穿透本领大等特点 2024/7/1249蝙蝠依靠蝙蝠依靠超声波超声波捕食捕食2024/7/1250压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。超声波塑料超声波塑料焊接机接机2024/7/12512.2.超声波的传播方式 超声波的传播方式主要可分为纵波、超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。横波、表面波等几种。2024/7/1252纵 波2024/7/1253横 波 2024/7/1254表 面 波3.3.声速和波长1 声速声速 取决于介质取决于介质2 波长波长 f=c2024/7/1255弹性系数性系数密度密度声阻抗声阻抗ZZ=c4.4.超声波的反射与折射当超声波从一种介质向另一种介质传播当超声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过分界面进入第二种介质。穿过分界面进入第二种介质。当两种不同的介质声阻抗相差较大时，当两种不同的介质声阻抗相差较大时，便会产生超声波反射。便会产生超声波反射。9.2.2 9.2.2 超声波传感器的应用2024/7/1258超声波可以被聚焦，具有能量集中的特点。超声波超声波雾化器化器超声波加湿器超声波加湿器2024/7/1259超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。便携式超声波便携式超声波探探鱼器器2024/7/1260超声波测厚超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，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超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t t，再乘以被测体的声速常数再乘以被测体的声速常数c c，就是超声脉冲在，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以被测件中所经历的来回距离，再除以2 2，就得，就得到厚度到厚度 ：2024/7/1261手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪2024/7/1262超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚2024/7/1263超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚2024/7/1264双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头2024/7/1265双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）2024/7/1266超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时，会对液当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为力，这种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声波清，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。等行业。2024/7/1268超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物2024/7/1269超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。就可测得液体的液面。2024/7/1270超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位 喇叭形超声发生器喇叭形超声发生器2024/7/1271超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率射器发射出频率 f=40kHz40kHz左右的超声波。如果有人左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移偏移 f。2024/7/1272超声波多普勒测量车速2024/7/1273多普勒效应多普勒效应 如果波源和如果波源和观察察者之者之间有相有相对运运动，那么，那么观察者察者接收到的接收到的频率和率和波源的波源的频率就不率就不相同了，相同了，这种种现象叫做多普勒效象叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到就可得到运运动速度。速度。2024/7/1274超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的引起超声波的频率率变大或大或变小小 2024/7/1275A A型超声波探伤型超声波探伤起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷2024/7/1276钢轨探伤车钢轨探伤车滑板式探头滑板式探头 2024/7/1277高速钢轨高速钢轨探伤车探伤车 铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）称做轮式探头）2024/7/1278 构件的超声探伤（续）构件的超声探伤（续）B 超超 胎儿的胎儿的B超影像超影像超声波流量计9.3 9.3 微波传感器9.3.1 微波的物理特性微波的物理特性1.微波的特性微波的特性微波微波是波长为是波长为11000mm，频率为，频率为300MHz3000GHz的电磁波，它既有电磁波的特的电磁波，它既有电磁波的特性，具有波粒二象性，又与普通的无线电波及和性，具有波粒二象性，又与普通的无线电波及和光波不同。光波不同。2.微波微波的特点：的特点：p 可可定向辐射，空间直线传输；定向辐射，空间直线传输；p 遇到遇到各种各种障碍物易于反射障碍物易于反射；p 绕射绕射能力差；能力差；p 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光灯强光灯 影响影响很小；很小；p 介质介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。对微波的吸收作用最强。9.3.2微波传感器的工作原理微波传感器的工作原理微波传感器由微波传感器由微波振荡器和微波天线微波振荡器和微波天线组成。组成。微波振荡器是产生微波的装置，微波振荡器微波振荡器是产生微波的装置，微波振荡器由速调管、磁控管或某些固体元件组成。由由速调管、磁控管或某些固体元件组成。由微波振荡器产生的振荡信号需要使用波导管微波振荡器产生的振荡信号需要使用波导管传输，然后通过天线发射出去。为了使发射传输，然后通过天线发射出去。为了使发射的微波具有的微波具有较好的方向性较好的方向性，微波的发射天线，微波的发射天线应该具有应该具有特殊的构造和形状特殊的构造和形状。9.3.3 微波传感器的分类微波传感器的分类1.反射式反射式 反射式微波传感器是利用反射式微波传感器是利用被测物体反射回来被测物体反射回来的微波信号来检测被测物体的位置、厚度等参的微波信号来检测被测物体的位置、厚度等参数。数。2.遮断式遮断式 遮断式微波传感器是遮断式微波传感器是利用接收天线接收到微利用接收天线接收到微波的信号，来判断发射天线和接收天线之间有波的信号，来判断发射天线和接收天线之间有无被测物体、被测物体的位置、被测物体的水无被测物体、被测物体的位置、被测物体的水分含量等参数。分含量等参数。9.3.4 9.3.4 微波传感器的应用微波传感器的应用1.微波液位仪微波液位仪 图图9-23 微波液位仪微波液位仪2.微波开关式物位仪微波开关式物位仪 图图9-24 微波开关式物位仪微波开关式物位仪3.微波诊断微波诊断微波诊断是微波在医学上应用的主要内容之微波诊断是微波在医学上应用的主要内容之一，包括一，包括有源诊断和无源诊断有源诊断和无源诊断两大类型。两大类型。4.微波治疗微波治疗微波除了用于诊断外，还可用于疾病的治疗。微波除了用于诊断外，还可用于疾病的治疗。（1）微波透热）微波透热治疗治疗热效应热效应 （2）微波微波针灸针灸 （3）微波手术刀）微波手术刀补充内容：补充内容：微波微波的应用的应用-微波炉微波炉 碰到金属反射，金属不吸收；可穿过绝缘材料，不会消碰到金属反射，金属不吸收；可穿过绝缘材料，不会消耗能量；含有水分的食物，微波可穿过，能量被吸收。耗能量；含有水分的食物，微波可穿过，能量被吸收。微波对玻璃、塑料、瓷器穿透不被吸收微波对玻璃、塑料、瓷器穿透不被吸收微波对水、食物吸收，散发热量微波对水、食物吸收，散发热量微波对金属反射微波对金属反射休 息 一 下