辐射式传感器-红外-超声-SAW课件

Xian Jiaotong University1红外辐射红外辐射：红光以外的光线，波长：红光以外的光线，波长0.761000m。波长波长/m 任何温度高于绝对零度（任何温度高于绝对零度（-273.15）的物体，都会发射或）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。和辐射率等。红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University1红红外外辐辐Xian Jiaotong University2红外辐射规律红外辐射规律：1）基尔霍夫定律基尔霍夫定律：物体向外发射的辐射能取决于它的温度：物体向外发射的辐射能取决于它的温度和吸收本领。和吸收本领。ER 物体在单位面积、单位时间内发出的辐射能；物体在单位面积、单位时间内发出的辐射能；物体物体对辐射能的吸收系数，黑体的吸收系数射能的吸收系数，黑体的吸收系数为1；E0 常数，等价于黑体在相同温度下发射出的辐射能。常数，等价于黑体在相同温度下发射出的辐射能。红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University2红红外外辐辐Xian Jiaotong University2）斯蒂芬玻尔茨曼斯蒂芬玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律定律：物体单位面积辐射功率、物体辐射强度物体单位面积辐射功率、物体辐射强度 W 与其热力学温与其热力学温度度 T 四次方成正比：四次方成正比：（1）黑体）黑体=1，在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射；，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；）物体辐射强度随温度升高而明显增强；红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University2）斯蒂芬）斯蒂芬Xian Jiaotong University3）普朗克定律普朗克定律：绝对温度为：绝对温度为 T 时，在单位波长内其时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量光谱辐射通量密度密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为：系为：红外辐射传感器红外辐射传感器 黑体对波长为黑体对波长为的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；普朗克辐射常数，普朗克辐射常数，Xian Jiaotong University3）普朗克）普朗克Xian Jiaotong Universitya.随温度升高，峰值辐射波随温度升高，峰值辐射波长向短波方向移动，强度长向短波方向移动，强度按指数增长；按指数增长；b.温度不太高时，辐射波长温度不太高时，辐射波长位于红外区域；位于红外区域；c.峰值左侧能量约占峰值左侧能量约占25，右侧约占右侧约占75。4）维恩位移定律维恩位移定律：光谱辐射通量密度密度峰值波长：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。与物体自身的绝对温度成反比。红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong Universitya.随温随温Xian Jiaotong University 能能将红外辐射能转换为电能将红外辐射能转换为电能的装置称为的装置称为红外传感器红外传感器，按，按其工作原理可以分为其工作原理可以分为光敏型光敏型（或称光子型、量子型）和（或称光子型、量子型）和热敏热敏型型两类。两类。光敏型光敏型直接把红外光能转换为电能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（图中曲线外光的波长范围较窄（图中曲线2）。）。红外传感器光谱红外传感器光谱响应曲线响应曲线 红外辐射传感器红外辐射传感器 热敏型将热敏型将吸收的红外光转变为热能吸收的红外光转变为热能，使，使器件自身的温度发生变化，包括热电偶器件自身的温度发生变化，包括热电偶式、热电阻式和热释电式等。热敏型红式、热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，（图外传感器响应的红外光谱范围宽，（图中的曲线中的曲线1），能在常温下工作，价格便），能在常温下工作，价格便宜。它的响应速度和灵敏度较低。宜。它的响应速度和灵敏度较低。Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University 以以红外线为测量介质红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类：功能可以分成五类：（1）温度计和辐射计温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量；，用于温度、辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定，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；其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；，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红外测距和通信系统；（5）混合系统混合系统，由以上各类系统中的两个或者多个组合，由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。而成。红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University（3）光学接收器光学接收器：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当：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。于雷达天线，常用的是物镜。（4）辐射调制器辐射调制器：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，：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。调制盘和斩波器。（1）待侧目标待侧目标：具有红外：具有红外辐射特性。辐射特性。（2）大气衰减大气衰减：由于各种：由于各种气体分子以及溶胶粒气体分子以及溶胶粒的散射和吸收，使待的散射和吸收，使待测目标发出的红外辐测目标发出的红外辐射发生衰减。射发生衰减。典型的红外传感系统典型的红外传感系统 Xian Jiaotong University（3）光学）光学Xian Jiaotong University（5）红外探测器红外探测器：它是红外传感系统的核心，利用红外辐：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。射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。（6）探测器制冷器探测器制冷器：由于某些探测器必须要在低温下工作，：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。可以缩短响应时间，提高灵敏度。（7）信号处理系统信号处理系统：将探测的信号进行放大、滤波，并从：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。格式，传送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备显示设备：它是红外传感系统的终端设备，常用的有：它是红外传感系统的终端设备，常用的有示波器、显像管、指示仪器和记录仪等。示波器、显像管、指示仪器和记录仪等。典型的红外传感系统典型的红外传感系统 Xian Jiaotong University（5）红红外外Xian Jiaotong University 滤光片滤光片采用允许在采用允许在8 814m14m的红外辐射能通过的的红外辐射能通过的材料，步进电机带动材料，步进电机带动调制调制盘盘转动，将被测的红外辐转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射调制成交变的红外辐射线，透镜焦点落在线，透镜焦点落在红外光红外光敏面敏面上，被测目标的红外上，被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，并将红外辐射探测器上，并将红外辐射变换为电信号。变换为电信号。例例1 1：红外测温：红外测温 （0-7000-700）红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University 滤滤Xian Jiaotong University例例2 2：红外测温：红外测温 （800800以上的高温）以上的高温）假定人造黑体吸收了假定人造黑体吸收了由被测物辐射的全部由被测物辐射的全部能量，根据能量，根据(Stefan-Boltzmann)定律定律：从而得到：从而得到：红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University例例2：红红外外Xian Jiaotong University例例3 3：红外热成像：红外热成像 红外热像仪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。的摄取反映被测物体温差信息的热图像。红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University例例3：红红外外Xian Jiaotong University热像技术应用热像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、：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、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。临床医学、军事等。红外辐射传感器红外辐射传感器 防爆型红外热像仪防爆型红外热像仪 用于探测地面和井下煤堆自燃温度。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器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热状态等。状态等。Xian Jiaotong University热热像技像技术应术应红外辐射传感器红外辐射传感器 Xian Jiaotong University红外图像举例红外图像举例 红红外外辐辐射射传传感器感器 Xian Jiaotong UniverXian Jiaotong University红外热像仪应用红外热像仪应用 （a）示出了某一场景的可见光图像，图像背景是山和烟雾，从中可）示出了某一场景的可见光图像，图像背景是山和烟雾，从中可以清晰地看出一部卡车。（以清晰地看出一部卡车。（b）示出该场景的红外图像，红外图像能）示出该场景的红外图像，红外图像能够穿透烟雾拍摄，从图中可以看出卡车和直升飞机的部分成像。够穿透烟雾拍摄，从图中可以看出卡车和直升飞机的部分成像。（c）为融合图像。）为融合图像。（a）（b）（c）Xian Jiaotong University红红外外热热像像仪仪Xian Jiaotong University红外热像仪应用红外热像仪应用 贮存罐液位检测贮存罐液位检测内部屋顶检查内部屋顶检查 微观电路检测微观电路检测 塑料挤压过程塑料挤压过程 温度检测温度检测 Xian Jiaotong University红红外外热热像像仪仪Xian Jiaotong University总线节点发热检测总线节点发热检测 耐火材料设备检测耐火材料设备检测 电脑主板发热量分布电脑主板发热量分布 沥青铺路温度分布沥青铺路温度分布 红外热像仪应用红外热像仪应用 Xian Jiaotong University总线节总线节点点发发Xian Jiaotong University 发声体产生的振动在发声体产生的振动在介质中的传播称为声波介质中的传播称为声波，属于，属于一种一种机械波。机械波。人耳可以听到的声波频率范围是人耳可以听到的声波频率范围是1620kHz，超过超过20kHz的声波称为超声波，如图所示。的声波称为超声波，如图所示。超声波传感器超声波传感器 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University 声敏传感器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、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，下面介绍压电式、电容式等，下面介绍超声波传感器超声波传感器和和声表面波（声表面波（SAW）传感器传感器。3）表面波：）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，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。体的表面传播。1）纵波：）纵波：质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波。它能在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。固体、液体和气体中传播。2）横波：）横波：质点振动方向与传播方向相垂直的波称为横波。只质点振动方向与传播方向相垂直的波称为横波。只能在固体中传播。能在固体中传播。机械波的分类机械波的分类 Xian Jiaotong University3）表面波）表面波Xian Jiaotong University 以以非接触方式非接触方式工作，特别适用于防爆、放射性、医学等领域工作，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。应用，也更容易安装和维护。u 频率高、波长短、绕射现象小；频率高、波长短、绕射现象小；u 方向性好方向性好、能够成为射线而定向传播；、能够成为射线而定向传播；u 对液体、固体的对液体、固体的穿透本领很大穿透本领很大，在阳光不透明的固体中，在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。它可穿透几十米的深度。u 碰到杂质或分界面会产生显著反射形成碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射式回波反射式回波，碰，碰到活动物体能产生到活动物体能产生多普勒效应；多普勒效应；u 传播速度取决于媒质，与超声波频率无关。传播速度取决于媒质，与超声波频率无关。超声波的特点超声波的特点 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University 利用利用压电材料压电材料制成，制成，逆压电效应逆压电效应将电振动转换成机械将电振动转换成机械振动产生超声波，作为振动产生超声波，作为发射探头发射探头；正压电效应正压电效应将超声波转将超声波转换成电信号，作为换成电信号，作为接收探头接收探头。压电式换能器压电式换能器是利用是利用电致伸缩效应电致伸缩效应制成的。通制成的。通过在压电材料上施加交变过在压电材料上施加交变电压，使它产生电致伸缩电压，使它产生电致伸缩振动而产生超声波。常用振动而产生超声波。常用的压电材料为石英晶体和的压电材料为石英晶体和压电陶瓷等。压电陶瓷等。压电式超声波探头结构压电式超声波探头结构 超声波传感器的结构超声波传感器的结构 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University超声波压电陶瓷片的形式超声波压电陶瓷片的形式 超声探头的核心是压电晶片。超声探头的核心是压电晶片。Xian Jiaotong University超声波超声波压电压电Xian Jiaotong University 晶片的材料、大小（如直径和厚度）各不相同，因此每个晶片的材料、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：探头的性能是不同的：（1）工作频率：工作频率：压电晶片的共振频率。当交流电压的频率和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。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：工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别是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。制冷设备。（3）灵敏度：灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，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。灵敏度高；反之，灵敏度低。超声波传感器的性能指标超声波传感器的性能指标 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University超声波传感器的形式超声波传感器的形式 Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波传感器的应用超声波传感器的应用 各种场合的距离测量；各种场合的距离测量；生产线上的工件计数；生产线上的工件计数；接近开关；接近开关；倒车报警装置；倒车报警装置；机器人自动避障装置；机器人自动避障装置；超声波液位超声波液位/物位计；物位计；自动门开关装置；自动门开关装置；液体、气体的浓度和流量检测；液体、气体的浓度和流量检测；超声波清洗；超声波清洗；超声波雾化；超声波雾化；探伤、测厚、测密度；探伤、测厚、测密度；医疗器械、美容仪、按摩仪医疗器械、美容仪、按摩仪 Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波传感器的应用超声波传感器的应用 超声波测物位超声波测物位：通过测量发射和接收信号之间的时间差测通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。距离。包括液位测量、固体料位测量、固液分界面测量以包括液位测量、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。及液液分界面测量和液体有无测量等。Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波流量传感器超声波流量传感器 超声波传感器的应用超声波传感器的应用 Xian Jiaotong University超声波流量超声波流量Xian Jiaotong University超声波传感器的应用超声波传感器的应用 Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波传感器的应用超声波传感器的应用 常用常用超声波流量传感器超声波流量传感器分类：分类：时差法时差法和和多普勒效应法多普勒效应法；固定式固定式和和便携式便携式；条件条件传播时间差法传播时间差法多普勒法多普勒法适用液体适用液体水类水类(江河水，海水农业用江河水，海水农业用水等水等),油类（纯净燃油，润油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学滑油，食用油等），化学试剂，药液等试剂，药液等含杂质多的水含杂质多的水(下水，污水，下水，污水，农业用水等农业用水等)，浆类，浆类(泥浆，泥浆，矿浆，纸浆化工料浆等矿浆，纸浆化工料浆等)，油类油类(非净燃油，重油，原非净燃油，重油，原油等油等)重复性误差重复性误差0.1%-0.3%1%传输电缆长度传输电缆长度100-300m,在能保证信号质在能保证信号质量的前提下量的前提下,可以小于可以小于100m30m价格价格较高较高一般较低一般较低Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波传感器的应用超声波传感器的应用 超声波测厚仪超声波测厚仪 超声波探伤仪超声波探伤仪 超声波探伤超声波探伤 Xian Jiaotong University超声波超声波传传感感Xian Jiaotong University超声波测厚超声波测厚 常用常用脉冲回波法脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触，主控。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，脉冲波从发射到接收的时间间隔为为t，则工件的厚度为：，则工件的厚度为：dvt/2超声波传感器的应用超声波传感器的应用 Xian Jiaotong University超声波超声波测测厚厚Xian Jiaotong University超声波无损探伤超声波无损探伤 超声波探伤分为超声波探伤分为穿透法探伤穿透法探伤和和反射法探伤反射法探伤。穿透法穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化状况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。距离和位置要求较严格。超声波传感器的应用超声波传感器的应用 Xian Jiaotong University超声波无超声波无损损Xian Jiaotong University 反射法反射法是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷是以超声波在工件中反射情况的不同来探测缺陷的方法，具体又分为的方法，具体又分为一次脉冲一次脉冲反射法和反射法和多次脉冲多次脉冲反射法。一反射法。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。冲反射法是以多次底波为依据进行探伤的方法。超声波传感器的应用超声波传感器的应用 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University高速公路行驶车辆信息感知及识别高速公路行驶车辆信息感知及识别测量的信息：测量的信息：1.计数计数 2.车流向车流向 3.车型分类车型分类 4.车速车速 测量装置测量装置通信模块通信模块快车道慢车道Xian Jiaotong University高速公路行高速公路行Xian Jiaotong University高速公路行驶车辆信息感知及识别高速公路行驶车辆信息感知及识别1、超声波测距范围：角度范围：、超声波测距范围：角度范围：15，距离：距离：35cm-300cm2、计数准确率：、计数准确率：98%以上以上3、车流向：、车流向：90%左右左右Xian Jiaotong University高速公路行高速公路行Xian Jiaotong University高速公路行驶车辆信息感知及识别高速公路行驶车辆信息感知及识别Xian Jiaotong University高速公路行高速公路行Xian Jiaotong University高速公路行驶车辆信息感知及识别高速公路行驶车辆信息感知及识别1、主控板：、主控板：控制超声传感器控制超声传感器 运行识别算法运行识别算法 提供红外接口提供红外接口 接收接收GPS模块的信息模块的信息 显示测量结果显示测量结果2、超声波模块、超声波模块 发射接收超声波发射接收超声波3、GPS模块模块 提供系统自身的速度信息提供系统自身的速度信息4、红外通信模块、红外通信模块 进行通信进行通信Xian Jiaotong University高速公路行高速公路行Xian Jiaotong University高速公路行驶车辆信息感知及识别高速公路行驶车辆信息感知及识别 违法车速（km/h）测试里程（km）系统测量数据目测违法数据准确率试验路段6016 65 6498%草滩泾阳701436 4090%泾阳三原702858 5798%三原铜川801004244 3884%铜川泾阳Xian Jiaotong University高速公路行高速公路行Xian Jiaotong University 声表面波声表面波简称简称SAW（Surface Acoustic Wave），是英国物理），是英国物理学家瑞利（学家瑞利（Rayleigh）于）于19世纪末期在研究地震波的过程中发现世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种的一种集中在地表面传播的声波集中在地表面传播的声波。任何固体表面都存在这种现象。任何固体表面都存在这种现象。某些外界因素（如温度、压力、加速度、磁场、电压等）对某些外界因素（如温度、压力、加速度、磁场、电压等）对SAW的传播参数会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系可的传播参数会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系可以研制出测量各种物理、化学参数的以研制出测量各种物理、化学参数的SAW传感器。传感器。SAW瑞利波瑞利波 SAW是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点的运动是一种的运动是一种椭圆偏振椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于。在各向同性固体中，它是由平行于传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动合成的，传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动合成的，两者的相位差为两者的相位差为90度。瑞利波的能量只集中在一个波长深的度。瑞利波的能量只集中在一个波长深的表面层内，频率越高，能量集中的表面层越薄。表面层内，频率越高，能量集中的表面层越薄。SAW传感器传感器 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University SAW换能器换能器 换能器（换能器（IDT）是用）是用蒸发或溅射蒸发或溅射等方法在等方法在压电基片压电基片表面淀积一层表面淀积一层金属膜金属膜，再用光刻方法形成的，再用光刻方法形成的叉指状薄叉指状薄膜膜，它是产生和接收声表面波的装置。（，它是产生和接收声表面波的装置。（1965年）年）SAW传感器传感器 敏感基片敏感基片采用石英、铌采用石英、铌酸锂（酸锂（LiNbO3）等）等压电单晶材料压电单晶材料制成。制成。当敏感基片受到物当敏感基片受到物理、化学或机械量理、化学或机械量扰动作用时，其振扰动作用时，其振荡频率会发生变化。荡频率会发生变化。Xian Jiaotong University Xian Jiaotong UniversitySAW传感器传感器 Xian Jiaotong UniversitySAW传传感感Xian Jiaotong UniversitySAW谐振器结构是将一谐振器结构是将一个或两个个或两个叉指换能器叉指换能器（IDT）置于一对反射栅阵置于一对反射栅阵列组成的腔体中构成的。谐列组成的腔体中构成的。谐振器结构采用一个振器结构采用一个IDT时称时称为为单端对单端对谐振器，采用两个谐振器，采用两个IDT时称为时称为双端对双端对谐振器。谐振器。反射栅阵列能够将一定频率反射栅阵列能够将一定频率的入射波能量限制在由栅条的入射波能量限制在由栅条组成的谐振腔内。组成的谐振腔内。SAW传感器的核心是传感器的核心是SAW振荡器振荡器，有，有谐振器型（谐振器型（R型）型）和和延迟线型（延迟线型（DL型）型）两种。两种。SAW传感器传感器 Xian Jiaotong UniversitySAW谐谐振振Xian Jiaotong University谐振器型谐振器型SAW振荡器由振荡器由SAW谐振器谐振器和和放大电路放大电路组成。组成。单端对谐振器的单端对谐振器的IDT既是发射端，也是接收端；双端对谐振既是发射端，也是接收端；双端对谐振器中一个器中一个IDT作为发射端，另一个作为发射端，另一个IDT作为接收端。将作为接收端。将SAW谐振器的输出信号经放大后，正反馈到输入端，只要放大器谐振器的输出信号经放大后，正反馈到输入端，只要放大器的增益能够补偿谐振器及其导线的损耗，同时又满足一定的的增益能够补偿谐振器及其导线的损耗，同时又满足一定的相位条件，谐振器就可以起振并维持振荡状态。相位条件，谐振器就可以起振并维持振荡状态。SAW传感器传感器 Xian Jiaotong University谐谐振器型振器型SXian Jiaotong University延迟线型延迟线型SAW振荡器振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成。由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器输入换能器T1激发出声表面波，传播到换能器激发出声表面波，传播到换能器T2转换成电信号，转换成电信号，经放大后反馈到经放大后反馈到T1以保持振荡状态。以保持振荡状态。SAW传感器传感器 Xian Jiaotong University延延迟线迟线型型SXian Jiaotong University（1）高精度，高灵敏度高精度，高灵敏度。SAW传感器是将被测量转换为电信传感器是将被测量转换为电信号频率进行测量，而频率的测量精度很高，有效检测范围线性号频率进行测量，而频率的测量精度很高，有效检测范围线性好；对恶劣环境的抗干扰能力很强，适于远距离传输好；对恶劣环境的抗干扰能力很强，适于远距离传输。(GHz量级量级)（2）数字化数字化。SAW传感器将被测量转换为数字化的频率信号传感器将被测量转换为数字化的频率信号进行传输、处理，易于与计算机接口，组成自适应实时处理系进行传输、处理，易于与计算机接口，组成自适应实时处理系统。统。（3）易批量生产易批量生产。SAW传感器的制作与集成电路技术兼容，传感器的制作与集成电路技术兼容，极易集成化、智能化，结构牢固，性能稳定，重复性与可靠性极易集成化、智能化，结构牢固，性能稳定，重复性与可靠性好，适于批量生产。好，适于批量生产。（4）体积小、质量轻、功耗低体积小、质量轻、功耗低，可获得良好的热性能和机械，可获得良好的热性能和机械性能。性能。SAW传感器的特点传感器的特点 Xian Jiaotong University（1）高精）高精Xian Jiaotong Universityv 典型的典型的SAW传感器包括：传感器包括：石英声表面波装置（石英声表面波装置（ST-Quartz SAW Device）SAW装置检测片（装置检测片（SAW Device Detector Block）振幅测量系统（振幅测量系统（Amplitude Measurement System）相位测量系统（相位测量系统（Phase Measurement System）频率测量系统（频率测量系统（Frequency Measurement System）压力监测系统（压力监测系统（Pressure Monitoring System）温度控制系统（温度控制系统（Temperature Control System）温度压力检测仪（温度压力检测仪（Temperatureand Pressure Test Apparatus）数据采集软件（数据采集软件（Data Acquisition Software）SAW传感器的组成传感器的组成 Xian Jiaotong University 典型的典型的SXian Jiaotong University1.SAW压力传感器压力传感器 SAW力学量传感器包括力学量传感器包括压力传感器压力传感器和和加速度传感器加速度传感器，SAW器件在基底压电材料受到外界作用力时，谐振器的结构尺寸、器件在基底压电材料受到外界作用力时，谐振器的结构尺寸、压电材料的密度、弹性系数等发生变化，从而导致压电材料的密度、弹性系数等发生变化，从而导致SAW的波长、的波长、频率和传播速度等发生变化。通过测量频率和传播速度等发生变化。通过测量SAW传感器的频率变化传感器的频率变化可以得知压力的大小。如轮胎压力监控系统（可以得知压力的大小。如轮胎压力监控系统（TPMS）SAW传感器的应用传感器的应用 Xian Jiaotong University1.SXian Jiaotong University 2.SAW气体传感器气体传感器 SAW气体传感器是在气体传感器是在SAW传播路径上和传播路径上和IDT区域淀积区域淀积一层化学界面膜，当界面膜吸附被测气体后，引起一层化学界面膜，当界面膜吸附被测气体后，引起SAW传传播频率变化，可以通过测量播频率变化，可以通过测量SAW频率的变化测量气体浓度。频率的变化测量气体浓度。已经开发出来的已经开发出来的SAW气体传感器有气体传感器有SO2、水蒸气、丙酮、甲、水蒸气、丙酮、甲醇、氢气、醇、氢气、H2S、NO2等传感器。等传感器。SAW传感器的应用传感器的应用 化学战剂检测器化学战剂检测器以对以对 化学毒剂进行检测。化学毒剂进行检测。Sarin（沙林）、（沙林）、Soman（梭曼）、（梭曼）、VX、Mustard（芥子气）、（芥子气）、Nitrogen Mustard（氮芥）、（氮芥）、Hydrogen Cyanide（氰化氢）、（氰化氢）、Cyanogen Chloride(氯化氰氯化氰)、Lewisite（刘易（刘易士毒气）、有机磷、有机硫等士毒气）、有机磷、有机硫等 Xian Jiaotong University Xian Jiaotong University4.温度传感器温度传感器 当温度变化时，当温度变化时，SAW振荡器的振荡频率会发生变化，从而可振荡器的振荡频率会发生变化，从而可以制成以制成SAW温度传感器。温度传感器。SAW温度传感器具有长期稳定性，灵温度传感器具有长期稳定性，灵敏度很高。敏度很高。SAW温度传感器可以用于气象测温、粮仓测温、火灾温度传感器可以用于气象测温、粮仓测温、火灾报警等。报警等。SAW传感器的应用传感器的应用 3.SAW湿度传感器湿度传感器Xian Jiaotong University4.温温Xian Jiaotong University例：无源无线开关柜温度监测系统例：无源无线开关柜温度监测系统 SAW传感器的应用传感器的应用 采用采用SAW传感技术和无线通讯技术进行信号传输和高压隔离，利用其固有的绝传感技术和无线通讯技术进行信号传输和高压隔离，利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的缘性和抗电磁场干扰性能，从根本上解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的难题。具有极高的可靠性和安全性，安装维护简便，是目前比较完善的开关柜温度难题。具有极高的可靠性和安全性，安装维护简便，是目前比较完善的开关柜温度监测解决方案。监测解决方案。常规测温常规测温光纤测温光纤测温红外测温红外测温SAW测温测温热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证易折、易断、不耐高温，积累灰尘后易使绝缘性降低，且在柜内布线难度较大，造价高非接触式测温，易受环境干扰，对被测物体的距离和测量角度都有比较严格的要求，安装要求高无需电池无电气联系体积小，安装方便灵活环境适应性好软件校正一次减少设备维修次数，性价比高Xian Jiaotong University例：无源无例：无源无Xian Jiaotong UniversitySAW传感器的应用传感器的应用 Xian Jiaotong UniversitySAW传传感感Xian Jiaotong University测温原理：测温原理：u 阅读器通过天线发送射频信号，该射频信号将作为传感器阅读器通过天线发送射频信号，该射频信号将作为传感器的激励信号。的激励信号。u 传感器天线接收该射频信号后，通过叉指换能器（传感器天线接收该射频信号后，通过叉指换能器（IDT）在谐振腔内激发出声表面波，其频率等于传感器的中心频率。在谐振腔内激发出声表面波，其频率等于传感器的中心频率。声表面波沿基片传播，被左右两个周期性反射栅反射形成谐声表面波沿基片传播，被左右两个周期性反射栅反射形成谐振。反射回来的声表面波经过压电效应又转换成了电信号，振。反射回来的声表面波经过压电效应又转换成了电信号，该电信号携带了被测的温度信息，通常也称为传感信号，该该电信号携带了被测的温度信息，通常也称为传感信号，该信号通过传感器的天线端辐射出去。信号通过传感器的天线端辐射出去。u 返回的无线射频信号被阅读器天线接收，通过测量无线射返回的无线射频信号被阅读器天线接收，通过测量无线射频信号的频率变化即可得到温度值。频信号的频率变化即可得到温度值。SAW传感器的应用传感器的应用 Xian Jiaotong University测测温原理：温原理：Xian Jiaotong University技术特点：技术特点：u 无线方式实现高压隔离，安全性极高。无线方式实现高压隔离，安全性极高。u SAW 温度传感器体积小且与阅读器之间数温度传感器体积小且与阅读器之间数据无线传输，安装方便灵活不受开关柜结构和据无线传输，安装方便灵活不受开关柜结构和空间影响。空间影响。u SAW 温度传感器于无源方式工作，不使用温度传感器于无源方式工作，不使用电池，安装成功后基本无需维护。电池，安装成功后基本无需维护。u 无源的工作方式不受能量限制，可以较高无源的工作方式不受能量限制，可以较高的频率进行温度信息的采集，数据实时性高。的频率进行温度信息的采集，数据实时性高。u SAW 温度传感器能工作在强磁、强电、粉温度传感器能工作在强磁、强电、粉尘等各种恶劣的运用场合。尘等各种恶劣的运用场合。Xian Jiaotong University技技术术特点：特点：Xian Jiaotong UniversitySAW传感器的应用传感器的应用 Xian Jiaotong UniversitySAW传传感感