wWo第10章 波与射线传感器

第10章波与射线传感器

主要内容：

10.1 超声波传感器

10.2 红外线传感器

10.3 核辐射传感器

10．1．1 超声波及其物理性质

人耳听见的声波（机械波），频率在16～2*104Hz之间；

次声波————低于20Hz

超声波————高于2*104Hz

超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术；超声波技术通过超

声波的产生——传播——接受，几个物理过程完成；

•超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；

•当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；

由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像等等。

•超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，但反射能力越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。

•超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。

•声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减，衰减规律用两个能量描述：

声压

声强

：声波与声源之间距离；

：衰减系数Np/m（奈培/米）；

、为X=0处声压、声强；

可见声波随X增加，声能、由于扩散吸收而减弱。

10．1．2 超声波传感器

结构：利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应

逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波，制成发射元件；

正压电效应，将超声波振动转换为电信号，制成接收元件。

超声波传感器又称换能器，主要功能是产生超声波信号，接收超声波信号。目前市场销售的超声波传感器有两种形式：

专用型——器件的发送、接收分开；

兼用型——器件的发送和接收制作在一起。

一般标有谐振中心频率，如：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。

超声波传感器使用时有两种形式：

反射式（TX）、直射式（RX）。在发送器双振子端施加40KHz电压，通过逆压电效应，送出超声波信号，接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。

a)兼用型

b）反射式c)直射式

图10—1超声波传感器的不同形式

图10—2超声波传感器结构

图10—3超声波传感器的工作原理

10．1．3超声波传感器测距原理

超声波传感器测距基本电路主要由振荡发射电路、接收检测电路两部分组成，电路原理框图见10-4。

1）由反向器①②组成RC振荡器，振荡信号经门电路③④⑤⑥完成功率放大，通过CP耦合，传送给超声波振子，产生超声波发射信号。

注：超声波振子一般不加直流电压，因为长期加入直流电压会使传感器特性变差。

2）超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路用于检测反射波，运算放大器A对Mv极左右信号放大处理，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。

a) 超声波传感器测距发射电路

b) 超声波传感器测距接收电路

图10—4超声波传感器测距电路原理框图

图10-5采用脉冲时序描述测距原理，测距是通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是相应距离。

已知计数器系统中超声波速度与距离的关系为：

图10—5超声波传感器测距原理时序波形图

10．2 红外传感器

红外传感器按应用可分为：

•红外辐射测量；

•热成像遥感技术；

•红外搜索、跟踪目标、确定位置；

•通讯、测距等。

红外传感器主要有两部分组成：

o红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源；

o红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的光敏器件。

10．2．1 红外辐射

红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为：近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。

图10—6电磁波波谱图

有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，如人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已。一个炽热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的。

10．2．2 红外探测器

红外探测器主要有两大类型：

•热探测器（热电型），包括有：热释电、热敏电阻、热电偶；

•光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电子效应，使材料电学性质发生变化，其中有光敏电阻、光电管、光电池等。

量子型光子探测器与光电传感器原理相同，这里不再详细阐述。本节主要介绍热电型红外探测器。

（1）热探测器

利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化，如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。

热释电效应：

热释电效应基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，包括了光——热——电两次信息变换过程，而对波长的频率没有选择。光、热、电转换过程中：

光——热阶段，物质吸收光能，温度升高；

热——电阶段，利用某种效应将热转换为电信号。

•当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，使极化强度P降低，表面电荷Q减少，释放部分电荷，所以称热释电。

•极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和，不显电性。中和的平均时间为：图10—7 光辐射能变成材料自身的温度