1、学习单元一拾 音 器学习单元二超声波传感器学习单元三微波传感器学习单元四无线射频识别模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块导读模块导读广义范围上，从人耳能够识别的声波到超出人类听力范围的次声波、超声波、微波和频率范围更广的无线射频电波，都属于声音的范畴。从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开声波的感知和控制。声波虽然看不见、摸不着，却是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是工程设计中经常遇到的物理量。模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块导读模块导读近几年，随着人类对声波认识的逐步加深，有关声波测控的应用技术也取得了不断的进步，出现了很多关于超声波传
2、感器和微波传感器的应用领域，特别是无线射频识别技术在许多新兴领域得到了快速发展。声敏传感器所涉及的内容主要包括拾音器、超声波传感器、微波传感器和无线射频识别等，本模块针对常见的声敏传感器进行教学，使学生掌握利用声敏传感器进行声波测量的方法。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器这里所说的拾音器，是指对人耳能够识别的声波（频率为20 Hz20 kHz）进行感知的传感器。拾音器相当于一个话筒（麦克风），它用来接收声波，显示声音振动图像。拾音器能显示声音强度大小，也能研究声音的波形。拾音器按照其工作原理可以分为动圈式拾音器、电容式拾音器和驻极体拾音器等。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器 拾音器
3、的工作原理一、一、拾音器使用的是与人类耳朵相似的具有频率反应的电话筒。电路把信号放大并将其传送到接口电路。如最常见的电容式拾音器，它内置一个对声音敏感的电容式话筒，声波使话筒内的薄膜振动，导致电容的变化，产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成05 V的电压，经过A/D转换被数据采集器接收并传送给计算机。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器 拾音器的分类二、二、动圈式拾音器动圈式拾音器1.如图6-1所示，动圈式拾音器也称动圈式话筒，是把声音转变为电信号的装置。它是利用电磁感应原理制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（音圈）随着一起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就
4、产生感应电流（电信号）。图6-1 动圈式拾音器学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器动圈式话筒的基本结构如图6-2所示，它主要由振膜、音圈、磁钢、风罩和外壳等组成。图6-2 动圈式话筒的基本结构学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器音圈放置在磁钢的圆形气隙中，黏接在振膜上。当声波作用到振膜上时，振膜带动音圈在磁钢所产生的磁场中做相应振动，从而切割磁力线，音圈两端就会产生感应电动势，于是声波便被转换成相应的音频电信号。由于话筒输出的电动势很弱，通常在话筒输出端配接一个升压变压器，以便与卡拉OK机连接。风罩是话筒的重要附件，能减小由于刮风或移动传声器时产生的猝发气流噪声，衰减近距离讲话时所产生的口
5、齿、呼吸等杂音，还能防止灰尘进入话筒。动圈式话筒是最早使用的话筒，半个多世纪以来，其原理没有变化，但其性能技术指标有了很大提高，优质的动圈式话筒的性能已接近电容式话筒。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器动圈式话筒的特点是使用较简单，无须极化电压，牢固可靠，性能稳定，价格相对便宜。频率特性良好，5015 000 Hz频率的幅频特性曲线平坦。动圈式话筒噪声低，在卡拉OK方面仍广泛使用，它的瞬态响应和高频特性不及电容式拾音器。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容式拾音器电容式拾音器2.如图6-3所示，电容式拾音器即电容话筒。利用一层特殊材料带上电荷，作为电容的一个极，这里的电荷不易释放，与
6、其相隔零点几毫米处有另外一个固定电极，这样就形成一个几皮法的电容器。图6-3 电容式拾音器学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器薄膜电极跟随声波振动而导致它和某一极板的间距也在不断发生变化，使得电容发生变化。又由于它上面带的电荷不变，再根据Q=CU，电压也会随着发生变化，这样就将声音信号转换为电信号了。电容式话筒一般灵敏度都很高，比常用的动圈式话筒灵敏得多。电容式话筒的核心组成部分是极头，由两片金属薄膜组成。当声波引起其振动的时候，金属薄膜间距的不同造成了电容的不同，从而产生电流。电容式话筒一般需要使用外部电压源向电容器供电。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容式话筒的大致结构如图6-4
7、所示。电容的两个极板被分成两个部分，分别被称为振膜和背极。图6-4 电容式话筒的大致结构学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器一般来讲，电容式话筒在灵敏度和扩展后的高频（有时也会是低频）响应方面要优于动圈式话筒，这与电容式话筒需要先将声音信号转换成电流的工作原理有关。通常，电容式话筒的振膜都非常薄，很容易受到声压影响而发生振动，从而引起振膜与振膜舱后背板之间电压的相应改变。而这种电压的改变会经过前置放大器的多倍放大之后，再转换成声音信号输出。由于电容式话筒振膜的面积非常小，因而其对低频或高频声音信号的响应非常灵敏。绝大多数电容式话筒都能够精确捕捉到很多人耳听不到的声音信号。学习单元一学习单元一
8、 拾拾 音音 器器电容式话筒适用于任何需要优质音质、声音清晰的使用场所。由于坚固耐用的结构和处理高声压的能力，电容式话筒是现场扩声或录音的最佳选择，它能对脚鼓、吉他、贝斯音箱进行拾音。电容式话筒的特点为：频率特性好，在音频范围内幅频特性曲线平坦，这一点优于动圈式话筒；灵敏度高，噪声小，音色柔和；输出信号电平比较大，失真小，瞬态响应性能好，这是动圈式话筒所达不到的；同时，电容式话筒的工作特性不够稳定，低频段灵敏度随着使用时间的增加而下降，寿命比较短，工作时需要直流电源而造成使用不方便。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器驻极体拾音器驻极体拾音器3.如图6-5所示，驻极体拾音器即驻极体话筒，它具
9、有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，它属于电容式话筒的一种。由于驻极体话筒的输入和输出阻抗很高，因此要在话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此，驻极体话筒在工作时需要直流工作电压。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器图6-5 驻极体拾音器 学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器驻极体话筒的内部结构如图6-6所示。它由声电转换系统和场效应管两部分组成，其电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线：漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一个电容做信号输出。漏极输出有两根引出线：漏极D经一个电阻接至电源正极，再经一个电
10、容做信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性判别。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器图6-6 驻极体话筒的内部结构在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。再对调两表笔，比较两次测量结果。阻值较小的那次，黑表笔接的是源极S，红表笔接的是漏极D。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。驻极体话筒的工作原理是：高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音振动
11、，因此和背极的距离也跟着变化，即极化膜和背极间的电容是随声波变化。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容上电荷量的计算公式为Q=CU，则U=Q/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变的，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会升高；反之，电容量增加时电容两极间的电压就会降低。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压为栅源极偏置电压UCS，UCS
12、变化时，引起场效应管的源、漏极之间电流IDC的变化，实现了阻抗变换。一般话筒经变换后输出电阻小于2 k。通过阻抗非常高的场效应管将电容两端的电压取出来，同时进行放大，就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒要加一个直流偏置才能工作。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器表征驻极体话筒各项性能指标的参数主要有以下几项：（1）工作电压。这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加在话筒两端的最小直流工作电压。该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的离散性，典型值有1.5 V、3 V和4.5 V。（2）工作电流。这是指驻
13、极体话筒静态时所通过的直流电流，它实际上就是内部场效应管的静态电流。和工作电压类似，工作电流的离散性也较大，通常为0.11 mA。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（3）最大工作电压。这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极两端所能够承受的最大直流电压。超过该极限电压时，场效应管就会被击穿损坏。（4）灵敏度。这是指话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压的大小，其单位通常为mV/Pa（毫伏/帕）或dB（0 dB=1 000 mV/Pa）。一般驻极体话筒的灵敏度为 0.510 mV/Pa或-66-40 dB。话筒的灵敏度越高，在相同大小的声音下所输出的音频信号幅度越大。学习单元一学习单元一
14、 拾拾 音音 器器（5）频率响应。频率响应也称频率特性，是指话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性，常用曲线来表示。一般来说，当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。驻极体话筒的频率响应曲线一般较为平坦，其普通产品频率响应较好（即灵敏度比较均衡）的为100 Hz10 kHz，质量较好的话筒为40 Hz15 kHz，优质话筒可达 20 Hz20 kHz。（6）输出阻抗。这是指话筒在一定的频率（1 kHz）下输出端所具有的交流阻抗。驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3 k。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（7）固有噪声。这是指在没有外界声音时话筒
15、所输出的噪声信号电压。话筒的固有噪声越大，工作时输出信号中混有的噪声就越大。一般驻极体话筒的固有噪声都很小，为微伏级电压。（8）指向性。指向性又称方向性，是指话筒灵敏度随声波入射方向变化而变化的特性。话筒的指向性分单向性、双向性和全向性三种。单向性话筒的正面对声波的灵敏度明显高于其他方向，并且根据指向特性曲线的形状，可细分为心形、超心形和超指向形三种；双向性话筒在前、后方向的灵敏度均高于其他方向；全向性话筒对来自四面八方的声波都有基本相同的灵敏度。常用的机装型驻极体话筒绝大多数是全向性话筒。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器新型拾音器新型拾音器4.目前，新型拾音器主要有MEMS话筒、数字信
16、号传声器、光纤传声器等，应用前景比较好的是MEMS话筒。MEMS（微型机电系统）话筒是基于MEMS技术制造的话筒，简单地说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造，能够承受很高的回流焊温度，容易与CMOS工艺及其他音频电路相集成，并具有改进的噪声消除性能与良好的RF及EMI抑制能力。MEMS话筒的全部潜能还有待挖掘，但采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器目前，实际使用的大多数话筒都是ECM（驻极体电容器）话筒，这项技术已经有几十年的历史，ECM的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。与ECM的聚
17、合材料振动膜相比，MEMS话筒在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS话筒可承受260 的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，因此还可以节省制造过程中的音频调试成本。集成在芯片上的宽带RF抑制功能，不仅对手机这样的RF应用尤其重要，而且对所有与手机操作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器MEMS话筒的小型振动膜还有另一个优点，即轻巧，直径不到1 mm，这意味着，与ECM话筒相比，MEMS话筒会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB噪声产生更低的振动耦合。在音频方面，ME
18、MS话筒也有很多变化。它不仅针对人声进行了优化，还有较高的声学敏感性。除了MEMS话筒，新型拾音器还包括数字信号传声器、阵列传声器、光纤传声器和压电（压电驻极体）传声器、唇语传声器等一些特种传声器。随着制造技术和信息技术的发展，会有更多的新型拾音器出现，也必将给人们的生活带来巨大的改变。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器思考与练习问题1 常见的拾音器有哪几种？其主要区别是什么？思考：问题2 拾音器的主要应用有哪些？思考：学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器课堂体验基本内容（1）最佳的声源是音叉，可以尝试比较不同声源的波形，如研究人类的声音、口哨、电子键盘及其他乐器，也可以尝试用两种频率几
19、乎相同的声音来产生音拍的波形图。可以对声音强弱进行调整，使得声音传感器能产生最佳的波形。如果声音太大，在波形的顶部或底部就会产生波形“缺失”现象。可以试着把声音传感器离声源稍远些，并把音量调得稍低些，观察有什么变化。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（2）驻极体话筒的灵敏度检测。在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。将模拟式万用表拨至R100挡，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动
20、幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜采用。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。近几十年来，超声波检测技术在工业领域中的应用与其他无损检测手段相比，无论从使用效果、经济价值和适用范围来看，都有很广泛的发展前途。超声波检测主要应用在物位检测、厚度检测和金属探伤；在医学上，主要用于超声检查、超声清洗等。本学习单元主要是让学生掌握超声波传感器的基本工作原理和应用领域。学习单元
21、二学习单元二 超声波传感器超声波传感器 超声波和超声波传感器一、一、超声波及其性质超声波及其性质1.振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率为20 Hz20 kHz，能为人耳所闻的机械波称为声波；低于20 Hz的机械波称为次声波；高于20 kHz的机械波称为超声波，频率为300 MHz300 GHz的波称为微波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形不同，一般有以下几种：纵波，即质点振动方向与波的传播方向一
22、致的波，它能在固体，液体和气体介质中传播；横波，即质点振动方向垂直于传播方向的波它只能在固体介质中传播；表面波，即质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度，纵波、横波及表面波的传播速度与介质密度和弹性特性有关；在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速有一定的关系，一般横波声速为纵波的1/2，表面波声速为横波声速的90%。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此仅有纵波的传播。超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，在气体中的传
23、播距离会明显比在液体和固体中的传播距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理2.如图6-7所示，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。图6-7 超声波传感器学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器统称为压电式超声波探头，按其工作原理可分为压电式
24、、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。根据其结构不同，超声波探头可分为直探头式、斜探头式和双探头式，其中直探头式的结构如图6-8所示。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器 图6-8 超声波直探头的结构1换能片；2绝缘柱；3盖；4导电螺杆；5接线片；6压电片座；7外壳；8压电晶片；9保护膜；10吸收块学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波直探头主要
25、由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为，超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，压电晶片的底面接地线，上面接导线引至电路中。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有吸收块，当激励的电脉冲信号停止时，压电晶片因惯性作用会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差；当吸收块的声阻抗等于压电晶片的声阻抗时，效果最佳。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测液位超声波测液位 1.超声波传感器的应用二、二、超声波测液位是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制成的。如果从发射超声脉冲开始，到换能器接收到反射波
26、为止的这个时间间隔为已知，就可以求出液面的高度。根据发射和接收换能器的功能，传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器完成。图6-9所示为几种超声波液位检测的原理示意图。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图6-9(a)所示；也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图6-9(b)所示，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图6-9 超声波测液位原理图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器对于单换能器，
27、超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间设为t，则 h=ct/2式中，h为换能器距液面的距离；c为超声波在传播的速度。对于双换能器，液位高度则为 式中，s=ct/2；2a为两个传感器探头的直线距离。从以上公式可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位高度。基于同样原理，可以应用超声波测距方法，实现机器人或智能轮椅的避障、定位、环境地图构建等工作。22ash学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测厚度超声波测厚度2.用超声波测量金属零件、钢管等材料的厚度，具有测量精度高、测试仪器轻便、操作安全简单、易于读数和可实现连续自动检测等优点；但对于声衰
28、减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状很不规格的零件，超声波测量就很难实现。超声波测厚度常用脉冲回波法，其测厚原理框图如图6-10所示。图6-10 超声波测厚原理框图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器主控制器产生一定重复频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大激励压电式探头，以产生重复的超声脉冲，并耦合到被测工件中。脉冲传播到工件的另一面被反射回来，被同一探头接收，若超声波在工件中的传播速度v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为t且可以测量，则可以求出工件的厚度为d=vt/2。时间t的测量，可用示波器的方法，将发射和回波反射脉冲加至示波器的垂直偏转板上，标记发生器
29、输出已知时间间隔的脉冲也加在示波器的垂直偏转板上，线性扫描电压加在水平偏转板上，因此可以从示波器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测速度超声波测速度3.超声波碰到活动物体能产生多普勒效应。因此，超声波可以用于车速的检测等速度测量领域。若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为f0的连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f1，f1与f0服从多普勒关系。如果超声波发射方向和移动物体的夹角
30、已知，就可以通过多普勒关系表达式得出物体的移动速度v。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器发射机发射出的超声波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动，如图6-11（a）所示。被测物体作为接收机接收到的频率为 f1=f0+v/0 如果把f1作为反射波向接收机发射信号，如图6-11（b）所示，接收机接收到的信号频率为 f2=f1+v/1=f0+v/0+v/1 图6-11 多普勒效应示意图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，因此可近似认为0=1，则 f2=f0+2v/0 由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即 fd=f2f0=2v
31、/0 由此可见，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率之差来描述。图6-12所示为多普勒雷达检测线速度工作原理图。多普勒雷达的电路由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。fd=2vcos/0 学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测速还适合对含有较多杂质的流体进行流速测量，超声多普勒法只是其中一种，还有频差法和时差法等。图6-12 多普勒雷达检测线速度工作原理图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器的其他应用超声波传感器的其他应用4.超声波传感技术应用在生产实
32、践的不同方面，其中医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高，因而容易推广，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的原理，其中以利用超声波的反射最为典型。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多
33、技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然，更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波技术将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测、机器人防撞、各种超声波接近开关及防盗报警等相关领域。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器（1）超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。（2）超声波传感器可用于检测透明物体，液体，任何
34、表面粗糙、光滑和不规则物体，但不适用于室外、酷热环境或压力罐及泡沫物体。（3）超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。它配合新技术可在潮湿环境、噪声环境、温度剧烈变化环境等进行探测。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器（4）超声波传感器可用于探测液位，探测透明物体和材料，控制张力及测量距离，主要用于包装、制瓶、物料搬运、塑料加工及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控，以提高产品质量、检测缺陷、确定有无及解决其他相关问题。（5）超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损检测。它对透明或有色物体，金属或非金属物体，液体、粉状物质均能检测，其检测性能几
35、乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器思考与练习问题1 什么是超声波？其频率范围是多少？思考：问题2 超声波测距的基本方法是什么？思考：学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波传感器是继超声波、激光、红外和核辐射等传感器之后的一种新型非接触式传感器。它不仅可用于卫星通信、卫星发送等无线通信，而且在雷达、导弹诱导、射电望远镜等方面也有应用。由于微波与物质的相互作用，在工业中，微波传感器对材料无损检测及物位检测具有独到之处。它在工业、农业，能源，国防、公安，生物医学，环境保护和科学研究等方面具有广阔的应用前景。本学习单元主要介绍微波传感器
36、的基本工作原理和分类。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器 微波传感器的工作原理一、一、微波是波长为1 mm1 m 的电磁波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同，它广泛用于液位、物位、厚度及含水量的测量。微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波传感器同时具有以下特点：传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光
37、的影响很小，介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波传感器由微波振荡器、微波天线和微波检测器三部分组成。微波振荡器是产生微波的装置，由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管；由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（波长在10 cm以上可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线等。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器喇叭形天线结构简单，制造方
38、便，可看作波导管的延长，它在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出；抛物面天线使微波发射方向得到改善。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来获得被测量的，一般它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数；遮断式微波传感器是通过检测接收天线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体或被测物体的位置、被测物中的含水量等参数。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器 微波传感器的分类二、二、微波式物位传感器微波式物位传感器1.微波传感器测物位的原理框图如图6-13所示。当被测物位较低时，
39、发射天线发出的微波束全部由接收天线接收到，经检波、放大及电压比较后，显示正常工作、放大与电压比较后，低于设定电压值，显示被测物位位置高于设定的物位信号。图6-13 微波传感器测物位的原理框图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波式液位传感器微波式液位传感器2.微波传感器测液位的原理图如图6-14所示。相距为S的发射天线和接收天线间构成一定角度，波长为的微波从被测液面反射后进入接收天线，接收天线收到的功率将随着被测液面的高低而变化，当发射功率、波长、增益均为恒定时，只要测得接收功率Pr就可获得被测液面的高度d。图6-14 微波传感器测液位的原理图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器
40、微波式厚度传感器微波式厚度传感器3.微波传感器测厚的原理图如图6-15所示。在被测金属物体上、下两表面各安装一个终端器，由上终端器发射到被测物体上表面，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环形器A、下传输波导管传输到下终端器。图6-15 微波传感器测厚的原理图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器24 GHz24 GHz雷达传感器雷达传感器4.24 GHz雷达传感器也是微波传感器的一种，常见的有10 GHz、24 GHz、35 GHz和 77 GHz频段。其中，24 GHz和77 GHz因为在大气中衰弱较弱，所以常被运用于交通测速雷达、汽车变道辅助系统、水位计、汽车
41、ACC雷达巡航系统、天车防撞、机场防入侵、自动门感应和水龙头感应等。相对于传统的喇叭天线型微波传感器，此类传感器采用平面微带技术，具有稳定性高、体积小、感应灵敏等特点。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器思考与练习问题1 什么是微波？其波长范围是多少？思考：问题2 微波传感器的检测原理是什么？思考：学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别无线射频识别（radio frequency identification，RFID）技术是自动识别技术的一种。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描。对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物，并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码
42、传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。RFID技术是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别射频识别技术是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去的，以
43、自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电源；也有的标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车上，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度；仓库可以追踪药品的所在；射频标签也可以附于牲畜与宠物身上，方便对其的积极识别（积极识别的意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入建
44、筑锁住的部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。某些射频标签附着在衣物、个人财物上，甚至于植入人体。由于这项技术可能会在未经本人许可的情况下读取个人信息，也会有侵犯个人隐私的可能。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID技术原理一、一、最初在技术领域，应答器是指能够传输信息、回复信息的电子模块。近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被称为智能标签或标签，如图6-16所示。RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的读写器由高频模块（发送器和接收器）、控制单元及读写器天线组成
45、。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别图6-16 标签学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFID系统的基本组成包括电子标签、读写器和应用软件。电子标签即应答器，是由天线、耦合元件及芯片组成的，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别如图6-17所示，读写器（reader）是由天线、耦合元件和芯片组成的，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器（如C5000W）或固定式读写器；应用软件是应用层软件，主要是对收集的数据进行进一步处理，并为人们所使用。图6-17 手持式RFID读写器学习单元四学
46、习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的特点技术的特点1.RFID技术具有射频技术的特点，射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢等恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100 ms。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点，可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的工作原理技术的工作原理2.RFID技术的工作原理是读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。从RFID读写器及电子
47、标签之间的通信及能量感应方式来看，RFID技术大致上可以分成感应耦合（inductive coupling)及后向散射耦合（backscatter coupling）两种。一般低频的RFID技术大都采用第一种方式，而较高频的RFID技术大多采用第二种方式。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别读写器根据使用的结构和技术不同可以是读装置或读/写装置，它是RFID系统的信息控制和处理中心。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。读写器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读写器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WL
48、AN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合元件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的发展进程技术的发展进程3.19401950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定射频识别技术的理论基础。19501960年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室研究阶段。19601970年，射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别19701980年，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种
49、射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。19801990年，射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。19902000年，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛应用，射频识别产品逐渐成为人们生活的一部分。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别2000年后，标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。现在射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技
50、术与产品正在成为现实并走向应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID的分类二、二、依据工作频率的不同，RFID系统可以分为低频、高频、超高频等；依据电子标签供电方式的不同，可以分为有源标签、无源标签和半有源标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别依据工作频率的分类依据工作频率的分类1.目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中，感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源感应器在不同工作频率时产品的特性及主要应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（1）低频（
