1、第10章辐射与波式传感器辐射与波式传感器学习导航知识单元与知识点红外辐射、微波、超声波的概念与特性；红外、微波、超声波传感器的工作原理；红外、微波、超声波传感器的应用。智能传感器、模糊传感器、微传感器、网络传感器和生物传感器的概念、特点、基本结构及应用等。能力点理解红外辐射、微波、超声波的概念与特性；会分析红外探测器的分类与工作原理；把握微波传感器的分类、组成、特点；会分析超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。理解新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器、网络传感器和生物传感器）的概念、特点。重难点重点：红外辐射、微波、超声波的概念与特性；红外传感器、微波
2、传感器与超声波传感器的工作原理；新型传感器（智能传感器、模糊传感器、微传感器与网络传感器）的概念、特点。难点：红外热释电传感器工作原理；网络传感器的体系结构。学习要求了解红外辐射、微波、超声波和新型传感器的概念与基本特性；了解红外探测器、微波传感器、超声波传感器的工作原理。10.1 红外传感器10.1.1 工作原理工作原理红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。电磁波谱图 红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本
3、质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。红外探测器红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、
4、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测热探测器和光子探测器器和光子探测器两大类。1.热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器主要优点是响应波段宽响应波段宽，响应范
5、围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和高莱气动型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最热释电型探测器在热探测器中探测率最高，高，频率响应最宽频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。热释电效应热释电效应：由于温度变化而产生电荷的现象在外加电场作用下，电介质中的带电粒子（电子、原子核等）将受到电场力的作用，正电荷趋向阴极、负电荷趋向阳极，结果电介质的一个表面带正电，相对表面带负电，这就是“电极化”电压去除后，大多数电介质的极化状态消失，但铁电体会保持
6、思考：图中的红外光起什么作用？思考：图中的红外光起什么作用？“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外红外辐射辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度就是“居里点居里点”。在居里点以下，极化强度是温度的函数。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢温度变化的快慢，从而反映出入射，从而反映出入
7、射的红外辐射的强弱，的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率变化的速率。当铁电体薄片的温度达到平衡值时，表面电荷达到平当铁电体薄片的温度达到平衡值时，表面电荷达到平衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。极化强度与温度（变化）的关系回答：图中的红外光起什么作用？回答：图中的红外光起什么作用？2.光子探测器（参考光电式传感器部分）光子探测器（参考光电式传感器部分）光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探
8、测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。10.1.2 红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。物体单位面积所发射的辐射功率斯蒂藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律：4WTWT物体表面的法向比辐射率（一般物体在0与1之间，1为黑体斯蒂藩-玻尔兹曼常数物体的绝对温度1 红外测温仪前放前放：起阻抗转换和放大作用选放选放：只放大调制频率的信号，抑制其它频率的噪声同步检波同步检波：将交流输入信号变换成峰峰值的直流信号输出加法器加
9、法器：将环境温度与测量值相加，实现环境温度补偿发射率调节电路发射率调节电路：实为放大电路，恢复测量信号相对于标定值减小的部分多谐振荡器多谐振荡器：通过一系列分频器输出一定时序的方波信号，驱动步进电机和同步检波器的开关电路 2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同不同气体其吸收波段（吸收带）不同，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可
10、以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。空气中双原子气体双原子气体具有对称结构，无极性（如N2，O2，H2），以及单原子惰性气体单原子惰性气体（如He,Ne,Ar），它们不吸收红外辐射不吸收红外辐射。红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，透过的射线强度I按指数规律减弱（朗伯贝尔定律朗伯贝尔定律）：0clII e0II，吸收后、吸收前射线强度吸收系数cl，介质浓度和介质厚度几种气体对红外线的透射光谱 100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)23456789 10 11 12 13 14 15/m23456789 10
11、11 12 13 14 15/mCOCO2CH4C2H4C2H6C2H2 光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线 切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线 测量室中通入被分析气体，参比室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。红外线气体分析仪测量方案 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比室，由于测量室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 m的红外线有较强的吸收能力，而参比室中气体不吸收红外线参比室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个
12、吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。红外线气体分析仪结构原理图 红外线气体分析仪测量原理为了消除干扰气体对测量结果的影响。为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45
13、m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。设置滤波气室的目的10.2 微 波 传 感 器微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质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微波传感器是一种新型非接触式测量传感器 微波是波长为1 mm1 m的电磁波，可以细分为三个波段。10.2.1 微波传感器的原理和组成微波特点：需要定向辐射装置；遇到障碍物容易反射；绕射能力差；传输
14、特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小；介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对水对微波的吸收作用最强微波的吸收作用最强。微波传感器的测量原理及分类微波传感器的测量原理及分类原理原理：发射天线发出微波信号，该微波信号在传播过程中遇到被测物体时将被吸收或反射，导致微波功率发生变化，通过接收天线将接收到的微波信号转换成低频电信号，再经过后续的信号调理电路等环节，即可显示出被测量分类分类：分为反射式和遮断式两类。1.反射式微波传感器反射式微波传感器 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检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量
15、物体的位置、位移、厚度等参数。2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器 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检测接收天线收到的微波功率大小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厚度、含水量等参数的。微波传感器的组成微波传感器的组成 微波传感器通常由微波发生器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。1.微波发生器微波发生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、磁控管调速管、磁控管或某些固态器件某些固态器件
16、，小型微波振荡器也可以采用体效应管体效应管。2、微波天线微波天线由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用常用的天线有喇叭形、的天线有喇叭形、抛物面形、抛物面形、介质天线与隙缝天线等介质天线与隙缝天线等。喇叭形天线喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线抛物面天线使微波发射方向性得到改善。常用的微波天线(a)扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线(a)(b)(c)(d)3.微波检测器微波检测器 电磁波作为空间的
17、微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件可用种类较多（半导体PN结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。微波传感器的优点微波传感器的优点 微波传感器是一种非接触式传感器，如进行活体检测时，大部分不需要取样；其波长在1 1，对应的频率范围为，因此有极宽的频谱；可在恶劣环境下工作，如高温、高压、有毒、有放射线等，它基本不受烟雾、灰尘、温度等影响；频率高，时间常数小，反应速度快，可用于动态检测与实时处理；测量信号本身是电信号，无须进行非电量转换，简化了处理环节；输出信
18、号可以方便地调制在载波信号上进行发射和接收，传输距离远，可实现遥测、遥控；不会带来显著的辐射。缺点：微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，测量环境对测量结果影响大，如温度、气压、取样位置等。微波传感器的应用微波传感器的应用 微波发射天线Sd微波接收天线 微波液位计微波液位计22244ttrrPGGPsd微波湿度传感器微波湿度传感器 水分子是极性分子。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。这个特性可用水分子自身介电常数来表征，即=+与不仅与材料
19、有关，还与测试信号频率有关,所有极性分子均有此特性。一般干燥的物体，其在15范围内，而水的则高达64，因此如果材料中含有少量水分子时，其复合将显著上升，也有类似性质。注意手机的使用！使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。酒精含水量测量仪框图 微波多普勒传感器微波多普勒传感器 微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率发生偏移，如下式所示：式中fd是多卜勒频率 cosdvf 当物体
20、靠近靶时,多卜勒频率fd为正；远离靶时，fd为负。输入接收机的反射波的电压可用下式表示：4sin 2dddruUf t因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，用此方法不能测定距离。为此考虑发射波长（频率）稍有考虑发射波长（频率）稍有不同的两个电波不同的两个电波1和和2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为，则可求出距离距离r：1221114 r12124r 10.3.1 超声波工作原理超声波工作原理波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16 Hz的机械波超声波：高于2
21、104 Hz的机械波声波的频率界限图 超声波的波型 纵波质点振动方向与波的传播方向一致的 波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播；横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传播；表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。超声波的传播速度 纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在9001900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者
22、的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90。超声波的反射和折射 超声波的反射和折射 21sinsincc超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：xxeII20 xxePP0式中:xP、xI 声波在距声源x处的声压和声强；0P、0I 声波在声源处的声压和声强；x 声波与声源间的距离；衰减系数。压电式超声波传感器 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固
23、有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。（“电致伸缩”）压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。通用型（几十kHz)高频型(100kHz)压电式超声波传感器结构 磁致伸缩式超声波传感器 磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理来工作的。磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的
24、内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录或显示出来。超声波传感器的应用脉冲回波法检测厚度工作原理超声波测厚超声波测厚超声波测物位(d)(c)(b)(a)几种超声波检测物位工作原理 2v th22hsa2v ts超声波测流量 超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求得流体的流速和流量。时差法测流量时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量 超声波测流体流量工作原理 1cosLtcv2cosLtcv2122222cos2coscosLvLvtttcvc 22 co
25、scvtL超声波探伤 穿透法探伤穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。反射法探伤反射法探伤：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。穿透法探伤穿透法探伤 优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理 一次脉冲反射法一次脉冲反射法 一次脉冲反射法探伤原理 多次脉冲反射法多次脉冲反射法 多次脉冲反射法探伤原理 10.4 新型传感器新型传感器是相对于传统
26、传感器而言，随着技术的发展和时间的推移，于近年新出现的一类传感器新型传感器在智能化、多功能化、综合性、微型化、集成化、网络化等方面具有区别于传统传感器的明显特征其检测信号的种类越来越丰富、检测功能越来越强大、检测精度越来越高，应用越来越广泛10.4.1 智能传感器智能传感器智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断、量程自动转换、漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器智能传感器的特点智能传感器的特点精度高高可靠性与高稳定性高信噪比与高分辨率自适应性强性能价格比高10.4.2 模糊传感器模糊传感器模糊传感器是以数值测量为
27、基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器具体地说，将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石模糊传感器的一般结构模糊传感器的基本功能模糊传感器的基本功能学习推理联想感知通信10.4.3 微传感器微传感器常用微加工工艺及设备概念与特点微传感器是利用集成电路工艺和微组装工
28、艺，基于各种物理效应的机械、电子元器件集成在一个基片上的传感器特点：（1）空间占有率小。对被测对象的影响少，能在不扰乱周围环境，接近自然的状态下获取信息。（2）灵敏度高，响应速度快。由于惯性、热容量极小，仅用极少的能量即可产生动作或温度变化。分辨率高，响应快，灵敏度高，能实时地把握局部的运动状态。（3）便于集成化和多功能化。能提高系统的集成密度，可以用多种传感器的集合体把握微小部位的综合状态量；也可以把信号处理电路和驱动电路与传感元件集成于一体，提高系统的性能，并实现智能化和多功能化。（4）可靠性提高。可通过集成构成伺服系统，用零位法检测；还能实现自诊断、自校正功能。把半导体微加工技术应用于微
29、传感器的制作，能避免因组装引起的特性偏差。与集成电路集成在一起可以解决寄生电容和导线过多的问题。（5）消耗电力小，节省资源和能量。（6）价格低廉。能多个传感器集成在一起且无须组装，可以在一块晶片上同时集成几个传感器，从而大幅度降低材料和制造成本。10.4.4 网络传感器网络传感器网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器目前，主要有基于现场总线的网络传感器和基于以太网（Ethernet）协议的网络传感器两大类基于基于IEEE1451标准的网络传感器标准的网络传感器网络传感器测控系统体系结构网络传感器测控系统体系结构10.4.5 生物传感器生物传感器生物传感
30、器是指利用固定化的生物分子作为敏感元件，用来探测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置基本结构包括两个主要部分：一是生物分子识别元件(感受器)，是具有分子识别能力的固定化生物活性物质(如酶、蛋白质、微生物、组织切片、抗原、抗体、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、生物膜等)，为生物传感器信号接收或产生部分二是信号转换器(换能器)，属于仪器组件的硬件部份，为物理信号转换组件（主要有电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振器等）工作原理生物传感器是通过被测定分子与固定在生物接受器上的敏感材料（称为生物敏感膜）发生特异性结合，并发生生
31、物化学反应，产生热焓变化、离子强度变化、pH变化、颜色变化或质量变化等信号，产生信号的强弱在一定条件下与特异性结合的被测定分子的量存在一定的数学关系，这些信号经换能器转变成电信号后被放大测定，从而获得被测定分子的量分类分类根据传感器输出信号的产生方式，可分为亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器根据生物传感器中信号检测器（分子识别元件）上的敏感物质分类。可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、DNA传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法根据生物传感器的信号转换器分类。分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等。根据检测对象的多少，分为以单一化学物质为检测对象的单功能型生物传感器和同时检测微量多种化学物质的多功能型生物传感器。根据生物传感器的用途可分为免疫传感器、药物传感器等应用
