搜索关键字
新型传感器
中国超声波设备网 2006-11-27 13:23:24 作者:SystemMaster 来源: 进入超声波论坛
9.1 光纤传感器
光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器.光纤传感器具有灵敏度高,不受电磁波干扰,传输频带宽,绝缘性能好,耐水抗腐蚀性好,体积小,柔软等优点.目前已研制出多种光纤传感器,可用于位移,速度,加速度,液位,压力,流量,振动,水声,温度,电压,电流;磁场,核辐射等方面的测量.应用前景十分广阔.
9.1.1 光纤传感器的基础知识
9.1.1.1 光纤传感器的工作原理
图9.1.1是光纤的结构示意图.它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成.包层的外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层,使光纤具有一定的机械强度.纤芯由比头发丝还细的玻璃,石英和塑料等透明度良好的电介质构成,其折射率略大于包层的折射率,一般包层直径为几微米到几十微米.
设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为 (其典型值是n1=1.46～1.51,n2 =1.44～1.50),且n1> n2.当光线从空气(折射率为n0)中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ0,则在光纤内折射成角θ0的光线B,然后光线B以φ1 (φ1=90°-φ1)角入射到纤芯与包层的交界面上.由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2),光线B的一部分光被反射,成为反射光D;另一部分光折射成为折射光C.这时入射光线与折射光线应满足
n1sinφ1 = n2sinφ2 (9-1-1)
由于n1> n2,当φ1为某值时,可使φ2=90°,即折射光沿界面传播,此现象称为全反射.使φ2=90°的φ1角称为临界角,以φ0表示.由式(7-1)可知(因sinφ2=1),其临界角为
(9-1-2)
即
例如:n1=1.51,n2=1.48,则φ0=87.2
若继续加大入射角φ1,(即φ1≥φ2),光不再产生折射,而形成了光的全反射,光线被限制在纤芯中传播.于是式(9-1-2)为
(9-1-3)
这就是光纤传光的基本工作原理.
在实际应用中,更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时,能使折射光完全在纤芯中传播,即如图9.1.1所示中,φ0角为何值时方能使φ1≥φ2.当光线在A点(空气中,其折射率为n1)入射,则有
(9-1-4)
式中θ1=90°-φ1.
要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射,应满足式(9-1-3),而
所以 (9-1-5)
将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得
(9-1-6)
这就是能产生全反射的最大入射角范围.入射角的最大值可由式(9-1-6)求出
(9-1-7)
若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径Na这个概念,则
(9-1-8)
Na是光纤的一个基本参数,它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值,反映了光纤的集光能力.可以证明
当Na ≤1时,集光能力与的平方成正比;
当Na ≥1时,集光能力可达最大.
从式(9-1-8)可看出,纤芯与包层的折射率差值越大,数值孔径就越大,光纤的集光能力越强.以上我们讨论光纤的传光原理时,忽略了光在传播过程中的各项损耗.实际上入射于光纤中的光,存在有损耗(如费涅耳反射损耗,光吸收损耗,全反射损耗,弯曲损耗等),其中一部分光在传播途中就损失了,因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去.
9.1.1.2 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类.
在物性型光纤传感器中,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,即是利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅),相位,偏振态,波长等进行调制而构成的一类传感器.其中有光强调制型,光相位调制型,光偏振调制型等.物性型光纤传感器的光纤本身就是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度,尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器,具有极高的灵敏度.制造这类传感器的技术难度大,结构复杂,调整较困难.
结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件,只是作为传光元件.一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测的.这里光纤只作为光的传输回路,所以要使光纤得到足够大的受光量和传输的光功率.这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤.结构型光纤传感器结构简单,可靠,技术上易实现,但灵敏度,测量精度一般低于物性型光纤传感器.
光纤传感器一般由光源,光纤,光电元件等组成.根据光纤传感器的用途和光纤的类型,对光源一般要提出功率和调制的要求.常用的光源有激光二极管和发光二极管.激光二极管具有亮度高,易调制,尺寸小等优点.而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点.除此之外,还有采用白炽灯等作光源.
9.1.2 光纤传感器的应用
9.1.2.1 物性型的光纤微弯曲式传感器
光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的,这样可以免除周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用.另外还有灵敏度高,结构简单,动态范围宽,线性度较好,性能稳定等优点.
9.1.2.2 结构型的传输光光纤传感器
在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中,主要依据敏感元件对光强的调制.如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图.该传感器是通过半导体光吸收片吸收光的能量,对传输光的光强进行调制的一个实例.在图中输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片,并用不锈钢管加以固定,使半导体与光纤成为一体.其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件.由半导体物理可知,在光源给定的情况下,通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小.在该图中采用了恒流源电路激励光源.该测试系统组成时,须将光纤的一端与光电接收点固化耦合,光纤的另一端与发光二极管固化耦合.这样构成了一个光纤耦合器.敏感元件的夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的.系统组成并通过调试后,光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体敏感元件,透射光强受到所测温度的调制,并由输出光纤接收,传到光电探测器(如光电二极管),转换成电信号输出,从而达到测温的目的.该系统的温度测量范围为-20~300℃,精度约为3℃,响应时间常数约为2s,能在强电场环境中工作.
利用光纤构成的传感器还有很多,目前真正实用化的光纤传感器尚不多.主要原因是噪声源,检测方法,封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决.
9.1.2.3 nxSensor-I型三维激光扫描传感器
1.概述:
nxSensor-I是美国nextWare公司(www.nextwareinc.com)最新推出的获取三维空间中不透明物体表面形状的新型传感器,是世界上最为精确的激光图象传感器之一,可广泛用于三座标测量,逆向工程,产品设计,仿形,修改和模具制造等领域
2.基本工作原理:
该传感器是激光技术,电子成像和数字信号处理等学科的完美结合.是测量物体表面坐标的同类产品中最为先进的.与其他传统的激光器件或传感器不同,nxSensor-I不需在计算机中插入内置板卡,
而是通过嵌入式的DSP技术和
软件自动处理图象并直接实时
的产生3D坐标.基于USB的即插
即用的特性使得nxSensor-I可
以非常容易的工作在PC和其它
系统中.有了高效,精确,
便携的nxSensor-I,您将不会
再为如何将三维物体输入计算机
而烦恼.一切都变得简单!
借助数控机床,加工中心或
专用机械装置就可以构成能
测量任何大小工件的逆向工程
系统.三维激光扫描传感器
工作流程如图9.1.4所示:
图9.1.4 三维激光扫描传感器工作流程
3.性能参数:
传感器型号: nxSensor-I
Standoff: 170mm
完整测量范围:-70(z) x 60mm(y)(far end) ~ + 50(z) x 30(y)mm (near end)
最佳范围: -30(z) x 45mm(y)(far end) ~ + 30(z) x 35(y)mm (near end)
最大采样点: 最大每秒6,400点
分辨率: 5 um
精确度: up to 25 um
工作温度: 20~30 C
工作电压: DC +12V at 0.5A
保存温度: 10~50 C
适用操作系统:Windows 98/2000/XP
尺寸: 138mm (L) x 93mm (W) x 39mm (H)
重量: 0.4kg
9.2 红外线传感器
红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性,实现自动检测的传感器.在物理学中,我们已经知道可见光,不可见光,红外光及无线电等都是电磁波,它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已.下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图9.2.1所示的波谱图,称之为电磁波谱.
_
图9.2.1 电磁波波谱图
从图中可以看出,红外线属于不可见光波的范畴,它的波长一般在0.76—600μm之间
(称为红外区).而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm),中红外(1.5一l0μm)和远
红外(10μm以上),在300μm以上的区域又称为"亚毫米波".近年来,红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科.它已经广泛应用于生产,科研,军事,医学等各个领域.
9.2.1 红外辐射的产生及其性质
红外辐射是由于物体(固体,液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的.这类振动过程是物体受热而引起的,只有在绝对零度(-273.16℃)时,一切物体的分子才会停止运动.所以在绝对零度时,没有一种物体会发射红外线.换言之,在一般的常温下,所有的物体都是红外辐射的发射源.例如火焰,轴承,汽车,飞机,动植物甚至人体等都是红外辐射源.
红外线和所有的电磁波一样,具有反射,折射,散射,干涉及吸收等性质,但它的特点
是热效应非常大,红外线在真空中传播的速度c=3×108m/s,而在介质中传播时,由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减.红外线的衰减遵循如下规律
(9-2-1)
式中,I为通过厚度为x的介质后的通量;I0为射到介质时的通量;e为自然对数的底;K为与介质性质有关的常数.
金属对红外辐射衰减非常大,一般金属材料基本上不能透过红外线;大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线;液体对红外线的吸收较大,例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小,当厚度达到lcm时,水对红外线几乎完全不透明了;气体对红外辐射也有不同程度的吸收,例如大气(含水蒸汽,二氧化碳,臭氧,甲烷等)就存在不同程度的吸收,它对波长为1～5μm,8～14μm之间的红外线是比较透明的,对其他波长的透明度就差了.而介质的不均匀,晶体材料的不纯洁,有杂质或悬浮小颗粒等,都会引起对红外辐射的散射.
实践证明,温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长.由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长,就可以达到测量的目的.
9.2.2 红外线传感器的类型
能把红外辐射转换成电量变化的装置,称为红外传感器,主要有热敏型和光电型两大类.
热敏型是利用红外辐射的热效应制成的,其核心是热敏元件.由于热敏元件的响应时间长,一般在毫秒数量级以上.另外,在加热过程中,不管什么波长的红外线,只要功率相同,其加热效果也是相同的,假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话,那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应,所以称其为"无选择性红外传感器".这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类.
光电型是利用红外辐射的光电效应制成的,其核心是光电元件.因此它的响应时间一般比热敏型短得多,最短的可达到毫微秒数量级.此外,要使物体内部的电子改变运动状态,入射辐射的光子能量必须足够大,它的频率必须大于某一值,也就是必须高于截止频率.由于这类传感器以光子为单元起作用,只要光子的能量足够,相同数目的光子基本上具有相同的效果,因此常常称其为"光子探测器".这类传感器主要有红外二极管,三极管等.
9.2.3 红外线传感器的应用
在锻造厂里,工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900~C,其误差不得超过±5~C,否则会影响锻件的质量,所以控制锻件的温度是一关键问题.以往的办法是由工人目测温度,看到差不多了,把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压.而现在采用红外辐射测温计,通过加热炉口可以直接对准工件的表面,可以测量出工件的温度,如图9.2.2所示.
当锻件加热到900~C时,红外探测器便输出电信号,启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工.这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化.
市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显示仪表,它利用被测物的热辐射来确定物体温度,测温范围600℃以上.测量距离是根据被测物目标大小来确定的,被测物目标越大,测量距离越远.测量误差小于量程上限的1%.
HBW-B型测温仪由传感器(探头)和仪器箱两部分组成,中间由五芯屏蔽电缆线连接.
红外感温器(探头)是一个典型的红外测温传感器,它的探测元件是硅光电池,工作波段为0.65～1.1μm,感温器之间具有互换性.
仪器箱(电子信号处理器)具有十分完备的功能,除了辐射系数修正,线性化处理两种必备的功能外,它尚有平均值,峰值,轧钢测温,超量程报警等八种功能可供用户选择采用.
HBW-B型仪表广泛用于冶金,机械等各种场合和陶瓷,玻璃等各种材料.对响应速度快,运动物体,高温,高压等不能应用接触式(如热电偶)测温仪表的场合尤其有效.
9.2.3.2 热释电人体红外线传感器
热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件,现在已得到越来越广泛的应用,从原理上分析,它主要有主动式和被动式两类.
1)热释电人体红外线传感器的基本结构和原理
目前,市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02,PH5324,德国产的LH1954,LH1958,美国HAMAMATSU公司产P2288,日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1,RS02D等.虽然它们的型号不一样,但其结构,外型和电参数大致相同,大部分可以彼此互换使用.
热释电人体红外线传感器(以下简称:传感器)由敏感单元,阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成.图9.2.3为P2288,SD02,SCA02-1的外形图.图9.2.3a为它们的顶视图,其中较大的矩形部分为滤光窗,两个虚线框矩形为敏感单元,面积约2×1mm2 ,间距1mm.图9.2.3b为侧视图;图9.2.3c为底视图.
_Ⅰ..敏感单元
其内部结构见图9.2.3a及图9.2.4.对不同的传感器来说,敏感单元的制造材料有所不同.如,SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成;P2288由LiTaO3 制成.这些材料再做成很薄的薄片,每一片薄片相对的两面各引出一根电极,在电极两端则形成一个等效的小电容 ,如图9.2.4中的P1,P2.因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的,而它们形成的等效小电容能自身产生极化,极化的结果是,在电容的两端产生极性相反的正, 负电荷.但这两个电容的极性是相反串联的.这正是传感器的独特设计之处,因而使得它具有独特的抗干扰性.
_当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时, 由于P1,P2自身产生极化,在电容的两端产生极性相反,电量相等的正,负电荷,而这两个电容的极性是相反串联的,所以,正,负电荷相互抵消,回路中无电流,传感器无输出.
当人体静止在传感器的检测区域内时,照射到P1,P2上的红外线光能能量相等,且达到平衡,极性相反,能量相等的光电流在回路中相互抵消.传感器仍然没有 信号输出.同理,在灯光或阳光下,因阳光移动的速度非常缓慢,P1,P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的,且在回路中相互抵消;再加上传感器的响 应频率很低(一般为0.1~10Hz),即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5~15um),因此,传感器对它们不敏感.
_从原理上讲,任何发热体都会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化导 致电信号的产生.环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(一般为0.1~10Hz)和对特定波长红外线(一般为 5~15um)的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化对人体而言就是移动.所以,传感器对人体的移动或运 动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰.
_Ⅱ.滤光窗
它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,如图2中的M,滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线.例如,SCA02-1对 7.5~14um波长的红外线的穿透量为70%,在6.5um处时下降为65%,而在5.0um处时陡降为0.1%;P2288的响应波长为 6~14um,中心波长为10um.
物体发射出的红外线辐射能,最强波长和温度的关系满足λm*T=2989(um.k)(其中λm为最大波长,T为绝对温度).人体的正常体温为 36~37.5.C ,即309~310.5K,其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64um,中心波长为9.65um.因 此,人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长(7~14um)的中心.所以,滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过,而最大限度地阻止阳 光,灯光等可见光中的红外线的通过,以免引起干扰.
Ⅲ.菲涅尔透镜
不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米,只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用.配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米.例如,一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到.菲涅尔透镜采用塑料片制作而成.图3为它的平面图.从图中可以看出,透镜在水平方向上分寸成3 个部分,每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域.最上面部分的每一等份为一个透镜单元,它们由一个个同心圆构成,同心圆圆心在透镜单元内.中间和下 半部分的每一等份也为分别一个透镜单元,同样由同心圆构成,但同心圆圆心不在透镜单元内.当光线通过这些透镜单元后,就会形成明暗相间的可见区和盲区.由 于每一个透镜单元只有一个很小的视角,视角内为可见区,视角外为盲区.任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔,它们断续而不重叠和交叉,如 图9.2.5b.这样,当把透镜放在传感器正前方的适当位置时,运动的人体一旦出现在透镜的前方,人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影 区(盲区)和明亮区(可见区),使传感器表面的温度不断发生变化,从而输出电信号.也可以这样理解,人体在检测区内活动时,一离开一个透镜单元的视场,又会立即进入另一个透镜单元的视场,(因为相邻透镜单元之间相隔很近),传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区,导致传感器的温度变化,而输出电信号.
菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区,还有聚焦作用,其焦点一般为5厘米左右,实际应用时,应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离,一般把透镜固定在传感器正前方1~5厘米的地方.
菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成,颜色为乳白色或黑色,呈半透明状,但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的._表1为热释电人体红外线传感器SCA02-1的主要电参数.
2)热释电人体红外线传感器的基本应用
图9.2.6是由P2288或SCA02-1构成的热释电人体红外线传感器检测与放大电路.
_
图9.2.6
PY1为传感器P2288或SCA02-1,IC1为低噪声高速运算放大器LM358等.PY1检测到人体红外线信号后,从2脚输出极微弱的电信 号直接输入同相放大器IC1a放大约2500倍,再从1脚输出一定幅度的信号,再经电容C8耦合到反相放大器IC1b进一步放大.IC2构成窗口式电压比 较器,当IC1b的7脚电压幅度在Ua和Ub的幅值之间时,IC2的1,7脚无输出;当IC1b的7脚电压幅度大于Ub的幅值时,IC2的7脚输出高电 平;当IC1b的7脚电压幅度低于Ua的幅值时,IC2的1脚输出高电平;经D1,D2相互隔离和"或"的作用,从P点输出高电平控制信号.R11用于设 置窗口的阀值电平,调节R11可以调整检测器的灵敏度.P点输出高电平控制信号可以用于以下各种实用电路中.
1."有电,危险"安全警示电路 用于有电的场合,当有人进入这些场合时,通过发出语音和声光提醒人们注意安全.
_2.自动门 主要用于银行,宾馆.当有人来到时,大门自动打开,;人离开后又自动关闭.
_ 3.红外线防盗报警器 用于银行,办公楼,家庭等场合的防盗报警.
_ 4.高速公路车辆车流计数器
_ 5.自动开,关的照明灯,人体接近自动开关等.
9.2.3.3 IRt/c型红外线线温度传感器
1)型号说明
IR t/c.A_B_C:如IRt/c.3X-K-240F/120C.
A -选择探头类型
01:ABS封装,1:1视场;03:ABS封装,3:1视场;μ:超小型,不锈钢封装,1:2视场
1X:不锈钢封装,前端带安装螺纹,1:1视场;3X:不锈钢封装,前端带安装螺纹,集成空气吹扫器,3:1视场;5 :不锈钢封装,带透镜型,集成空气吹扫器,5:1视场
07:ABS封装,7:1视场(仅K型热偶输出)JR:ABS封装,10:1视场(仅K型热偶输出)
10:不锈钢封装,带透镜型,集成空气吹扫器,10:1视场(仅K型热偶输出)
SV:不锈钢封装,侧瞄型,1:1视场;3SV:不锈钢封装,侧瞄型,集成空气吹扫器,3:1视场
B- 选择热电偶类型
J:J型热电偶;K:K型热电偶;T:T型热电偶;E:E型热电偶
C -选择预标定范围
型号 预标定范围
98.6F/37C: 人体温度范围;80F/27C:(0-50℃);140F/60C:(20-90℃);180F/90C: (60-105℃);240F/120C:(80-120℃);280F/140C:(115-165℃);340F/170C:(140-190℃);440F/220C:(160-260℃)
2)主要应用
测量真空环境下的旋转片的表面温度.大型蒸汽或气体透平机的旋转片在很高的转速下运行时,需要不断测量旋转片的温度.传统的做法是采用真空罐的方法,而真空罐内的真空度不可能完全达到理想状 态而使旋转片发热,因此,要及时知道发热片的温度,传统的做法是在旋转片上粘贴传感器,在采用连线或无线的方法传输信号.IRt/c系列产品可直接安装在 真空罐内,无需任何特殊保护措施,而且非接触测量温度,为确保IRt/c产品即使是在非常高温度的环境下自身温度保持93℃以下,可以 采用金属安装支架的方法;至于被测表面的辐射率问题,则需要在旋转片上的被测区域(圆周)上涂敷一层可以提高辐射率的涂层.如需要更高测量精度,则可选择 D系列校准器来标定 IRt/c传感器来实现,以获得最佳的测量精度.
9.3 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性,实现自动检测的测量元件.声波是一种机械波.声的发生是由于发声体的机械振动,引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播,这就是声波.人耳所能听闻的声波其频率在20～20000Hz之间,频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉.频率超过20000Hz的叫做超声波,频率低于20Hz的叫做次声波.超声波的频率可以高达911Hz,而次声波的频率可以低达9-8Hz.
9.3.1 超声波的发生
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的.常用的压电材料为石英晶体,压电陶瓷锆钛酸铅等.在压电材料切片上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动,而产生超声波,如图9.3.1所示.
压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关,即
(9-3-1)
式中,n=1,2,3,…是谐波的级数;c为波在压电材料里的传播速度(纵波);
(9-3-2)
式中,E为杨氏模量;为压电材料的密度.
对于石英晶体:E=7.70
对于锆钛酸铅:E=8.300
因此,压电材料的固有频率为 (9-3-3)
根据共振原理,当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时,产生共振,这时产生的超声波最强.
压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波,产生的声强可达几十W/cm2.
9.3.1.2 磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应的大小,即伸长缩短的程度,不同的铁磁物质其情况不相同.镍的磁致伸缩效应最大,它在一切磁场中都是缩短的.如果先加一定的直流磁场,再加以交流电时,它可工作在特性最好的区域.
磁致伸缩超声波发生器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,从而产生超声波.
磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的,片间绝缘以减少涡
流电流损失.其结构形状有矩形,窗形等,如图9.3.2所示.
超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式的相同,即
(9-3-4)
如果振动器是自由的,则n=l,2,3,…,如果振动器的中间部分固定,则n=1,3,5,….
磁致伸缩超声波发生器的材料,除镍外,还有铁钻钒合金(铁49%,钴49%,钒2%)和含锌,镍的铁氧体.
磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内,但功率可达十万W,声强可达几千W/cm2,能耐较高的温度.
9.3.2 超声波的接收
在超声波技术中,除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外,还需要能接收超声波的接收器.一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的.
当超声波作用到压电晶体片上时,使晶片伸缩,则在晶片的两个界面上产生交变电荷.这种电荷先被转换成电压,经过放大后送到测量电路,最后记录或显示出结果.它的结构和超声波发生器基本相同,有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器.
磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的.当超声波作用到磁致伸缩材料上时,使磁致材料伸缩,引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化.根据电磁感应,磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势,并将此电动势送到测量电路及记录显示设备.它的结构也与发生器差不多.
9.3.3 超声波的传播特性
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的.设有某种弹性介质及振荡源,如图9.3.3所示.振荡源在介质中可产生两种形式的振荡,即横向振荡如图11-3a所示和纵向振荡如图11-3b所示.横向振荡只能在固体中产生,而纵向振荡可在固体,液体和气体中产生.为了测量在各种状态下的物理量多数采用纵向振荡.
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关.对于液体及气体,其传播的速度为
(9-3-5)式中ρ为介质的密度;Bg为绝对压缩系数.
在固体中的传播速度为
(9-3-6)
式中,E为固体的弹性模量;μ为泊松比.
超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时,产生折射和反射现象,如图9.3.4所示.图中具有下列关系
(9-3-7)
式中,c1,c2分别为超声波在两种介质中的速度;α为人射角;β为折射角.
设α0为临界入射角,当α0=0°时β=90°,则
(9-3-8)
当α>α0时,则只产生反射波.超声波由液体进入固体的临界入射角α0 当入射角α0 >15°时,只产生反射.
超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时,随着传播距离的增加,其强度因介质吸收能量而减弱.设超声波进入介质时的强度为I0,通过介质后的强度为I,如图9.3.5所示,则有
(9-3-9)
式中,d为介质的厚度;A为介质对超声波能量的吸收系数.
对于液体介质,超声波能量的吸收系数为
(9-3-10)
式中,f为超声波频率;c为超声波速度;为介质粘度;为导热系数;K=cp/cv和外为恒压及恒容积情况下的热容量.
对于固体介质,超声波能量的吸收系数为
(9-3-11)
式中,Q为介质的质量因数.
介质的吸收程度与频率与介质密度有很大关系.气体很小,故超声波在其中衰减很快,尤其在f较高时衰减更快.故超声波仪表主要用于固体及液体中.
9.3.4 超声波在自动检测中的应用
超声波已广泛地应用于工业技术部门.下面举几个例子说明它在检测技术中的应用.
9.3.4.1 超声波探伤
对高频超声波,由于它的波长短,不易产生绕射,碰到杂质或分界面就会有明显的反射,而且方向性好,能成为射线而定向传播;在液体,固体中衰减小,穿透本领大.这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具.
(1) 穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况,来判别工件内部质量的方法.穿透法用两个探头,置于工件相对面,一个发射超声波,一个接收超声波.发射波可以是连续波,也可以是脉冲.其工作原理图9.3.6所示.
在探测中,当工件内无缺陷时,接收能量大,仪表指示值大;当工件内有缺陷时,因部分能量被反射,接收能量小,仪表指示值小.根据这个变化,就
可以把工件内部缺陷检测出来.
(2) 反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同,来探测缺陷的方法.下面以纵波一次脉冲反射为例,说明检测原理.
图9.3.7是以一次底波为依据进行探伤的方法.高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在探头上,激励压电晶体振荡,使之产生超声波.超声波以一定的速度向工件内部传播.一部分超声波遇到缺陷F时反射回来;另一部分超声波继续传至工件底面B,也反射回来.由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时,又变为电脉冲.发射波f,缺陷波F及底波月经放大后,在显示器荧光屏上显示出来.荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准),其长度与时间成正比.由发射波,缺陷波及底波在扫描线的位置,可求出缺陷的位置.由缺陷波的幅度,可判断缺陷大小;由缺陷波的形状,可分析缺陷的性质.当缺陷面积大于声束截面时,声波全部由缺陷处反射回来,荧光屏上只有T,F波,没有B波.当工件无缺陷时,荧光屏上只有T,B波,没有F波.
9.3.4.2 超声波测液位
超声波测液位是利用回声原理进行工作的,如图9.3.8所示.,当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲,经过时间t后,探头接收到从液面反射回来的回音脉冲.因此探头到液面的距离L可由下式求出
L= (9-3-12)
式中,c为超声波在被测介质中的传播速度;t为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间差.
由此可见,只要知道超声波的速度,通过精确测量时间t的方法,就可以测量出距离L.
超声波速度c在各种不同的液体中是不同的;即使在同一种液体中,由于温度和压力的不同,其值也是不同的.因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化,引起测量的误差,故在精密测量时,要考虑采取补偿措施.利用这种方法也可以测量料位.
9.3.4.3 超声波测厚度
在超声波测厚技术中,应用较为广泛的是脉冲回波法,其工作原理如图9.3.9所示.
脉冲回波法测量工件厚度原理,主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔,然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度.图中主控制器产生一定频率的脉冲信号,并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去.超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后,被底面反射回来,并由同一个超声波发生器接收.接收到的脉冲信号经放大器加至示波器垂直偏转板上.标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号,也加到示波器的垂直偏转板上.扫描电压加到示波器的水平偏转板上.这样,在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号.接收间的时间间隔t,试件的厚度d可用下式求出
d= (9-3-13)
标记信号一般可以调节,根据测量的要求选择.如果预先用标准试件进行校正,可以根据荧光屏上发射与接收两个脉冲间的标记信号直接读出被测工件的厚度.
9.3.4.4 Senix Corporation超声波传感器
Senix Corporation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,由换能压电晶片在电压的激励下发生振动产生的,既可以发射超声波,也可以接收超声波.它具有频率高,波长短,绕射现象小,特别是方向性好,能够成为射线而定向传播等特点.在未来的应用中,超声波将与信息技术,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.超声波传感器具有比传统传感器有更独特的优势.
受目标材料和表面影响较小,不受颜色影响,固态物体是不受限制的,能探测长距离的小型目标.抗振动,红外辐射,环境噪声以及电磁辐射.典型应用:非接触超声波距离测量,可以探测和测量移动目标的距离,高度,水平面,尺寸,液位等,控制它的位置.
9.4 激光传感器
激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一,目前已被成功地应用于精密计量,军事,宇航,医学,生物,气象等各领域.
激光传感器虽然具有各种不同的类型,但它们都是将外来的能量(电能,热能,光能等)转化为一定波长的光,并以光的形式发射出来.激光传感器是由激光发生器,激光接收器及其相应的电路所组成的.
9.4.1 激光的本质
原子在正常分布状态下,多处于稳定的低能级月l状态.如果没有外界的作用,原于可以长期保持这个状态.原子在得到外界能量后,由低能级向高能级跃迁的过程,叫做原子的激发.原子处于激发的时间是非常短的,处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去,同时辐射出光子.这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光,叫做原子的自发辐射,如图9.4.1a所示.
进行自发辐射时,各个原子的发光过程互不相关.它们辐射光子的传播方向,以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁(即发光的频率讪等都具有偶然性.因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合.对于光源的大量原子来说,这些光子的频率只服从于一定的统计规律.
如果处于高能级的原子在外界作用影响下,发射光子而跃迁到低能级上去,这种发光叫做原子的受激辐射.设原子有能量为E1和E2的两个能级,而且E2> E1.当原子处于E2能级上时,在能量为的入射光子影响下,(h为普朗克常数,h=6.6256X10-34J·s,为光子的频率),这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去,并发射出一个能量为的光子,如图6-5-1b所示.在受激辐射过程中,发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同,它们在相位,振动方向和发射方向上也完全一样.如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射,这些原子所发射的光子在相位,发射方向,振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同,如图9.4.2a所示.这样,在一个入射光子影响下,会引起大量原子的受激辐射,它们所发射的光子在相位,发射方向,振动方向和频率上都完全一样,这一过程也称为光放大,所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的,而是相互联系的.
另一方面,能量为的光子在媒质中传播时,也可以被处于E1能级上的粒子所吸收;而使这粒子跃迁到E2能级上去.在此情况下,入射光子被吸收而减少,如图6-5-2b所示.这个过程叫做光的吸收.
光的放大和吸收过程往往是同时进行的,总的结果可以是加强或减弱,这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位.
9.4.2 激光的形成
激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的,但它必须具备下述的条件才能得到.
9.4.2.1 粒子数反转
如何才能实现光放大呢 当媒质处于热平衡状态时,它的粒子在各能级上的分布遵从一定的统计规律.在恒定的温度下,粒子数按能量的分布用下式表示
(9-4-1)
式中,和分别为对应于E1和E2能级上的粒子数;T为绝对温度;是为玻尔兹曼常数.
上述式子说明,对应于T>0的任意值,只要E2> E1就有>,即说明处于低能级上的粒子数大于处于高能级上的粒子数.在这种情况下,
光吸收是主要的.要实现光的放大,
必须要使>.这种不平衡状态分布叫做
粒子数反转.可以通过气体放电或光
照射等从外界供给能量的方法来获得
粒子数反转分布.图9.4.3a表示媒质中
粒子能级的正常分布,媒质中大部分
粒子处在低能级(以黑点表示),只有
少数粒子处于高能级(以圆圈表示).
而图9.4.3b表示在外界激发的条件
下形成了粒子数反转.
9.4.2.2 激光器的光振荡放大
要想产生激光,单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的.实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统(叫做工作物质)和一个光学共振腔组成.光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜构成.最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜,镜面对光有很高的反射率,而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中.
当工作物质产生受激辐射时,受激辐射光在两反射镜之间作一定次数的往返反射,而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质,这样使受激辐射一次又一次地加强,如:图9.4.4所示.这样几十次,几百次的往返,直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止.我们把激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大.被激发的工作物质中的某些原子受激辐射而放出光子,如果发射方向正好和腔轴线平行,则可能在腔内起放大作用.一部分偏离轴线方向的光子则跑出腔外而成为一种损耗,如图9.4.4a所示.若光在来回反射过程中,放大作用克服了各种衰减作用(如共振腔的透射,工作物质对光的散射和吸收等),就形成稳定的光振荡而产生激光,以很好的方向沿轴向输出,如图9.4.4b,c所示.
在实际应用中,激光器发出的光按受激方法不同,有连续激光器和脉冲激光器之分.前者的激光输出是连续光,如氦氖气体激光器;后者的激光输出是脉冲式的,如固体红宝石激光器,它的持续时间约1～2ms,由脉冲氙灯激励.
9.4.2.3 激光输出
激光光束在激光器的共振腔内往返振荡放大,那么怎样输出呢 共振腔内反射镜起着反射光束并使其往返振荡的作用,从光放大角度看,反射率越高,光损失越小,放大效果越好.在实际设计中,将一侧反射镜设计得尽量使它对激光波长的反射率接近100%,而另一侧反射镜则稍低一些,比如98%以上.这样这一端的透镜将有激光穿透,这一端即为激光的输出端.
对于输出端透镜的反射率要适当选择,如果反射率太低,虽然透光能力强了,但对腔内光束损失太大,就会影响振荡器放大倍数,这样输出必然减弱.目前最佳反射率一般在给定激光条件下由实验来确定.
9.4.3 激光的特点
9.4.3.1 高方向性
高方向性就是高平行度,即光束的发散角小.激光束的发散角已达到几分甚至可小到.所以通常称激光是平行光.
9.4.3.2 高亮度
激光在单位面积上集中的能量很高.一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍.把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温.在这种高温下,就是最难熔的金属,在一瞬间也会熔化.
9.4.3.3 单色性好
单色光是指谱线宽度很窄的一段光波.用表示波长,表示谱线宽度,则越小,单色性越好.在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯.它的
而普通的氦氖激光器所产生的激光
从上面数字可以看出:激光光谱单纯,波长变化范围小于,与普通光源相比缩小了几万倍.
9.4.3.4 高相干性
相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质.普通光源是非相干光源,而激光是极好的相干光源.
相干性有时间相干性和空间相干性.时间相干性是指光源在不同时刻发出的光束间的相干性,它与单色性密切相关,单色性好,相干性就好;空间相干是指光源处于不同空间位置发出的光波间的相干性,一个激光器设计得好,则有无限的空间相干性.
由于激光具有上述特点,因此利用激光可以导向;做成激光干涉仪测量物体表面的平整度,测量长度,速度,转角;切割硬质材料等.随着科学技术的发展,激光的应用会更加普遍.
9.4.4 激光器
激光器的种类很多.按其工作物质可以分为气体,液体,固体,半导体激光器.
9.4.4.1 气体激光器
气体激光器通常是利用激光管中的气体放电过程来进行激励的.光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成,球面的半径要比腔长大一些.
氦氖激光器是应用最广泛的气体激光器.它的结构形式.它有内腔式(图11-20a所示),外腔式(图11—20b所示)两种.在放电管内充有,定气压和一定氦氖混合比的气体.氦氖激光器的转换效率较低,输出功率一般为毫瓦级.
二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子气体激光器.它的工作物质是CO2气体,常加入氮,氨及一些其他辅助气体.最常用的激光波长是10.6的红外光.CO2激光器的能量转换效率很高,可达百分之十几到30%.它的输出功率大,可有几十到上万瓦.因此它可用于打孔,焊接,通信等方面.
9.4.4.2 固体激光器
固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃,最常用的是红宝石(掺铬),钕玻璃(掺钕),钇铝石榴石(掺钕).
固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵),也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状,在光学共振腔中,它的轴线与两个反光镜相垂直),使之激发起来,从而发出激光.为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯,氪弧灯,汞弧灯,碘钨灯等各种灯作为光泵源的简称)的光能,常采用各种聚光腔.如果工作物质和泵灯一起放在共振腔内,则腔内壁应镀上高反射率的金属薄层,使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上.
红宝石激光器如图9.4.5所示,图中1是脉冲氙灯;2是红宝石棒,3是椭圆柱形聚光器,4是全反射镜,5是部分反射镜.它是世界上第一台成功运转的激光器.这种激光器在常温下,只能作脉冲运转,而且效率较低.
钕玻璃激光器的效率比红宝石激光器要高,它发出1.06的红外激光.钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,通常也只能作脉冲运转.钇铝石榴石激光器是目前性能最好的固体激光器之一,能连续运转,其连续输出功率可超过1000W.它发出的激光波长是1.06的红外光.
9.4.4.3 半导体激光器
半导体激光器最明显的特点是体积小,重量轻,结构紧凑.一般气体和固体激光器的长度至少几厘米,长的达几米以上.但半导体激光器本身却只有针孔那么大,它的长度还不到lmm,将它装在一个晶体管模样的外壳内或在它的两面安装上电极,其重量不超过2g,因此使用起来十分方便.它可以做成小型激光通讯机,或做成装在飞机上的激光测距仪或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达.
半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料,如砷化镓(GaAs),砷磷化镓(GaAs P),磷化铟(1nP)等.其中砷化镓应用最广,将它做成二极管形式,如图11-24所示.其主要部分是一个PN结,在PN结中存在导带和价带,如果把能量加在"价带"中的电子上,此电子就被激发到能量较高的导带上.若注人的能量很大(通常以电流激励来获得),就可以在导带与价带之间形成粒子数的反转分布,于是在注入的大电流作用下,电子与空穴重新复合,这时能量就以光子的形式释放出,最后通过谐振腔的作用,输出一定频率的激光.
半导体激光器的效率较高,可达60%～70%,甚至更高一些.但它也有一些缺点,如激光的方向性比较差,输出功率比较小,受温度影响比较大等.
9.4.5 激光的应用
激光具有高亮度,高方向性,高单色性和高相干性的特点,应用于测量和加工等方面,可以实现无触点远距离的测量,而且速度高,精度高,测量范围广,抗光,电干扰能力强,因此激光得到了广泛的应用.下面举几个激光的应用例子:
9.4.5.1 长度检测
一般应用的干涉测长仪是迈克尔逊干涉仪,其结构如图9.4.6所示.图中L1为准直透镜;MB为半透过式分光镜;M2为反射镜;L2是聚光透镜;PM是光电倍增管.
从氦氖激光(He-Ne)器发出的光,通过准直透镜L1变成平行光束,被分光镜MB分成两半:一半反射到反射镜M1,,另一半透射到反射镜M2.被M1和M2反射的两路光又经MB重叠,被聚光透镜L2聚集,穿过针孔P2到达光电倍增管PM.设MB到M1和M2的距离分别为l1和l2,则被分后再合的两束光的光程差方为
δ=2(l2一l1)=2l (9-4-2)
如果反射镜M2沿光轴方向从l2=l1的点平行移动l的距离,那么光程差方δ=2l.当Δl= 时出现明暗干涉条纹.因此,在移动M2过程中,PM端计数得到干涉条纹数N,将N乘以 ,就得到了M2移动的距离l,从而实现了长度检测.
9.4.5.2 测量车速
车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器,其发散角在～20间,发光波长为0.9.其光路系统如图9.4.7所示,图中1是激光源;2为发射透镜;3为接收透镜;4为光敏元件.为了适应较远距离的激光发射和接收,发射透镜采用437mm,焦距115mm,接收透镜采用声37mm,焦距65mm.砷化镓激光器及光敏元件3DU33分别置于透镜的焦点上,砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出,再经接收透镜3会聚于3DU33.
为了保证测量精度,在发射镜前放一个宽为2mm的狭缝光阑,其测速的基本原理如下,当汽车行走的速度为v,行走的时间为t时,则其行走的距离
S=vt (9-4-3)
现选取s=lm.使车行走时先后切割相距lm的两束激光,测得时间间隔;,即可算出速度.采用计数显示,在主振荡器振荡频率为100kHz情况下,计数器的计数值为N时,车速的表达式可写成(v以km/h为单位)
上式就是测速仪的换算式.
思考题
1.光纤传感器的性能有何特殊之处 主要有哪些应用
2.红外线温度传感器有哪些主要类型 它与别的温度传感器有什么显著区别
3.红外线光电开关有哪些优越的开关特性
4.超声波发生器种类及其工作原理是什么 它们各自特点是什么
5.超声波有哪些传播特性
6.应用超声波传感器探测工件时,在探头与工件接触处要有一层耦合剂,请问这是为什么
7.根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置(画出原理框图),并简要说明它探伤的工作过程
8.激光器主要用于哪些非电量的检测 有何特点 主要的激光测速仪有哪些
光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器.光纤传感器具有灵敏度高,不受电磁波干扰,传输频带宽,绝缘性能好,耐水抗腐蚀性好,体积小,柔软等优点.目前已研制出多种光纤传感器,可用于位移,速度,加速度,液位,压力,流量,振动,水声,温度,电压,电流;磁场,核辐射等方面的测量.应用前景十分广阔.
9.1.1 光纤传感器的基础知识
9.1.1.1 光纤传感器的工作原理
图9.1.1是光纤的结构示意图.它由导光的芯体玻璃(称为纤芯)和包层玻璃所组成.包层的外面用塑料或橡胶做成外护套保护着纤芯和包层,使光纤具有一定的机械强度.纤芯由比头发丝还细的玻璃,石英和塑料等透明度良好的电介质构成,其折射率略大于包层的折射率,一般包层直径为几微米到几十微米.
设纤芯的折射率为n1,包层的折射率为 (其典型值是n1=1.46～1.51,n2 =1.44～1.50),且n1> n2.当光线从空气(折射率为n0)中射入光纤的一个端面,并与其轴线的夹角为θ0,则在光纤内折射成角θ0的光线B,然后光线B以φ1 (φ1=90°-φ1)角入射到纤芯与包层的交界面上.由于纤芯与包层的折射率不等(即n1n2),光线B的一部分光被反射,成为反射光D;另一部分光折射成为折射光C.这时入射光线与折射光线应满足
n1sinφ1 = n2sinφ2 (9-1-1)
由于n1> n2,当φ1为某值时,可使φ2=90°,即折射光沿界面传播,此现象称为全反射.使φ2=90°的φ1角称为临界角,以φ0表示.由式(7-1)可知(因sinφ2=1),其临界角为
(9-1-2)
即
例如:n1=1.51,n2=1.48,则φ0=87.2
若继续加大入射角φ1,(即φ1≥φ2),光不再产生折射,而形成了光的全反射,光线被限制在纤芯中传播.于是式(9-1-2)为
(9-1-3)
这就是光纤传光的基本工作原理.
在实际应用中,更关心的是光线以多大角度入射光纤端面时,能使折射光完全在纤芯中传播,即如图9.1.1所示中,φ0角为何值时方能使φ1≥φ2.当光线在A点(空气中,其折射率为n1)入射,则有
(9-1-4)
式中θ1=90°-φ1.
要使入射光在纤芯与包层的交界面发生全反射,应满足式(9-1-3),而
所以 (9-1-5)
将式(9-1-5)代人式(9-1-4)得
(9-1-6)
这就是能产生全反射的最大入射角范围.入射角的最大值可由式(9-1-6)求出
(9-1-7)
若仿照研究透镜那样,引入光纤的数值孔径Na这个概念,则
(9-1-8)
Na是光纤的一个基本参数,它决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值,反映了光纤的集光能力.可以证明
当Na ≤1时,集光能力与的平方成正比;
当Na ≥1时,集光能力可达最大.
从式(9-1-8)可看出,纤芯与包层的折射率差值越大,数值孔径就越大,光纤的集光能力越强.以上我们讨论光纤的传光原理时,忽略了光在传播过程中的各项损耗.实际上入射于光纤中的光,存在有损耗(如费涅耳反射损耗,光吸收损耗,全反射损耗,弯曲损耗等),其中一部分光在传播途中就损失了,因此光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去.
9.1.1.2 光纤传感器的类型
光纤传感器按其作用一般分为物性型(或称功能型)和结构型(或称非功能型)两大类.
在物性型光纤传感器中,光纤不仅起传光作用,同时又是敏感元件,即是利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅),相位,偏振态,波长等进行调制而构成的一类传感器.其中有光强调制型,光相位调制型,光偏振调制型等.物性型光纤传感器的光纤本身就是敏感元件,因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度,尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器,具有极高的灵敏度.制造这类传感器的技术难度大,结构复杂,调整较困难.
结构型光纤传感器中光纤不是敏感元件,只是作为传光元件.一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化,从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测的.这里光纤只作为光的传输回路,所以要使光纤得到足够大的受光量和传输的光功率.这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤.结构型光纤传感器结构简单,可靠,技术上易实现,但灵敏度,测量精度一般低于物性型光纤传感器.
光纤传感器一般由光源,光纤,光电元件等组成.根据光纤传感器的用途和光纤的类型,对光源一般要提出功率和调制的要求.常用的光源有激光二极管和发光二极管.激光二极管具有亮度高,易调制,尺寸小等优点.而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点.除此之外,还有采用白炽灯等作光源.
9.1.2 光纤传感器的应用
9.1.2.1 物性型的光纤微弯曲式传感器
光纤微弯传感器的光功率是维持在光纤内部的,这样可以免除周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用.另外还有灵敏度高,结构简单,动态范围宽,线性度较好,性能稳定等优点.
9.1.2.2 结构型的传输光光纤传感器
在光纤本身不是敏感元件的结构型光纤传感器中,主要依据敏感元件对光强的调制.如图9.1.3所示为半导体吸收式光纤传感器测温原理图.该传感器是通过半导体光吸收片吸收光的能量,对传输光的光强进行调制的一个实例.在图中输入光纤和输出光纤两端面间夹一片厚度约零点几毫米的半导体光吸收片,并用不锈钢管加以固定,使半导体与光纤成为一体.其中的半导体光吸收片是一种半导体敏感元件.由半导体物理可知,在光源给定的情况下,通过该半导体光吸收片的透射光强随温度的增加而减小.在该图中采用了恒流源电路激励光源.该测试系统组成时,须将光纤的一端与光电接收点固化耦合,光纤的另一端与发光二极管固化耦合.这样构成了一个光纤耦合器.敏感元件的夹入可看成是在耦合器的光纤中部切断置入的.系统组成并通过调试后,光源发出的稳定光通过输入光纤传到半导体敏感元件,透射光强受到所测温度的调制,并由输出光纤接收,传到光电探测器(如光电二极管),转换成电信号输出,从而达到测温的目的.该系统的温度测量范围为-20~300℃,精度约为3℃,响应时间常数约为2s,能在强电场环境中工作.
利用光纤构成的传感器还有很多,目前真正实用化的光纤传感器尚不多.主要原因是噪声源,检测方法,封装和光纤被覆等许多问题需要进一步解决.
9.1.2.3 nxSensor-I型三维激光扫描传感器
1.概述:
nxSensor-I是美国nextWare公司(www.nextwareinc.com)最新推出的获取三维空间中不透明物体表面形状的新型传感器,是世界上最为精确的激光图象传感器之一,可广泛用于三座标测量,逆向工程,产品设计,仿形,修改和模具制造等领域
2.基本工作原理:
该传感器是激光技术,电子成像和数字信号处理等学科的完美结合.是测量物体表面坐标的同类产品中最为先进的.与其他传统的激光器件或传感器不同,nxSensor-I不需在计算机中插入内置板卡,
而是通过嵌入式的DSP技术和
软件自动处理图象并直接实时
的产生3D坐标.基于USB的即插
即用的特性使得nxSensor-I可
以非常容易的工作在PC和其它
系统中.有了高效,精确,
便携的nxSensor-I,您将不会
再为如何将三维物体输入计算机
而烦恼.一切都变得简单!
借助数控机床,加工中心或
专用机械装置就可以构成能
测量任何大小工件的逆向工程
系统.三维激光扫描传感器
工作流程如图9.1.4所示:
图9.1.4 三维激光扫描传感器工作流程
3.性能参数:
传感器型号: nxSensor-I
Standoff: 170mm
完整测量范围:-70(z) x 60mm(y)(far end) ~ + 50(z) x 30(y)mm (near end)
最佳范围: -30(z) x 45mm(y)(far end) ~ + 30(z) x 35(y)mm (near end)
最大采样点: 最大每秒6,400点
分辨率: 5 um
精确度: up to 25 um
工作温度: 20~30 C
工作电压: DC +12V at 0.5A
保存温度: 10~50 C
适用操作系统:Windows 98/2000/XP
尺寸: 138mm (L) x 93mm (W) x 39mm (H)
重量: 0.4kg
9.2 红外线传感器
红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性,实现自动检测的传感器.在物理学中,我们已经知道可见光,不可见光,红外光及无线电等都是电磁波,它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已.下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图9.2.1所示的波谱图,称之为电磁波谱.
_
图9.2.1 电磁波波谱图
从图中可以看出,红外线属于不可见光波的范畴,它的波长一般在0.76—600μm之间
(称为红外区).而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm),中红外(1.5一l0μm)和远
红外(10μm以上),在300μm以上的区域又称为"亚毫米波".近年来,红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科.它已经广泛应用于生产,科研,军事,医学等各个领域.
9.2.1 红外辐射的产生及其性质
红外辐射是由于物体(固体,液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的.这类振动过程是物体受热而引起的,只有在绝对零度(-273.16℃)时,一切物体的分子才会停止运动.所以在绝对零度时,没有一种物体会发射红外线.换言之,在一般的常温下,所有的物体都是红外辐射的发射源.例如火焰,轴承,汽车,飞机,动植物甚至人体等都是红外辐射源.
红外线和所有的电磁波一样,具有反射,折射,散射,干涉及吸收等性质,但它的特点
是热效应非常大,红外线在真空中传播的速度c=3×108m/s,而在介质中传播时,由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减.红外线的衰减遵循如下规律
(9-2-1)
式中,I为通过厚度为x的介质后的通量;I0为射到介质时的通量;e为自然对数的底;K为与介质性质有关的常数.
金属对红外辐射衰减非常大,一般金属材料基本上不能透过红外线;大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线;液体对红外线的吸收较大,例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小,当厚度达到lcm时,水对红外线几乎完全不透明了;气体对红外辐射也有不同程度的吸收,例如大气(含水蒸汽,二氧化碳,臭氧,甲烷等)就存在不同程度的吸收,它对波长为1～5μm,8～14μm之间的红外线是比较透明的,对其他波长的透明度就差了.而介质的不均匀,晶体材料的不纯洁,有杂质或悬浮小颗粒等,都会引起对红外辐射的散射.
实践证明,温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长.由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长,就可以达到测量的目的.
9.2.2 红外线传感器的类型
能把红外辐射转换成电量变化的装置,称为红外传感器,主要有热敏型和光电型两大类.
热敏型是利用红外辐射的热效应制成的,其核心是热敏元件.由于热敏元件的响应时间长,一般在毫秒数量级以上.另外,在加热过程中,不管什么波长的红外线,只要功率相同,其加热效果也是相同的,假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话,那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应,所以称其为"无选择性红外传感器".这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类.
光电型是利用红外辐射的光电效应制成的,其核心是光电元件.因此它的响应时间一般比热敏型短得多,最短的可达到毫微秒数量级.此外,要使物体内部的电子改变运动状态,入射辐射的光子能量必须足够大,它的频率必须大于某一值,也就是必须高于截止频率.由于这类传感器以光子为单元起作用,只要光子的能量足够,相同数目的光子基本上具有相同的效果,因此常常称其为"光子探测器".这类传感器主要有红外二极管,三极管等.
9.2.3 红外线传感器的应用
在锻造厂里,工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900~C,其误差不得超过±5~C,否则会影响锻件的质量,所以控制锻件的温度是一关键问题.以往的办法是由工人目测温度,看到差不多了,把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压.而现在采用红外辐射测温计,通过加热炉口可以直接对准工件的表面,可以测量出工件的温度,如图9.2.2所示.
当锻件加热到900~C时,红外探测器便输出电信号,启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工.这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化.
市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显示仪表,它利用被测物的热辐射来确定物体温度,测温范围600℃以上.测量距离是根据被测物目标大小来确定的,被测物目标越大,测量距离越远.测量误差小于量程上限的1%.
HBW-B型测温仪由传感器(探头)和仪器箱两部分组成,中间由五芯屏蔽电缆线连接.
红外感温器(探头)是一个典型的红外测温传感器,它的探测元件是硅光电池,工作波段为0.65～1.1μm,感温器之间具有互换性.
仪器箱(电子信号处理器)具有十分完备的功能,除了辐射系数修正,线性化处理两种必备的功能外,它尚有平均值,峰值,轧钢测温,超量程报警等八种功能可供用户选择采用.
HBW-B型仪表广泛用于冶金,机械等各种场合和陶瓷,玻璃等各种材料.对响应速度快,运动物体,高温,高压等不能应用接触式(如热电偶)测温仪表的场合尤其有效.
9.2.3.2 热释电人体红外线传感器
热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件,现在已得到越来越广泛的应用,从原理上分析,它主要有主动式和被动式两类.
1)热释电人体红外线传感器的基本结构和原理
目前,市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02,PH5324,德国产的LH1954,LH1958,美国HAMAMATSU公司产P2288,日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1,RS02D等.虽然它们的型号不一样,但其结构,外型和电参数大致相同,大部分可以彼此互换使用.
热释电人体红外线传感器(以下简称:传感器)由敏感单元,阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成.图9.2.3为P2288,SD02,SCA02-1的外形图.图9.2.3a为它们的顶视图,其中较大的矩形部分为滤光窗,两个虚线框矩形为敏感单元,面积约2×1mm2 ,间距1mm.图9.2.3b为侧视图;图9.2.3c为底视图.
_Ⅰ..敏感单元
其内部结构见图9.2.3a及图9.2.4.对不同的传感器来说,敏感单元的制造材料有所不同.如,SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成;P2288由LiTaO3 制成.这些材料再做成很薄的薄片,每一片薄片相对的两面各引出一根电极,在电极两端则形成一个等效的小电容 ,如图9.2.4中的P1,P2.因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的,而它们形成的等效小电容能自身产生极化,极化的结果是,在电容的两端产生极性相反的正, 负电荷.但这两个电容的极性是相反串联的.这正是传感器的独特设计之处,因而使得它具有独特的抗干扰性.
_当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时, 由于P1,P2自身产生极化,在电容的两端产生极性相反,电量相等的正,负电荷,而这两个电容的极性是相反串联的,所以,正,负电荷相互抵消,回路中无电流,传感器无输出.
当人体静止在传感器的检测区域内时,照射到P1,P2上的红外线光能能量相等,且达到平衡,极性相反,能量相等的光电流在回路中相互抵消.传感器仍然没有 信号输出.同理,在灯光或阳光下,因阳光移动的速度非常缓慢,P1,P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的,且在回路中相互抵消;再加上传感器的响 应频率很低(一般为0.1~10Hz),即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5~15um),因此,传感器对它们不敏感.
_从原理上讲,任何发热体都会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化导 致电信号的产生.环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(一般为0.1~10Hz)和对特定波长红外线(一般为 5~15um)的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化对人体而言就是移动.所以,传感器对人体的移动或运 动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰.
_Ⅱ.滤光窗
它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,如图2中的M,滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线.例如,SCA02-1对 7.5~14um波长的红外线的穿透量为70%,在6.5um处时下降为65%,而在5.0um处时陡降为0.1%;P2288的响应波长为 6~14um,中心波长为10um.
物体发射出的红外线辐射能,最强波长和温度的关系满足λm*T=2989(um.k)(其中λm为最大波长,T为绝对温度).人体的正常体温为 36~37.5.C ,即309~310.5K,其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64um,中心波长为9.65um.因 此,人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长(7~14um)的中心.所以,滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过,而最大限度地阻止阳 光,灯光等可见光中的红外线的通过,以免引起干扰.
Ⅲ.菲涅尔透镜
不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米,只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用.配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米.例如,一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到.菲涅尔透镜采用塑料片制作而成.图3为它的平面图.从图中可以看出,透镜在水平方向上分寸成3 个部分,每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域.最上面部分的每一等份为一个透镜单元,它们由一个个同心圆构成,同心圆圆心在透镜单元内.中间和下 半部分的每一等份也为分别一个透镜单元,同样由同心圆构成,但同心圆圆心不在透镜单元内.当光线通过这些透镜单元后,就会形成明暗相间的可见区和盲区.由 于每一个透镜单元只有一个很小的视角,视角内为可见区,视角外为盲区.任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔,它们断续而不重叠和交叉,如 图9.2.5b.这样,当把透镜放在传感器正前方的适当位置时,运动的人体一旦出现在透镜的前方,人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影 区(盲区)和明亮区(可见区),使传感器表面的温度不断发生变化,从而输出电信号.也可以这样理解,人体在检测区内活动时,一离开一个透镜单元的视场,又会立即进入另一个透镜单元的视场,(因为相邻透镜单元之间相隔很近),传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区,导致传感器的温度变化,而输出电信号.
菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区,还有聚焦作用,其焦点一般为5厘米左右,实际应用时,应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离,一般把透镜固定在传感器正前方1~5厘米的地方.
菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成,颜色为乳白色或黑色,呈半透明状,但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的._表1为热释电人体红外线传感器SCA02-1的主要电参数.
2)热释电人体红外线传感器的基本应用
图9.2.6是由P2288或SCA02-1构成的热释电人体红外线传感器检测与放大电路.
_
图9.2.6
PY1为传感器P2288或SCA02-1,IC1为低噪声高速运算放大器LM358等.PY1检测到人体红外线信号后,从2脚输出极微弱的电信 号直接输入同相放大器IC1a放大约2500倍,再从1脚输出一定幅度的信号,再经电容C8耦合到反相放大器IC1b进一步放大.IC2构成窗口式电压比 较器,当IC1b的7脚电压幅度在Ua和Ub的幅值之间时,IC2的1,7脚无输出;当IC1b的7脚电压幅度大于Ub的幅值时,IC2的7脚输出高电 平;当IC1b的7脚电压幅度低于Ua的幅值时,IC2的1脚输出高电平;经D1,D2相互隔离和"或"的作用,从P点输出高电平控制信号.R11用于设 置窗口的阀值电平,调节R11可以调整检测器的灵敏度.P点输出高电平控制信号可以用于以下各种实用电路中.
1."有电,危险"安全警示电路 用于有电的场合,当有人进入这些场合时,通过发出语音和声光提醒人们注意安全.
_2.自动门 主要用于银行,宾馆.当有人来到时,大门自动打开,;人离开后又自动关闭.
_ 3.红外线防盗报警器 用于银行,办公楼,家庭等场合的防盗报警.
_ 4.高速公路车辆车流计数器
_ 5.自动开,关的照明灯,人体接近自动开关等.
9.2.3.3 IRt/c型红外线线温度传感器
1)型号说明
IR t/c.A_B_C:如IRt/c.3X-K-240F/120C.
A -选择探头类型
01:ABS封装,1:1视场;03:ABS封装,3:1视场;μ:超小型,不锈钢封装,1:2视场
1X:不锈钢封装,前端带安装螺纹,1:1视场;3X:不锈钢封装,前端带安装螺纹,集成空气吹扫器,3:1视场;5 :不锈钢封装,带透镜型,集成空气吹扫器,5:1视场
07:ABS封装,7:1视场(仅K型热偶输出)JR:ABS封装,10:1视场(仅K型热偶输出)
10:不锈钢封装,带透镜型,集成空气吹扫器,10:1视场(仅K型热偶输出)
SV:不锈钢封装,侧瞄型,1:1视场;3SV:不锈钢封装,侧瞄型,集成空气吹扫器,3:1视场
B- 选择热电偶类型
J:J型热电偶;K:K型热电偶;T:T型热电偶;E:E型热电偶
C -选择预标定范围
型号 预标定范围
98.6F/37C: 人体温度范围;80F/27C:(0-50℃);140F/60C:(20-90℃);180F/90C: (60-105℃);240F/120C:(80-120℃);280F/140C:(115-165℃);340F/170C:(140-190℃);440F/220C:(160-260℃)
2)主要应用
测量真空环境下的旋转片的表面温度.大型蒸汽或气体透平机的旋转片在很高的转速下运行时,需要不断测量旋转片的温度.传统的做法是采用真空罐的方法,而真空罐内的真空度不可能完全达到理想状 态而使旋转片发热,因此,要及时知道发热片的温度,传统的做法是在旋转片上粘贴传感器,在采用连线或无线的方法传输信号.IRt/c系列产品可直接安装在 真空罐内,无需任何特殊保护措施,而且非接触测量温度,为确保IRt/c产品即使是在非常高温度的环境下自身温度保持93℃以下,可以 采用金属安装支架的方法;至于被测表面的辐射率问题,则需要在旋转片上的被测区域(圆周)上涂敷一层可以提高辐射率的涂层.如需要更高测量精度,则可选择 D系列校准器来标定 IRt/c传感器来实现,以获得最佳的测量精度.
9.3 超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性,实现自动检测的测量元件.声波是一种机械波.声的发生是由于发声体的机械振动,引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播,这就是声波.人耳所能听闻的声波其频率在20～20000Hz之间,频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉.频率超过20000Hz的叫做超声波,频率低于20Hz的叫做次声波.超声波的频率可以高达911Hz,而次声波的频率可以低达9-8Hz.
9.3.1 超声波的发生
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的.常用的压电材料为石英晶体,压电陶瓷锆钛酸铅等.在压电材料切片上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动,而产生超声波,如图9.3.1所示.
压电材料的固有频率与晶体片厚度d有关,即
(9-3-1)
式中,n=1,2,3,…是谐波的级数;c为波在压电材料里的传播速度(纵波);
(9-3-2)
式中,E为杨氏模量;为压电材料的密度.
对于石英晶体:E=7.70
对于锆钛酸铅:E=8.300
因此,压电材料的固有频率为 (9-3-3)
根据共振原理,当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时,产生共振,这时产生的超声波最强.
压电式超声波发生器可以产生几十kHz到几十MHz的高频超声波,产生的声强可达几十W/cm2.
9.3.1.2 磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应的大小,即伸长缩短的程度,不同的铁磁物质其情况不相同.镍的磁致伸缩效应最大,它在一切磁场中都是缩短的.如果先加一定的直流磁场,再加以交流电时,它可工作在特性最好的区域.
磁致伸缩超声波发生器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,从而产生超声波.
磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的,片间绝缘以减少涡
流电流损失.其结构形状有矩形,窗形等,如图9.3.2所示.
超声波发生器的机械振动固有频率的表达式与压电式的相同,即
(9-3-4)
如果振动器是自由的,则n=l,2,3,…,如果振动器的中间部分固定,则n=1,3,5,….
磁致伸缩超声波发生器的材料,除镍外,还有铁钻钒合金(铁49%,钴49%,钒2%)和含锌,镍的铁氧体.
磁致伸缩超声波发生器只能用在几万Hz的频率范围以内,但功率可达十万W,声强可达几千W/cm2,能耐较高的温度.
9.3.2 超声波的接收
在超声波技术中,除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外,还需要能接收超声波的接收器.一般的超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作的.
当超声波作用到压电晶体片上时,使晶片伸缩,则在晶片的两个界面上产生交变电荷.这种电荷先被转换成电压,经过放大后送到测量电路,最后记录或显示出结果.它的结构和超声波发生器基本相同,有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器.
磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的.当超声波作用到磁致伸缩材料上时,使磁致材料伸缩,引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化.根据电磁感应,磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势,并将此电动势送到测量电路及记录显示设备.它的结构也与发生器差不多.
9.3.3 超声波的传播特性
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的.设有某种弹性介质及振荡源,如图9.3.3所示.振荡源在介质中可产生两种形式的振荡,即横向振荡如图11-3a所示和纵向振荡如图11-3b所示.横向振荡只能在固体中产生,而纵向振荡可在固体,液体和气体中产生.为了测量在各种状态下的物理量多数采用纵向振荡.
超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关.对于液体及气体,其传播的速度为
(9-3-5)式中ρ为介质的密度;Bg为绝对压缩系数.
在固体中的传播速度为
(9-3-6)
式中,E为固体的弹性模量;μ为泊松比.
超声波的一种传播特性是在通过两种不同的介质时,产生折射和反射现象,如图9.3.4所示.图中具有下列关系
(9-3-7)
式中,c1,c2分别为超声波在两种介质中的速度;α为人射角;β为折射角.
设α0为临界入射角,当α0=0°时β=90°,则
(9-3-8)
当α>α0时,则只产生反射波.超声波由液体进入固体的临界入射角α0 当入射角α0 >15°时,只产生反射.
超声波的另一种传播特性是在通过同种介质时,随着传播距离的增加,其强度因介质吸收能量而减弱.设超声波进入介质时的强度为I0,通过介质后的强度为I,如图9.3.5所示,则有
(9-3-9)
式中,d为介质的厚度;A为介质对超声波能量的吸收系数.
对于液体介质,超声波能量的吸收系数为
(9-3-10)
式中,f为超声波频率;c为超声波速度;为介质粘度;为导热系数;K=cp/cv和外为恒压及恒容积情况下的热容量.
对于固体介质,超声波能量的吸收系数为
(9-3-11)
式中,Q为介质的质量因数.
介质的吸收程度与频率与介质密度有很大关系.气体很小,故超声波在其中衰减很快,尤其在f较高时衰减更快.故超声波仪表主要用于固体及液体中.
9.3.4 超声波在自动检测中的应用
超声波已广泛地应用于工业技术部门.下面举几个例子说明它在检测技术中的应用.
9.3.4.1 超声波探伤
对高频超声波,由于它的波长短,不易产生绕射,碰到杂质或分界面就会有明显的反射,而且方向性好,能成为射线而定向传播;在液体,固体中衰减小,穿透本领大.这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具.
(1) 穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况,来判别工件内部质量的方法.穿透法用两个探头,置于工件相对面,一个发射超声波,一个接收超声波.发射波可以是连续波,也可以是脉冲.其工作原理图9.3.6所示.
在探测中,当工件内无缺陷时,接收能量大,仪表指示值大;当工件内有缺陷时,因部分能量被反射,接收能量小,仪表指示值小.根据这个变化,就
可以把工件内部缺陷检测出来.
(2) 反射法探伤 反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同,来探测缺陷的方法.下面以纵波一次脉冲反射为例,说明检测原理.
图9.3.7是以一次底波为依据进行探伤的方法.高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在探头上,激励压电晶体振荡,使之产生超声波.超声波以一定的速度向工件内部传播.一部分超声波遇到缺陷F时反射回来;另一部分超声波继续传至工件底面B,也反射回来.由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时,又变为电脉冲.发射波f,缺陷波F及底波月经放大后,在显示器荧光屏上显示出来.荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准),其长度与时间成正比.由发射波,缺陷波及底波在扫描线的位置,可求出缺陷的位置.由缺陷波的幅度,可判断缺陷大小;由缺陷波的形状,可分析缺陷的性质.当缺陷面积大于声束截面时,声波全部由缺陷处反射回来,荧光屏上只有T,F波,没有B波.当工件无缺陷时,荧光屏上只有T,B波,没有F波.
9.3.4.2 超声波测液位
超声波测液位是利用回声原理进行工作的,如图9.3.8所示.,当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲,经过时间t后,探头接收到从液面反射回来的回音脉冲.因此探头到液面的距离L可由下式求出
L= (9-3-12)
式中,c为超声波在被测介质中的传播速度;t为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间差.
由此可见,只要知道超声波的速度,通过精确测量时间t的方法,就可以测量出距离L.
超声波速度c在各种不同的液体中是不同的;即使在同一种液体中,由于温度和压力的不同,其值也是不同的.因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化,引起测量的误差,故在精密测量时,要考虑采取补偿措施.利用这种方法也可以测量料位.
9.3.4.3 超声波测厚度
在超声波测厚技术中,应用较为广泛的是脉冲回波法,其工作原理如图9.3.9所示.
脉冲回波法测量工件厚度原理,主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔,然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度.图中主控制器产生一定频率的脉冲信号,并控制发射电路把它经电流放大后接到超声波发生器上去.超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后,被底面反射回来,并由同一个超声波发生器接收.接收到的脉冲信号经放大器加至示波器垂直偏转板上.标记发生器输出一定时间间隔的标记脉冲信号,也加到示波器的垂直偏转板上.扫描电压加到示波器的水平偏转板上.这样,在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号.接收间的时间间隔t,试件的厚度d可用下式求出
d= (9-3-13)
标记信号一般可以调节,根据测量的要求选择.如果预先用标准试件进行校正,可以根据荧光屏上发射与接收两个脉冲间的标记信号直接读出被测工件的厚度.
9.3.4.4 Senix Corporation超声波传感器
Senix Corporation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,由换能压电晶片在电压的激励下发生振动产生的,既可以发射超声波,也可以接收超声波.它具有频率高,波长短,绕射现象小,特别是方向性好,能够成为射线而定向传播等特点.在未来的应用中,超声波将与信息技术,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.超声波传感器具有比传统传感器有更独特的优势.
受目标材料和表面影响较小,不受颜色影响,固态物体是不受限制的,能探测长距离的小型目标.抗振动,红外辐射,环境噪声以及电磁辐射.典型应用:非接触超声波距离测量,可以探测和测量移动目标的距离,高度,水平面,尺寸,液位等,控制它的位置.
9.4 激光传感器
激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一,目前已被成功地应用于精密计量,军事,宇航,医学,生物,气象等各领域.
激光传感器虽然具有各种不同的类型,但它们都是将外来的能量(电能,热能,光能等)转化为一定波长的光,并以光的形式发射出来.激光传感器是由激光发生器,激光接收器及其相应的电路所组成的.
9.4.1 激光的本质
原子在正常分布状态下,多处于稳定的低能级月l状态.如果没有外界的作用,原于可以长期保持这个状态.原子在得到外界能量后,由低能级向高能级跃迁的过程,叫做原子的激发.原子处于激发的时间是非常短的,处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去,同时辐射出光子.这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光,叫做原子的自发辐射,如图9.4.1a所示.
进行自发辐射时,各个原子的发光过程互不相关.它们辐射光子的传播方向,以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁(即发光的频率讪等都具有偶然性.因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合.对于光源的大量原子来说,这些光子的频率只服从于一定的统计规律.
如果处于高能级的原子在外界作用影响下,发射光子而跃迁到低能级上去,这种发光叫做原子的受激辐射.设原子有能量为E1和E2的两个能级,而且E2> E1.当原子处于E2能级上时,在能量为的入射光子影响下,(h为普朗克常数,h=6.6256X10-34J·s,为光子的频率),这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去,并发射出一个能量为的光子,如图6-5-1b所示.在受激辐射过程中,发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同,它们在相位,振动方向和发射方向上也完全一样.如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射,这些原子所发射的光子在相位,发射方向,振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同,如图9.4.2a所示.这样,在一个入射光子影响下,会引起大量原子的受激辐射,它们所发射的光子在相位,发射方向,振动方向和频率上都完全一样,这一过程也称为光放大,所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的,而是相互联系的.
另一方面,能量为的光子在媒质中传播时,也可以被处于E1能级上的粒子所吸收;而使这粒子跃迁到E2能级上去.在此情况下,入射光子被吸收而减少,如图6-5-2b所示.这个过程叫做光的吸收.
光的放大和吸收过程往往是同时进行的,总的结果可以是加强或减弱,这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位.
9.4.2 激光的形成
激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的,但它必须具备下述的条件才能得到.
9.4.2.1 粒子数反转
如何才能实现光放大呢 当媒质处于热平衡状态时,它的粒子在各能级上的分布遵从一定的统计规律.在恒定的温度下,粒子数按能量的分布用下式表示
(9-4-1)
式中,和分别为对应于E1和E2能级上的粒子数;T为绝对温度;是为玻尔兹曼常数.
上述式子说明,对应于T>0的任意值,只要E2> E1就有>,即说明处于低能级上的粒子数大于处于高能级上的粒子数.在这种情况下,
光吸收是主要的.要实现光的放大,
必须要使>.这种不平衡状态分布叫做
粒子数反转.可以通过气体放电或光
照射等从外界供给能量的方法来获得
粒子数反转分布.图9.4.3a表示媒质中
粒子能级的正常分布,媒质中大部分
粒子处在低能级(以黑点表示),只有
少数粒子处于高能级(以圆圈表示).
而图9.4.3b表示在外界激发的条件
下形成了粒子数反转.
9.4.2.2 激光器的光振荡放大
要想产生激光,单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的.实际的激光器都是由一个粒子数反转的粒子系统(叫做工作物质)和一个光学共振腔组成.光学共振腔由两端为各种形状的曲面反射镜构成.最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜,镜面对光有很高的反射率,而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中.
当工作物质产生受激辐射时,受激辐射光在两反射镜之间作一定次数的往返反射,而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质,这样使受激辐射一次又一次地加强,如:图9.4.4所示.这样几十次,几百次的往返,直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止.我们把激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大.被激发的工作物质中的某些原子受激辐射而放出光子,如果发射方向正好和腔轴线平行,则可能在腔内起放大作用.一部分偏离轴线方向的光子则跑出腔外而成为一种损耗,如图9.4.4a所示.若光在来回反射过程中,放大作用克服了各种衰减作用(如共振腔的透射,工作物质对光的散射和吸收等),就形成稳定的光振荡而产生激光,以很好的方向沿轴向输出,如图9.4.4b,c所示.
在实际应用中,激光器发出的光按受激方法不同,有连续激光器和脉冲激光器之分.前者的激光输出是连续光,如氦氖气体激光器;后者的激光输出是脉冲式的,如固体红宝石激光器,它的持续时间约1～2ms,由脉冲氙灯激励.
9.4.2.3 激光输出
激光光束在激光器的共振腔内往返振荡放大,那么怎样输出呢 共振腔内反射镜起着反射光束并使其往返振荡的作用,从光放大角度看,反射率越高,光损失越小,放大效果越好.在实际设计中,将一侧反射镜设计得尽量使它对激光波长的反射率接近100%,而另一侧反射镜则稍低一些,比如98%以上.这样这一端的透镜将有激光穿透,这一端即为激光的输出端.
对于输出端透镜的反射率要适当选择,如果反射率太低,虽然透光能力强了,但对腔内光束损失太大,就会影响振荡器放大倍数,这样输出必然减弱.目前最佳反射率一般在给定激光条件下由实验来确定.
9.4.3 激光的特点
9.4.3.1 高方向性
高方向性就是高平行度,即光束的发散角小.激光束的发散角已达到几分甚至可小到.所以通常称激光是平行光.
9.4.3.2 高亮度
激光在单位面积上集中的能量很高.一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍.把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温.在这种高温下,就是最难熔的金属,在一瞬间也会熔化.
9.4.3.3 单色性好
单色光是指谱线宽度很窄的一段光波.用表示波长,表示谱线宽度,则越小,单色性越好.在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯.它的
而普通的氦氖激光器所产生的激光
从上面数字可以看出:激光光谱单纯,波长变化范围小于,与普通光源相比缩小了几万倍.
9.4.3.4 高相干性
相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质.普通光源是非相干光源,而激光是极好的相干光源.
相干性有时间相干性和空间相干性.时间相干性是指光源在不同时刻发出的光束间的相干性,它与单色性密切相关,单色性好,相干性就好;空间相干是指光源处于不同空间位置发出的光波间的相干性,一个激光器设计得好,则有无限的空间相干性.
由于激光具有上述特点,因此利用激光可以导向;做成激光干涉仪测量物体表面的平整度,测量长度,速度,转角;切割硬质材料等.随着科学技术的发展,激光的应用会更加普遍.
9.4.4 激光器
激光器的种类很多.按其工作物质可以分为气体,液体,固体,半导体激光器.
9.4.4.1 气体激光器
气体激光器通常是利用激光管中的气体放电过程来进行激励的.光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成,球面的半径要比腔长大一些.
氦氖激光器是应用最广泛的气体激光器.它的结构形式.它有内腔式(图11-20a所示),外腔式(图11—20b所示)两种.在放电管内充有,定气压和一定氦氖混合比的气体.氦氖激光器的转换效率较低,输出功率一般为毫瓦级.
二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子气体激光器.它的工作物质是CO2气体,常加入氮,氨及一些其他辅助气体.最常用的激光波长是10.6的红外光.CO2激光器的能量转换效率很高,可达百分之十几到30%.它的输出功率大,可有几十到上万瓦.因此它可用于打孔,焊接,通信等方面.
9.4.4.2 固体激光器
固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃,最常用的是红宝石(掺铬),钕玻璃(掺钕),钇铝石榴石(掺钕).
固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵),也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状,在光学共振腔中,它的轴线与两个反光镜相垂直),使之激发起来,从而发出激光.为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯,氪弧灯,汞弧灯,碘钨灯等各种灯作为光泵源的简称)的光能,常采用各种聚光腔.如果工作物质和泵灯一起放在共振腔内,则腔内壁应镀上高反射率的金属薄层,使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上.
红宝石激光器如图9.4.5所示,图中1是脉冲氙灯;2是红宝石棒,3是椭圆柱形聚光器,4是全反射镜,5是部分反射镜.它是世界上第一台成功运转的激光器.这种激光器在常温下,只能作脉冲运转,而且效率较低.
钕玻璃激光器的效率比红宝石激光器要高,它发出1.06的红外激光.钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,通常也只能作脉冲运转.钇铝石榴石激光器是目前性能最好的固体激光器之一,能连续运转,其连续输出功率可超过1000W.它发出的激光波长是1.06的红外光.
9.4.4.3 半导体激光器
半导体激光器最明显的特点是体积小,重量轻,结构紧凑.一般气体和固体激光器的长度至少几厘米,长的达几米以上.但半导体激光器本身却只有针孔那么大,它的长度还不到lmm,将它装在一个晶体管模样的外壳内或在它的两面安装上电极,其重量不超过2g,因此使用起来十分方便.它可以做成小型激光通讯机,或做成装在飞机上的激光测距仪或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达.
半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料,如砷化镓(GaAs),砷磷化镓(GaAs P),磷化铟(1nP)等.其中砷化镓应用最广,将它做成二极管形式,如图11-24所示.其主要部分是一个PN结,在PN结中存在导带和价带,如果把能量加在"价带"中的电子上,此电子就被激发到能量较高的导带上.若注人的能量很大(通常以电流激励来获得),就可以在导带与价带之间形成粒子数的反转分布,于是在注入的大电流作用下,电子与空穴重新复合,这时能量就以光子的形式释放出,最后通过谐振腔的作用,输出一定频率的激光.
半导体激光器的效率较高,可达60%～70%,甚至更高一些.但它也有一些缺点,如激光的方向性比较差,输出功率比较小,受温度影响比较大等.
9.4.5 激光的应用
激光具有高亮度,高方向性,高单色性和高相干性的特点,应用于测量和加工等方面,可以实现无触点远距离的测量,而且速度高,精度高,测量范围广,抗光,电干扰能力强,因此激光得到了广泛的应用.下面举几个激光的应用例子:
9.4.5.1 长度检测
一般应用的干涉测长仪是迈克尔逊干涉仪,其结构如图9.4.6所示.图中L1为准直透镜;MB为半透过式分光镜;M2为反射镜;L2是聚光透镜;PM是光电倍增管.
从氦氖激光(He-Ne)器发出的光,通过准直透镜L1变成平行光束,被分光镜MB分成两半:一半反射到反射镜M1,,另一半透射到反射镜M2.被M1和M2反射的两路光又经MB重叠,被聚光透镜L2聚集,穿过针孔P2到达光电倍增管PM.设MB到M1和M2的距离分别为l1和l2,则被分后再合的两束光的光程差方为
δ=2(l2一l1)=2l (9-4-2)
如果反射镜M2沿光轴方向从l2=l1的点平行移动l的距离,那么光程差方δ=2l.当Δl= 时出现明暗干涉条纹.因此,在移动M2过程中,PM端计数得到干涉条纹数N,将N乘以 ,就得到了M2移动的距离l,从而实现了长度检测.
9.4.5.2 测量车速
车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器,其发散角在～20间,发光波长为0.9.其光路系统如图9.4.7所示,图中1是激光源;2为发射透镜;3为接收透镜;4为光敏元件.为了适应较远距离的激光发射和接收,发射透镜采用437mm,焦距115mm,接收透镜采用声37mm,焦距65mm.砷化镓激光器及光敏元件3DU33分别置于透镜的焦点上,砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出,再经接收透镜3会聚于3DU33.
为了保证测量精度,在发射镜前放一个宽为2mm的狭缝光阑,其测速的基本原理如下,当汽车行走的速度为v,行走的时间为t时,则其行走的距离
S=vt (9-4-3)
现选取s=lm.使车行走时先后切割相距lm的两束激光,测得时间间隔;,即可算出速度.采用计数显示,在主振荡器振荡频率为100kHz情况下,计数器的计数值为N时,车速的表达式可写成(v以km/h为单位)
上式就是测速仪的换算式.
思考题
1.光纤传感器的性能有何特殊之处 主要有哪些应用
2.红外线温度传感器有哪些主要类型 它与别的温度传感器有什么显著区别
3.红外线光电开关有哪些优越的开关特性
4.超声波发生器种类及其工作原理是什么 它们各自特点是什么
5.超声波有哪些传播特性
6.应用超声波传感器探测工件时,在探头与工件接触处要有一层耦合剂,请问这是为什么
7.根据你已学过的知识设计一个超声波探伤实用装置(画出原理框图),并简要说明它探伤的工作过程
8.激光器主要用于哪些非电量的检测 有何特点 主要的激光测速仪有哪些
新闻真实性未经中国超声波设备网证实，仅供您参考。未经许可，不得转载
