第11章波与射线传感器.ppt

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1、n 声波频率界限声波频率界限声波频率界限声波频率界限0 xxpp e20 xxII e声压声压 声强声强 x：声波与声源之间距离；声波与声源之间距离；：衰减系数衰减系数Np/mNp/m（奈培（奈培/米）；米）；:为为 X=0 X=0 处声压、声强；处声压、声强；0P0IxPxI声波随声波随 X X 增加声能增加声能由于扩散吸收而减弱。由于扩散吸收而减弱。不同超声波传感器工作方式不同超声波传感器工作方式c)c)反射式反射式a）兼用型）兼用型专用型专用型b)直射式直射式各种超声波传感器产品超声波传感器等效电路CCLR等效电路电感性电容性频率frfa电抗特性 超声波传感器可等效为一个超声波传感器可等

2、效为一个RLCRLC的串并联谐振电路。由电抗的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特电容性，这是超声波传感器所特有的。其中有的。其中 在超声波发送器双振子施加在超声波发送器双振子施加40KHz40KHz电压，通过逆压电电压，通过逆压电效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。的信号放大处理。超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理超声波传感器结构超声波传感器结

3、构双压电振子双压电振子圆锥形共振盘圆锥形共振盘栅孔栅孔压电晶片为圆形薄片，超声波频压电晶片为圆形薄片，超声波频率率f f与圆片厚度成反比；与圆片厚度成反比；阻尼块吸收声能，降低机械品质，阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差。率变差。超声波测液位超声波测液位hhsh2ah2as超声波在液体中传播测量超声波在液体中传播测量超声波在空气中传播测量超声波在空气中传播测量单换能器单换能器从发射到接收的时间从发射到接收的时间：t=2h/Ct=2h/C传感器到液面的距离：传感器到液面的距离：h=C

4、t/2h=Ct/2双换能器双换能器经过的路程：经过的路程：2S=ct2S=ct液位高度：液位高度：22hsaC C：超声波在介：超声波在介质中传播速度质中传播速度 发射驱动电路：发射驱动电路：由反向器组成由反向器组成RCRC振荡器经门电路完成振荡器经门电路完成功率放大，经功率放大，经CPCP耦合耦合传送给超声波振子产传送给超声波振子产生超声发射信号。生超声发射信号。超声波传感器发射基本电路超声波传感器发射基本电路 超声波传感器测距基本电路主要由超声波传感器测距基本电路主要由 振荡振荡发射电路发射电路、检测电路检测电路两部分组成：两部分组成：振荡器频率调整振荡器频率调整超声波传感器接收电路超声波

5、传感器接收电路 检测电路：检测电路：超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路 用于检测反射波，输出的高频信号电压接检用于检测反射波，输出的高频信号电压接检 波、放大、开关电路输出或报警。波、放大、开关电路输出或报警。100100倍放大倍放大 超声波测距模块：最大距离超声波测距模块：最大距离600cm600cm，最小距离，最小距离2cm2cm功放功放40KHzOSC 定时器定时器前置放大前置放大检波检波平方放大平方放大输出输出VCCVCC12V12V三位显示器被被测测物物发送，由发送，由555555构成多谐振荡器，构成多谐振荡器，RCRC电路产生电路产生40K

6、Hz40KHz等幅波放大送功放输出；等幅波放大送功放输出；接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时 间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。测距原理：测距原理：40KHz40KHz高频信号与高频信号与20Hz20Hz周期信号调周期信号调制成短脉冲群向外发送，制成短脉冲群向外发送，周期周期 T=1/20=50msT=1/20=50ms340m/s340m/s50ms=17m50ms=17m17m/2=817m/2=80cm0cm测距通过定时控制电路、

7、触发电路、测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，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，计数收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离器的输出值就是检测的距离。时钟周期时钟周期 T=1/40KHz=25mT=1/40KHz=25m 340m/s 340m/s（n n25s25s）=往返距离往返距离 单程距离单程距离=距离距离/2/2超声波测距原理时序波形示意图超声波测距原理时序波形示意图各种超声波测厚传感器超声波测流量 超声波频谱分析 超声波探伤传感器医学超声波检测 超声波测液位 因

8、为因为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，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，波长约所以称红外线，波长约0.751000m。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为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。近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，红外线在通过大气层红外线在通过大气层时，有三个波段通过率最高：时，有三个波段通过率最高：22.6m,35m,814m 红外探测器主要有两大类型红

9、外探测器主要有两大类型：1 1）热探测器热探测器（热电型）（热电型）包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等；包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等；2 2）光子探测器光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下（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，材料电学性质发生变化；产生光电子效应，材料电学性质发生变化；其中有光敏电阻、光电管、光电池等。其中有光敏电阻、光电管、光电池等。q 量子型光子探测器与光电传感器原理相同，量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍本节主要介绍热电型红外探测器热电型红外探测器。基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的基于物体

10、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；温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号；包括了包括了光光热热电电，两次信息变换过程；，两次信息变换过程；光光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热阶段，物质吸收光能，温度升高；热热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号；电阶段，利用某种效应将热转换为电信号；热释电材料：有晶体、陶瓷、塑料等铁电体；热释电材料：有晶体、陶瓷、塑料等铁电体；热释电结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面热释电结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，将镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，

11、将透明电极涂上黑色膜。透明电极涂上黑色膜。P黑色膜黑色膜电极电极透明电极透明电极P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。高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T T升高，升高，使极化强度使极化强度P P降低，表面电荷降低，表面电荷Q Q减少，释放部分电减少，释放部分电荷，所以称热释电。荷，所以称

12、热释电。温度一定时极化产生的电荷被附集在外表的自温度一定时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，由电荷慢慢中和，不显电性，热释电材料热释电材料要显示要显示出电特性，出电特性，热释电传感器需要热释电传感器需要用光调制器用光调制器，使温，使温度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间的频率。的频率。(介质）（电导率）PPTT/自自发发极极化化中和的平均时间为中和的平均时间为P黑色膜黑色膜电极电极透明电极透明电极P 铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，升温或降温时升温或降温时电

13、荷极性相反电荷极性相反。无论温度上升还是下降，。无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。荷表现出来。电极电极TTONOFF自发极化被中合，自发极化被中合，T P ，中合，中合，T P ，中合中合 所以热释电传感所以热释电传感器必须用光调制器，器必须用光调制器，使调制光的频率大使调制光的频率大于中合频率于中合频率。热释电元件热释电元件 热释电元件可视为电流源，产生的是电荷热释电元件可视为电流源，产生的是电荷 下式

14、说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：d Pd TISSgd td t式中：式中：S S元件面积；元件面积；P P极化强度；极化强度；g g热释电系数。热释电系数。热释电元件结构 热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关，热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关，但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度度-40-40+85+85，工作视角，工作视角5 5。热

15、释电元件热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，声，热释电元件热释电元件的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时要求有较高的输入电阻，还需用要求有较高的输入电阻，还需用FETFET进行阻抗变换。通常进行阻抗变换。通常热释电传感器已经将前极的场效应管热释电传感器已经将前极的场效应管FETFET和输入电阻安装和输入电阻安装在管壳中。在管壳中。0d PUIZSZd t 热释电元件等效电路热释电元件等效电路 输出电压：输出电压：热释电元件等效电路OUTOUT+V+VGNDGNDRsRsRgRg 光量子型是利用光电效应，通

16、过改变电子能量的状态引光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有：起电学现象，光量子型传感器有：光电导型（光电导型（PCPC），电阻受光照后引起电阻变化；），电阻受光照后引起电阻变化；光电型（光电型（PVPV），由于光照产生光生电子），由于光照产生光生电子空穴对；空穴对；光电磁型（光电磁型（PEMPEM），利用光电磁），利用光电磁PEMPEM效应，器件加电场效应，器件加电场 和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷；和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷；肖特基型（肖特基型（STST），金属与半导体接触形成肖特基势垒），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。随光照而变化。区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器 几乎可以探测整个红外波长范围。几乎可以探测整个红外波长范围。红外传感器可用于红外传感器可用于 红外测温、遥控器、红外监控报警红外测温、遥控器、红外监控报警器；器；红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干手机、自动水龙头等等；手机、自动水