輻射式傳感器

1．紅外輻射：紅光以外的光線，波長0.76～1000μm。

波長/μm

任何溫度高于絕對零度（-273.16℃）的物體，都會發射或吸收紅外線，即紅外輻射。當達到熱平衡時，散發和吸收的輻射一樣多。物體紅外輻射的強度和波長分布取決于物體的溫度和輻射率等。紅外輻射傳感器2．紅外輻射規律：1）基爾霍夫定律：物體向外發射輻射能取決于它的吸收本領。ER——物體在單位面積、單位時間內發出的輻射能；α——物體對輻射能的吸收系數；E0

——常數，等價于黑體在相同溫度下發射出的輻射能。紅外輻射傳感器2）斯蒂芬－玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：

物體單位面積輻射功率、物體輻射強度W

與其熱力學溫度T四次方成正比：（1）黑體ε=1，在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射；（2）物體輻射強度隨溫度升高而明顯增強；（3）大氣對不同波長的紅外輻射有不同的穿透程度。紅外輻射傳感器3）普朗克定律：絕對溫度為T時，在單位波長內其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時黑體光譜輻射通量密度與波長的關系為：紅外輻射傳感器黑體對波長為λ的光譜輻射通量密度；普朗克輻射常數，a.隨溫度升高，峰值輻射波長向短波方向移動，強度按指數增長；b.溫度不太高時，輻射波長位于紅外區域；c.峰值左側能量約占25％，右側約占75％。 4）維恩位移定律：光譜輻射通量密度密度峰值波長與物體自身的絕對溫度成反比。紅外輻射傳感器

能將紅外輻射能轉換為電能的裝置稱為紅外傳感器，按其工作原理可以分為光敏型（或稱光子型、量子型）和熱敏型兩類。

光敏型直接把紅外光能轉換為電能，其工作原理是光電效應。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應速度快，但響應紅外光的波長范圍較窄（圖中曲線2）。紅外傳感器光譜響應曲線紅外輻射傳感器

熱敏型將吸收的紅外光轉變為熱能，使器件自身的溫度發生變化，包括熱電偶式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲線1），能在常溫下工作，價格便宜。它的響應速度和靈敏度較低。

以紅外線為測量介質的系統稱為紅外傳感系統，按照功能可以分成五類：（1）溫度計和輻射計，用于溫度、輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，由以上各類系統中的兩個或者多個組合而成。紅外輻射傳感器（3）光學接收器：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用的是物鏡。（4）輻射調制器：將來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器。（1）待側目標：具有紅外輻射特性。（2）大氣衰減：由于各種氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待測目標發出的紅外輻射發生衰減。典型的紅外傳感系統（5）紅外探測器：它是紅外傳感系統的核心，利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。（6）探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷，探測器可以縮短響應時間，提高靈敏度。（7）信號處理系統：將探測的信號進行放大、濾波，并從中提取出有用的信息。然后將這些信息轉化為適當的格式，傳送到控制設備或者顯示器中。（8）顯示設備：它是紅外傳感系統的終端設備，常用的有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。典型的紅外傳感系統

濾光片采用允許在8～14μm的紅外輻射能通過的材料，步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點落在紅外光敏面上，被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，并將紅外輻射變換為電信號。

例1：紅外測溫（0-700℃）紅外輻射傳感器例2：紅外測溫（800℃以上的高溫）假定人造黑體吸收了由被測物輻射的全部能量，則有：從而得到：紅外輻射傳感器例3：紅外熱成像

紅外熱像儀將紅外輻射轉換成可見光進行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外輻射傳感器熱像技術應用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產監控、夜間機場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫學、軍事等。紅外輻射傳感器防爆型紅外熱像儀用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。礦用本質安全型紅外成像生命探測儀用于井下人員搜救、探測隱性火區分布、探測瞎炮位置分布、采煤機組與液壓支架實時工作狀態、探測井下各種開關、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動設備的發熱狀態等。紅外熱像儀應用貯存罐液位檢測內部屋頂檢查微觀電路檢測塑料擠壓過程溫度檢測總線節點發熱檢測耐火材料設備檢測電腦主板發熱量分布瀝青鋪路溫度分布紅外熱像儀應用

機械振動在介質中的傳播稱為聲波，人耳可以聽到的聲波頻率范圍是16～20kHz，超過20kHz的聲波稱為超聲波，如圖所示。超聲波傳感器

聲敏傳感器是將在氣體、液體或固體介質中傳播的機械振動轉換為電信號的器件或裝置。傳統的聲敏傳感器包括電阻變換型、壓電式、電容式等，下面介紹超聲波傳感器和聲表面波（SAW）傳感器。3）表面波：質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波。它只能在固體的表面傳播。1）縱波：質點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。2）橫波：質點振動方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波。聲波的分類

以非接觸方式工作，特別適用于防爆、放射性、醫學等領域應用，也更容易安裝和維護。

頻率高、波長短、繞射現象小；方向性好、能夠成為射線而定向傳播；對液體、固體的穿透本領很大，在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射式回波，碰到活動物體能產生多普勒效應；

傳播速度取決于媒質，與超聲波頻率無關。超聲波的特點

利用壓電材料制成，逆壓電效應將電振動轉換成機械振動產生超聲波，作為發射探頭；正壓電效應將超聲波轉換成電信號，作為接收探頭。

壓電式換能器是利用電致伸縮效應制成的。通過在壓電材料上施加交變電壓，使它產生電致伸縮振動而產生超聲波。常用的壓電材料為石英晶體、壓電陶瓷和鋯鈦酸鉛等。

壓電式超聲波探頭結構超聲波傳感器的結構

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。晶片的材料、大小（如直徑和厚度）各不相同，因此每個探頭的性能是不同的：（1）工作頻率：壓電晶片的共振頻率。當交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度：由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。當超聲探頭的溫度比較高時，需要單獨的制冷設備。（3）靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。超聲波傳感器的性能指標超聲波壓電陶瓷片的形式超聲波傳感器的形式超聲波傳感器的應用各種場合的距離測量；生產線上的工件計數；接近開關；倒車報警裝置；機器人自動避障裝置；超聲波液位/物位計；自動門開關裝置；液體、氣體的濃度和流量檢測；超聲波清洗；超聲波霧化；探傷、測厚、測密度；醫療器械、美容儀、按摩儀超聲波傳感器的應用超聲波測物位：通過測量發射和接收信號之間的時間差測距離。包括液位測量、固體料位測量、固－液分界面測量以及液－液分界面測量和液體有無測量等。

超聲波流量傳感器超聲波傳感器的應用超聲波傳感器的應用超聲波傳感器的應用常用超聲波流量傳感器分類：時差法和多普勒效應法；

固定式和便攜式；條件傳播時間差法多普勒法適用液體水類(江河水，海水農業用水等),油類（純凈燃油，潤滑油，食用油等），化學試劑，藥液等含雜質多的水(下水，污水，農業用水等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等)，油類(非凈燃油，重油，原油等)重復性誤差0.1%-0.3%1%傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質量的前提下,可以小于100m<30m價格較高一般較低超聲波測厚

常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器產生一定頻率的脈沖信號，脈沖波傳到被測工件的另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設工件厚度為d，脈沖波從發射到接收的時間間隔為Δt，則工件的厚度為：d＝vΔt/2超聲波傳感器的應用超聲波無損探傷超聲波探傷分為穿透法探傷和反射法探傷。

穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化狀況來判斷工件內部質量的方法。該方法結構簡單，適合探測薄板；探測靈敏度較低，不能精確定位；對兩探頭的相對距離和位置要求較嚴格。超聲波傳感器的應用

反射法是以超聲波在工件中反射情況的不同來探測缺陷的方法，具體又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法。一次脈沖反射法是以一次底波為依據進行探傷的方法。多次脈沖反射法是以多次底波為依據進行探傷的方法。超聲波傳感器的應用超聲波傳感器的應用超聲波測厚儀超聲波探傷儀超聲波探傷

聲表面波簡稱SAW（SurfaceAcousticWave），是英國物理學家瑞利（Rayleigh）于19世紀末期在研究地震波的過程中發現的一種集中在地表面傳播的聲波。任何固體表面都存在這種現象。某些外界因素（如溫度、壓力、加速度、磁場、電壓等）對SAW的傳播參數會造成影響，根據這些影響與外界因素之間的關系可以研制出測量各種物理、化學參數的SAW傳感器。SAW瑞利波

SAW是一種沿彈性體表面傳播的機械波。瑞利波質點的運動是一種橢圓偏振。在各向同性固體中，它是由平行于傳播方向的縱振動和垂直于表面及傳播方向的橫振動合成的，兩者的相位差為90度。瑞利波的能量只集中在一個波長深的表面層內，頻率越高，能量集中的表面層越薄。SAW傳感器SAW傳感器是以SAW技術、電路技術、薄膜技術相結合設計的器件，由SAW換能器、電子放大器和SAW基片及其敏感區構成，采用瑞利波進行工作。SAW換能器

換能器（IDT）是用蒸發或濺射等方法在壓電基片表面淀積一層金屬膜，再用光刻方法形成的叉指狀薄膜，它是產生和接收聲表面波的裝置。SAW傳感器敏感基片采用石英、鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電單晶材料制成。當敏感基片受到物理、化學或機械量擾動作用時，其振蕩頻率會發生變化。通過適當的結構設計和理論計算，能使它僅對某一被測量有響應，并將其轉換成頻率量。SAW傳感器當電壓加到叉指電極上時，由于壓電效應，在表面產生一個相應的彈性形變。由IDT激勵的聲表面波沿基片表面傳播。當基片或基片上覆蓋的敏感材料薄膜受到被測量調制時，聲表面波的頻率將改變，并由接收叉指電極測得。SAW諧振器結構是將一個或兩個叉指換能器（IDT）置于一對反射柵陣列組成的腔體中構成的。諧振器結構采用一個IDT時稱為單端對諧振器，采用兩個IDT時稱為雙端對諧振器。反射柵陣列能夠將一定頻率的入射波能量限制在由柵條組成的諧振腔內。SAW傳感器的核心是SAW振蕩器，有諧振器型（R型）和延遲線型（DL型）兩種。SAW傳感器諧振器型SAW振蕩器由SAW諧振器和放大電路組成。單端對諧振器的IDT既是發射端，也是接收端；雙端對諧振器中一個IDT作為發射端，另一個IDT作為接收端。將SAW諧振器的輸出信號經放大后，正反饋到輸入端，只要放大器的增益能夠補償諧振器及其導線的損耗，同時又滿足一定的相位條件，諧振器就可以起振并維持振蕩狀態。SAW傳感器當在壓電基片上設置兩個IDT，一個為發射IDT，另一個為接收IDT時，SAW在兩個IDT中心距之間產生時間延遲，稱為SAW延遲線。延遲線型SAW振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器T1激發出聲表面波，傳播到換能器T2轉換成電信號，經放大后反饋到T1以保持振蕩狀態。SAW傳感器（1）高精度，高靈敏度。SAW傳感器是將被測量轉換為電信號頻率進行測量，而頻率的測量精度很高，有效檢測范圍線性好；對惡劣環境的抗干擾能力很強，適于遠距離傳輸。（2）數字化。SAW傳感器將被測量轉換為數字化的頻率信號進行傳輸、處理，易于與計算機接口，組成自適應實時處理系統。（3）易批量生產。SAW傳感器的制作與集成電路技術兼容，極易集成化、智能化，結構牢固，性能穩定，重復性與可靠性好，適于批量生產。（4）體積小、質量輕、功耗低，可獲得良好的熱性能和機械性能。SAW傳感器的特點

典型的SAW傳感器包括：

石英聲表面波裝置（ST-QuartzSAWDevice）

SAW裝置檢測片（SAWDeviceDetectorBlock）振幅測量系統（AmplitudeMeasurementSystem）相位測量系統（PhaseMeasurementSystem）頻率測量系統（FrequencyMeasurementSystem）壓力監測系統（PressureMonitoringSystem）溫度控制系統（TemperatureControlSystem）溫度壓力檢測儀（TemperatureandPressureTestApparatus）數據采集軟件（DataAcquisitionSoftware）SAW傳感器的組成1.SAW壓力傳感器SAW諧振式力學量傳感器包括壓力傳感器和加速度傳感器，SAW器件在基底壓電材料受到外界作用力時，諧振器的結構尺寸、壓電材料的密度、彈性系數等發生變化，從而導致SAW的波長、頻率和傳播速度等發生變化。通過測量SAW傳感器的頻率變化可以得知壓力的大小。

SAW壓力傳感器由SAW振蕩器、敏感模片、基底等組成。SAW傳感器的應用2.SAW氣體傳感器

SAW氣體傳感器是在SAW傳播路徑上和IDT區域淀積一層化學界面膜，當界面膜吸附被測氣體后，引起SAW傳播頻率變化，可以通過測量SAW頻率的變化測量氣體濃度。已經開發出來的SAW氣體傳感器有SO2、水蒸氣、丙酮、甲醇、氫氣、H2S、NO2等傳感器。SAW傳感器的應用化學戰劑檢測器——以SAW化學傳感器對化學毒劑進行檢測。3.溫度傳感器當溫度變化時，SAW振蕩器的振蕩頻率會發生變化，從而可以制成SAW溫度傳感器。SAW溫度傳感器具有長期穩定性，靈敏度很高，可測量出10-4～10-6℃的微小溫度變化。SAW溫度傳感器可以用于氣象測溫、糧倉測溫、火災報警等。SAW傳感器的應用/commIndustry2/content.asp?contentid=1491174.SAW無源電子標簽技術，射頻識別SAW傳感器的應用a，SAW標簽由叉指換能器和若干反射器組成。b，閱讀器的天線周期地發送高頻詢問脈沖，電子標簽天線將接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉換為聲表面波，并在晶體表面傳播。c，反射器組將聲表面波反射回叉指換能器，重新轉換為高頻脈沖串后通過天線發送出去。d，如果反射器組按照某種特定的規律設計，則其反射信號中將含有該物體的特定編碼信息，通過解調達到自動識別的目的。SAW傳感器的應用信號處理SAW標簽詢問脈沖

回波脈沖詢問機SAW電子標簽可廣泛應用于物流管理、路橋收費、公共交通、門禁控制、防偽、超市收費和防盜、設備資產管理、郵包跟蹤、航空行李分揀等領域。智能傳感器是微處理器和傳統傳感器相結合的產物，國際上稱為IntelligentSensor或SmartSensor。它具有準確度高、可靠性高等特點，并具有一定的數據處理能力，能夠自檢、自校、自補償。主要由傳感器、微處理器及相關電路組成。智能傳感器1.微處理器主板：由CPU、存儲器、串行通信接口、地址譯碼器、時鐘發生器、地址總線、控制總線等組成。其性能決定了傳感器的硬件電路、接口設計、模塊數目等。

2.模擬量輸入模板傳感器輸出一般為毫伏數量級的模擬量，要滿足A/D轉換電路的要求，必須經過放大、濾波等處理，經過A/D轉換后傳輸到微處理器主板上。智能傳感器硬件設計

3.標準總線模板：外總線通常分為并行和串行兩種。并行外總線以IEEE-488（或稱GP-IB總線，GeneralPurposeInterfaceBus）為代表，串行則為RS-232。采用標準總線模塊，能使智能傳感器在機械上、電氣上、功能上符合統一的規范，便于將不同功能的儀器連接起來，組成各種自動測試系統。4.接