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第9章其他傳感器微波傳感器紅外線傳感器視覺傳感器超聲波傳感器生物傳感器第9章其他傳感器微波傳感器紅外線傳感器視覺傳感器超聲波傳19.1微波傳感器微波是電磁波的一部分,它與紅外光、可見光、紫外線、X射線、Y射線、及無線電波一起構成整個連續電磁波譜,其波長為1mm~1m圖9.1電磁波波譜9.1微波傳感器微波是電磁波的一部分,它與紅外光、可見光、2微波特點9.1.1微波的性質與特點(1)定向輻射裝置容易制造;(2)遇到各種障礙物易于反射;(3)不易產生繞射;(4)傳輸過程中受煙霧、灰塵、強光等影響小;(5)傳輸介質對微波有吸收作用并與其介電常數成比例(6)水對微波的吸收作用明顯
微波特點9.1.1微波的性質與特點(1)定向輻射裝置容3微波振蕩器是產生微波的裝置微波波長很短,頻率范圍為300MHz~300GHz.微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管傳輸,并通過天線發射出去9.1.2微波振蕩器與微波天線微波振蕩器是產生微波的裝置9.1.2微波振蕩器與微波天線4常用微波天線結構圖9.2常見微波天線9.1.2微波振蕩器與微波天線常用微波天線結構圖9.2常見微波天線9.1.2微波振蕩5微波傳感器是用微波特性來檢測物理量的裝置9.1.3微波傳感器及其分類微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩種
(1)反射式微波傳感器
通過檢測被測物反射回來的微波功率或從發射微波到接收微波的時間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數微波傳感器是用微波特性來檢測物理量的裝置9.1.3微波傳6
(2)遮斷式微波傳感器9.1.3微波傳感器及其分類通過檢測接收天線接收到的微波功率大小來判斷發射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置等參數(2)遮斷式微波傳感器9.1.3微波傳感器及其分類7
1微波液位計圖9.3微波液位計示意圖9.1.4微波傳感器的應用由相互構成一定角度、相距為s的發射天線與接收天線組成1微波液位計圖9.3微波液位計示意圖9.1.4微波8天線接收到的功率Pr為式中:d——兩天線與被測液面間的垂直距離;Pt——發射天線發射的功率;Gt——發射天線的增益;Gr——接收天線的增益;S——發射天線與接收天線之間的直線距離天線接收到的功率Pr為式中:9當發射功率、波長、增益均為恒定值時可改寫為:Kl——取決于波長、發射功率和天線增益的常數;K2——取決于天線安裝方法和安裝距離的常數當發射功率、波長、增益均為恒定值時可改寫為:Kl——取決于波102微波物位計微波物位計示意圖2微波物位計微波物位計示意圖11
3微波測厚儀該測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到金屬表面被反射的特性進行厚度測量3微波測厚儀該測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到金屬表面129.2紅外傳感器
1紅外輻射概念
指的是波長從0.76~1000μm,相對應的頻率大致在4×10~3×10Hz之間的紅外光.9.2.1紅外輻射的基本知識紅外光在電磁波譜中的分布9.2紅外傳感器1紅外輻射概念9.2.1紅外輻射的基139.2紅外傳感器(1)紅外光9.2.1紅外輻射的基本知識分為三個區域:近紅外區、中紅外區、遠紅外區9.2紅外傳感器(1)紅外光9.2.1紅外輻射的基本知149.2紅外傳感器9.2.1紅外輻射的基本知識(2)紅外輻射波速紅外輻射的物理本質是熱輻射在真空中的傳播速度如下式:c=λ?λ——紅外輻射的波長(μm);?——紅外輻射的頻率(Hz);c——光在真空中的傳播速度,c=3╳108
m/sm/s。9.2紅外傳感器9.2.1紅外輻射的基本知識(2)紅外15(3)紅外線透射率曲線波長為1~2.5μm、3~5μm、8~14μm區域的紅外光具有比較大的“透射率”.即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。
(3)紅外線透射率曲線波長為1~2.5μm、3~5μm162紅外輻射源根據輻射源幾何尺寸的大小分為點源和面源面源:充滿紅外光學系統視場的輻射源叫點源:沒有充滿紅外光學系統現場的大面源叫圖9.7點源熱輻射2紅外輻射源根據輻射源幾何尺寸的大小分為點源和面源面源:17Ω為立體角,P為立體角Ω內的發射功率輻射強度輻射強度J是點源在某一指定方向、單位立體角內發射的輻射功率點源的幅射強度J僅與方向有關,而與源面積無關Ω為立體角,輻射強度輻射強度J是點源在某一指定方向、單位立體181基爾霍夫定律一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能.9.2.2紅外輻射的基本定律Er—物體在單位面積和單位時間內發射出輻射能—該物體對輻射能的吸收系數;E0—等價于黑體在相同溫度下發射的能量,它是常數1基爾霍夫定律9.2.2紅外輻射的基本定律Er—物192斯忒藩—玻爾茲曼定律T—物體的絕對溫度(K)—斯忒藩一玻爾茲曼常數在單位時間內,其單位面積輻射的總能量E為:—比輻射率,即物體表面輻射本領與黑體輻射本領的比值,黑體的
=12斯忒藩—玻爾茲曼定律T—物體的絕對溫度(K)—斯忒藩一203維恩位移定律
(1)熱輻射發射的電磁波中包含著各種波長(2)物體輻射峰值波長與物體的自身的絕對溫度T成反比(3)峰值波長與絕對溫度T關系:3維恩位移定律(1)熱輻射發射的電磁波中包含著各種波長(214不同溫度的輻射光譜分布圖9.8物體峰值輻射波長與溫度關系曲線4不同溫度的輻射光譜分布圖9.8物體峰值輻射波長與溫度關221熱敏紅外傳感器9.2.3紅外傳感器★溫差熱電變化熱敏紅外傳感器在吸收紅外輻射能后引起某種物理性質的變化:★金屬或半導體電阻變化★氣體壓強變化★金屬熱膨脹變化1熱敏紅外傳感器9.2.3紅外傳感器★溫差熱電變化232熱敏紅外傳感器種類9.2.3紅外傳感器
★熱敏電阻型紅外傳感器★熱電偶型紅外傳感器★熱釋電型紅外傳感器2熱敏紅外傳感器種類9.2.3紅外傳感器★熱243光子紅外傳感器
▲光子紅外傳感器是根據光電效應原理制成的
(1)光電導型紅外傳感器光電導型紅外傳感器是根據內光電效應制成的▲光子紅外傳感器可分為光電導型和光伏特型兩種:
(2)光伏特紅外傳感器光伏特紅外傳感器是根據光生伏特效應制成的3光子紅外傳感器▲光子紅外傳感器是根據光電效應原理制成25紅外遙測紅外光電傳感器遙測可代替空中照相技術,從空中獲取地球環境的各種圖像資。行掃描儀結構示意圖圖9.9紅外傳感器遙感裝置示意圖9.2.4紅外輻射檢測技術的應用紅外遙測圖9.9紅外傳感器遙感裝置示意圖9.2.4紅外輻26紅外氣體分析儀根據物質吸收光能特性來進行工作
CO2氣體透射光譜圖
圖9.10CO2氣體透射光譜圖紅外氣體分析儀圖9.10CO2氣體透射光譜圖27CO2紅外氣體分析儀的工作原理
圖9.11CO2紅外氣體分析儀原理圖CO2紅外氣體分析儀的工作原理圖9.11CO2紅外氣體分析289.3視覺傳感器(本節不講)人工網膜人工網膜是用光電管陣列代替網膜感受光信號,其最簡單的形式是3×3光電管陣列。以數字字符1為例,由3×3陣列得到的正、負像如圖9.12所示
圖9.12字符1的3×3正、負像9.3視覺傳感器(本節不講)人工網膜圖9.12字符1的29輸入字符為I,所得正、負像如圖9.13所示
工作時得到數字字符1的輸入,其正、負像可與已儲存的圖像進行比較,其結果如表9-1圖9.13字符I的3×3正、負像輸入字符為I,所得正、負像如圖9.13所示圖9.13字符30光電探測器光電探測器件有兩種:光導管和光敏二極管光導管工作機理:其電阻隨光照度而變化;光敏二極工作機理:產生與光照強度成正比的電流
其他傳感器廣東工業大學傳感器技術與應用資源共享課課件31固態光電探測器件:將單個光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列,使之具有直接測量或攝像功能;固態攝影器:做在硅片上的集成電路,硅片上有一個極小的光敏單元陣列和一個存儲單元陣列及電荷讀出掃描電路;固態陣列器件包括:自掃描光敏二極管(SSPD)、電荷耦合器(CCD)、電荷耦合光敏二極管(CCPD)和電荷注入器(CID)等主要區別:電荷形成的方式和電荷讀出的方式不同另一種存儲單元陣列:模擬移位寄存器
固態光電探測器件:將單個光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列,32雙目視覺傳感器結構:由兩臺性能相同的面陣CCD攝像機組成工作原理:基于立體視差的原理,可完成視場內的所有特征點的三維測量,如圓孔的中心、三棱頂點位置等;雙目視覺傳感器33機器人的視覺傳感器作用的過程如圖9.14所示:客觀世界中三維物體經由傳感器(如攝像機)轉變為二維的平面圖像,再經圖像處理,輸出該物體的圖像
機器人視覺圖9.14視覺作用過程機器人的視覺傳感器作用的過程如圖9.14所示:機器人視覺圖9349.4超聲波傳感器1超聲波的反射和折射超聲波在傳播過程中的路線圖9.15波的反射和折射9.4.1超聲波的基本特性9.4超聲波傳感器1超聲波的反射和折射圖9.15波的反352入射波速,反射波速與折射波速-入射角-反射角-入射波速C-反射波速β-折射角2入射波速,反射波速與折射波速36超聲波的波形及轉換縱波:質點的振動方向與傳播方向一致,它能 在固體、液體和氣體中傳播;橫波:質點的振動方向垂直于傳播方向的波,它只能在固體中傳播;表面波:質點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面傳播;以上各種波形都符合反射及折射定律,如圖9.16所示.
超聲波的波形及轉換372超聲波的波形及轉換●縱波:質點的振動方向與傳播方向一致,它能在固體、液體和氣體中傳播●橫波:質點的振動方向垂直于傳播方向的波,它只能在固體中傳播●表面波:質點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面傳播2超聲波的波形及轉換●縱波:●橫波:●表面波:38圖9.16波型轉換圖3各種波形都符合反射及折射定律圖9.16波型轉換圖3各種波形都符合反射及折射定律39—縱波與橫波的反射角;—縱波與橫波的折射角—入射介質,反射介質與折射介質內的縱波速度—反射介質與折射介質內的橫波速度
—入射角;—縱波與橫波的反射角;—入射角;404傳播速度
◆超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關◆超聲波的縱波在氣體中傳播速度為344m/s◆在液體中傳播速度在900~1900m/s之間◆通常認為橫波聲速為縱波的一半◆表面波約為橫波聲速的90%4傳播速度◆超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關415超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時,其能量逐漸衰減,衰減的程度與聲波的擴散、散射、吸收等因素有關6距離聲源處的聲壓P和聲強I
—聲源處的聲壓和聲強;e——自然對數的底;a——衰減系數;P,I——距離聲源處的聲壓和聲強。
5超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時,其能量逐漸衰減,衰42超聲波在介質中傳播時,會對介質產生機械作用和熱學作用9.4.2超聲波對傳播介質的作用
(1)機械作用
超聲波在傳播過程中,會引起介質質點運動而使介質產生交替的壓縮和伸張,從而對介質產生了機械力作用(2)熱學作用在傳播過程中,由于其振動,使介質產生強烈的同頻振動,介質之間因振動產生互相摩擦而發熱,從而使介質的溫度升高超聲波在介質中傳播時,會對介質產生機械作用和熱學作用9.4.43超聲波傳感器構成:超聲波發生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片、吸收塊、保護膜等組成;圖9.17超聲波傳感器結構示意圖9.4.3超聲波傳感器的結構及工作原理
超聲波傳感器構成:超聲波發生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片44(1)超聲波產生:是利用逆壓電效應原理工作圖9.18超聲波傳感器電路原理圖(3)工作原理電路圖(2)超聲波接收:利用順壓電效應原理工作(1)超聲波產生:是利用逆壓電效應原理工作圖9.18超聲波451超聲波測厚
超聲波測厚常用的是脈沖回波法.超聲波探頭與被測物體表面接觸,圖9.19脈沖回波法測厚原理圖9.4.4超聲波傳感器的應用1超聲波測厚圖9.19脈沖回波法測厚原理圖9.4.4超46工件厚度δ表示為:
C--超聲波在工件中的傳播速度t--脈沖波從發射到接收的時間間隔工件厚度δ表示為:C--超聲波在工件中的傳播速度472障礙物探測利用超聲波檢測汽車后面有無障礙物的裝置2障礙物探測利用超聲波檢測汽車后面有無障礙物的裝置483超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為●單探頭液體介質式●單探頭氣體介質式3超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分493超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為●雙探頭氣體介質式●雙探頭液體介質式3超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分504固定點液位測量圖9.22超聲波定點液位計阻抗式液位計當探頭發射面分別與氣體或液體接觸時,發射電路通過的電流也就不同4固定點液位測量圖9.22超聲波定點液位計阻抗式液位514固定點液位測量透射式液位計▲當兩個探頭之間有液體時,接收探頭接收到的透射波較弱;▲當兩個探頭之間無液體時,接收探頭接收到的透射波較強
4固定點液位測量透射式液位計▲當兩個探頭之間有液體時,接529.5生物傳感器1生物傳感器構成:圖9.23生物傳感器原理圖
9.5.1生物傳感器類型及特點由敏感膜和敏感元件兩部分組成9.5生物傳感器1生物傳感器構成:圖9.23生物傳感器532生物傳感器的分類按照敏感膜材料的不同,生物傳感器可分為●細胞傳感器●微生物傳感器●免疫傳感器●酶傳感器●組織傳感器2生物傳感器的分類按照敏感膜材料的不同,生物傳感器可分為●54按照敏感元件的工作原理可分為:2生物傳感器的分類▲生物電極▲熱生物傳感器▲壓電晶體生物傳感器▲半導體生物傳感器▲光生物傳感器等按照敏感元件的工作原理可分為:2生物傳感器的分類▲生物電553生物傳感器的特點(1)分析速度快,可以在較短的時間內得到結 果(2)準確度高,一般相對誤差可以達到1%。(3)操作較簡單,容易實現自動分析(4)主要缺點是使用壽命較短3生物傳感器的特點(1)分析速度快,可以在較短的時間內得到561酶的特性與特點9.5.2酶傳感器及其應用◆酶與一般催化劑有相似之處◆酶是由生物體內產生并具有催化活性的一類蛋白質◆此類蛋白質表現出特異的催化功能◆酶被稱為生物催化劑1酶的特性與特點9.5.2酶傳感器及其應用◆酶與一般催572酶與一般摧化劑的不同之處9.5.2酶傳感器及其應用(1)酶的催化效率比一般催化劑要高(2)酶催化反應條件較為溫和,在常溫、常壓條件下即可進行(3)酶的催化具有高度的專一性,即一種酶只能作用于一種或一類物質,產生一定的產物(4)而非酶催化劑對作用物沒有如此嚴格的選擇性2酶與一般摧化劑的不同之處9.5.2酶傳感器及其應用583酶傳感器的結構與原理1.Pt陰極2.聚四氟乙烯膜3.固相酶膜4.半透膜多孔層5.半透膜致密層葡萄糖酶傳感器結構原理敏感膜為葡萄糖氧化酶,固定在聚乙烯酰胺凝膠上3酶傳感器的結構與原理1.Pt陰極2.聚四氟乙烯膜591微生物傳感器的分類及結構9.5.3微生物傳感器微生物傳感器從原理上分為:呼吸機能型代謝機能型1微生物傳感器的分類及結構9.5.3微生物傳感器微生物602呼吸機能型微生物傳感器
1.電解液2.O型環3.Pb陰極4.聚四氟乙烯5.固化微生物膜6.尼龍網7.Pt陰極
微生物呼吸機能存在好氣型和厭氣型兩種呼吸機能型結構2呼吸機能型微生物傳感器1.電解液2.O型環3613呼吸機能型微生物傳感器時間響應曲線圖9.29呼吸機能型微生物傳感器時間響應曲線穩定電流值表示傳感器處于O2飽和溶液中時的微生物吸收水平3呼吸機能型微生物傳感器時間響應曲線圖9.29呼吸機能型624代謝機能型微生物傳感器1.圓環2.液體連接面3.電解液4.Ag2O2電極(陰極)5.Pt電極(陽極)6.聚四氟乙烯膜基本原理是微生物使有機物產生各種代謝生成物甲酸傳感器結構示意圖4代謝機能型微生物傳感器1.圓環基本原理是微生物使有機63免疫傳感器可分為:非標識免疫傳感器和標識免疫傳感器
9.5.4免疫傳感器梅毒抗體傳感器由三個容器組成
容器1為基準容器,容器2為測試容器,容器3為抗原容器。免疫傳感器可分為:9.5.4免疫傳感器梅毒抗體傳感器容器164第9章其他傳感器微波傳感器紅外線傳感器視覺傳感器超聲波傳感器生物傳感器第9章其他傳感器微波傳感器紅外線傳感器視覺傳感器超聲波傳659.1微波傳感器微波是電磁波的一部分,它與紅外光、可見光、紫外線、X射線、Y射線、及無線電波一起構成整個連續電磁波譜,其波長為1mm~1m圖9.1電磁波波譜9.1微波傳感器微波是電磁波的一部分,它與紅外光、可見光、66微波特點9.1.1微波的性質與特點(1)定向輻射裝置容易制造;(2)遇到各種障礙物易于反射;(3)不易產生繞射;(4)傳輸過程中受煙霧、灰塵、強光等影響小;(5)傳輸介質對微波有吸收作用并與其介電常數成比例(6)水對微波的吸收作用明顯
微波特點9.1.1微波的性質與特點(1)定向輻射裝置容67微波振蕩器是產生微波的裝置微波波長很短,頻率范圍為300MHz~300GHz.微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管傳輸,并通過天線發射出去9.1.2微波振蕩器與微波天線微波振蕩器是產生微波的裝置9.1.2微波振蕩器與微波天線68常用微波天線結構圖9.2常見微波天線9.1.2微波振蕩器與微波天線常用微波天線結構圖9.2常見微波天線9.1.2微波振蕩69微波傳感器是用微波特性來檢測物理量的裝置9.1.3微波傳感器及其分類微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩種
(1)反射式微波傳感器
通過檢測被測物反射回來的微波功率或從發射微波到接收微波的時間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數微波傳感器是用微波特性來檢測物理量的裝置9.1.3微波傳70
(2)遮斷式微波傳感器9.1.3微波傳感器及其分類通過檢測接收天線接收到的微波功率大小來判斷發射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置等參數(2)遮斷式微波傳感器9.1.3微波傳感器及其分類71
1微波液位計圖9.3微波液位計示意圖9.1.4微波傳感器的應用由相互構成一定角度、相距為s的發射天線與接收天線組成1微波液位計圖9.3微波液位計示意圖9.1.4微波72天線接收到的功率Pr為式中:d——兩天線與被測液面間的垂直距離;Pt——發射天線發射的功率;Gt——發射天線的增益;Gr——接收天線的增益;S——發射天線與接收天線之間的直線距離天線接收到的功率Pr為式中:73當發射功率、波長、增益均為恒定值時可改寫為:Kl——取決于波長、發射功率和天線增益的常數;K2——取決于天線安裝方法和安裝距離的常數當發射功率、波長、增益均為恒定值時可改寫為:Kl——取決于波742微波物位計微波物位計示意圖2微波物位計微波物位計示意圖75
3微波測厚儀該測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到金屬表面被反射的特性進行厚度測量3微波測厚儀該測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到金屬表面769.2紅外傳感器
1紅外輻射概念
指的是波長從0.76~1000μm,相對應的頻率大致在4×10~3×10Hz之間的紅外光.9.2.1紅外輻射的基本知識紅外光在電磁波譜中的分布9.2紅外傳感器1紅外輻射概念9.2.1紅外輻射的基779.2紅外傳感器(1)紅外光9.2.1紅外輻射的基本知識分為三個區域:近紅外區、中紅外區、遠紅外區9.2紅外傳感器(1)紅外光9.2.1紅外輻射的基本知789.2紅外傳感器9.2.1紅外輻射的基本知識(2)紅外輻射波速紅外輻射的物理本質是熱輻射在真空中的傳播速度如下式:c=λ?λ——紅外輻射的波長(μm);?——紅外輻射的頻率(Hz);c——光在真空中的傳播速度,c=3╳108
m/sm/s。9.2紅外傳感器9.2.1紅外輻射的基本知識(2)紅外79(3)紅外線透射率曲線波長為1~2.5μm、3~5μm、8~14μm區域的紅外光具有比較大的“透射率”.即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。
(3)紅外線透射率曲線波長為1~2.5μm、3~5μm802紅外輻射源根據輻射源幾何尺寸的大小分為點源和面源面源:充滿紅外光學系統視場的輻射源叫點源:沒有充滿紅外光學系統現場的大面源叫圖9.7點源熱輻射2紅外輻射源根據輻射源幾何尺寸的大小分為點源和面源面源:81Ω為立體角,P為立體角Ω內的發射功率輻射強度輻射強度J是點源在某一指定方向、單位立體角內發射的輻射功率點源的幅射強度J僅與方向有關,而與源面積無關Ω為立體角,輻射強度輻射強度J是點源在某一指定方向、單位立體821基爾霍夫定律一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能.9.2.2紅外輻射的基本定律Er—物體在單位面積和單位時間內發射出輻射能—該物體對輻射能的吸收系數;E0—等價于黑體在相同溫度下發射的能量,它是常數1基爾霍夫定律9.2.2紅外輻射的基本定律Er—物832斯忒藩—玻爾茲曼定律T—物體的絕對溫度(K)—斯忒藩一玻爾茲曼常數在單位時間內,其單位面積輻射的總能量E為:—比輻射率,即物體表面輻射本領與黑體輻射本領的比值,黑體的
=12斯忒藩—玻爾茲曼定律T—物體的絕對溫度(K)—斯忒藩一843維恩位移定律
(1)熱輻射發射的電磁波中包含著各種波長(2)物體輻射峰值波長與物體的自身的絕對溫度T成反比(3)峰值波長與絕對溫度T關系:3維恩位移定律(1)熱輻射發射的電磁波中包含著各種波長(854不同溫度的輻射光譜分布圖9.8物體峰值輻射波長與溫度關系曲線4不同溫度的輻射光譜分布圖9.8物體峰值輻射波長與溫度關861熱敏紅外傳感器9.2.3紅外傳感器★溫差熱電變化熱敏紅外傳感器在吸收紅外輻射能后引起某種物理性質的變化:★金屬或半導體電阻變化★氣體壓強變化★金屬熱膨脹變化1熱敏紅外傳感器9.2.3紅外傳感器★溫差熱電變化872熱敏紅外傳感器種類9.2.3紅外傳感器
★熱敏電阻型紅外傳感器★熱電偶型紅外傳感器★熱釋電型紅外傳感器2熱敏紅外傳感器種類9.2.3紅外傳感器★熱883光子紅外傳感器
▲光子紅外傳感器是根據光電效應原理制成的
(1)光電導型紅外傳感器光電導型紅外傳感器是根據內光電效應制成的▲光子紅外傳感器可分為光電導型和光伏特型兩種:
(2)光伏特紅外傳感器光伏特紅外傳感器是根據光生伏特效應制成的3光子紅外傳感器▲光子紅外傳感器是根據光電效應原理制成89紅外遙測紅外光電傳感器遙測可代替空中照相技術,從空中獲取地球環境的各種圖像資。行掃描儀結構示意圖圖9.9紅外傳感器遙感裝置示意圖9.2.4紅外輻射檢測技術的應用紅外遙測圖9.9紅外傳感器遙感裝置示意圖9.2.4紅外輻90紅外氣體分析儀根據物質吸收光能特性來進行工作
CO2氣體透射光譜圖
圖9.10CO2氣體透射光譜圖紅外氣體分析儀圖9.10CO2氣體透射光譜圖91CO2紅外氣體分析儀的工作原理
圖9.11CO2紅外氣體分析儀原理圖CO2紅外氣體分析儀的工作原理圖9.11CO2紅外氣體分析929.3視覺傳感器(本節不講)人工網膜人工網膜是用光電管陣列代替網膜感受光信號,其最簡單的形式是3×3光電管陣列。以數字字符1為例,由3×3陣列得到的正、負像如圖9.12所示
圖9.12字符1的3×3正、負像9.3視覺傳感器(本節不講)人工網膜圖9.12字符1的93輸入字符為I,所得正、負像如圖9.13所示
工作時得到數字字符1的輸入,其正、負像可與已儲存的圖像進行比較,其結果如表9-1圖9.13字符I的3×3正、負像輸入字符為I,所得正、負像如圖9.13所示圖9.13字符94光電探測器光電探測器件有兩種:光導管和光敏二極管光導管工作機理:其電阻隨光照度而變化;光敏二極工作機理:產生與光照強度成正比的電流
其他傳感器廣東工業大學傳感器技術與應用資源共享課課件95固態光電探測器件:將單個光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列,使之具有直接測量或攝像功能;固態攝影器:做在硅片上的集成電路,硅片上有一個極小的光敏單元陣列和一個存儲單元陣列及電荷讀出掃描電路;固態陣列器件包括:自掃描光敏二極管(SSPD)、電荷耦合器(CCD)、電荷耦合光敏二極管(CCPD)和電荷注入器(CID)等主要區別:電荷形成的方式和電荷讀出的方式不同另一種存儲單元陣列:模擬移位寄存器
固態光電探測器件:將單個光敏二極管排列成線性陣列或矩陣陣列,96雙目視覺傳感器結構:由兩臺性能相同的面陣CCD攝像機組成工作原理:基于立體視差的原理,可完成視場內的所有特征點的三維測量,如圓孔的中心、三棱頂點位置等;雙目視覺傳感器97機器人的視覺傳感器作用的過程如圖9.14所示:客觀世界中三維物體經由傳感器(如攝像機)轉變為二維的平面圖像,再經圖像處理,輸出該物體的圖像
機器人視覺圖9.14視覺作用過程機器人的視覺傳感器作用的過程如圖9.14所示:機器人視覺圖9989.4超聲波傳感器1超聲波的反射和折射超聲波在傳播過程中的路線圖9.15波的反射和折射9.4.1超聲波的基本特性9.4超聲波傳感器1超聲波的反射和折射圖9.15波的反992入射波速,反射波速與折射波速-入射角-反射角-入射波速C-反射波速β-折射角2入射波速,反射波速與折射波速100超聲波的波形及轉換縱波:質點的振動方向與傳播方向一致,它能 在固體、液體和氣體中傳播;橫波:質點的振動方向垂直于傳播方向的波,它只能在固體中傳播;表面波:質點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面傳播;以上各種波形都符合反射及折射定律,如圖9.16所示.
超聲波的波形及轉換1012超聲波的波形及轉換●縱波:質點的振動方向與傳播方向一致,它能在固體、液體和氣體中傳播●橫波:質點的振動方向垂直于傳播方向的波,它只能在固體中傳播●表面波:質點振動介于縱波和橫波之間,它只能沿著固體表面傳播2超聲波的波形及轉換●縱波:●橫波:●表面波:102圖9.16波型轉換圖3各種波形都符合反射及折射定律圖9.16波型轉換圖3各種波形都符合反射及折射定律103—縱波與橫波的反射角;—縱波與橫波的折射角—入射介質,反射介質與折射介質內的縱波速度—反射介質與折射介質內的橫波速度
—入射角;—縱波與橫波的反射角;—入射角;1044傳播速度
◆超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關◆超聲波的縱波在氣體中傳播速度為344m/s◆在液體中傳播速度在900~1900m/s之間◆通常認為橫波聲速為縱波的一半◆表面波約為橫波聲速的90%4傳播速度◆超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關1055超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時,其能量逐漸衰減,衰減的程度與聲波的擴散、散射、吸收等因素有關6距離聲源處的聲壓P和聲強I
—聲源處的聲壓和聲強;e——自然對數的底;a——衰減系數;P,I——距離聲源處的聲壓和聲強。
5超聲波的衰減超聲波在介質中傳播時,其能量逐漸衰減,衰106超聲波在介質中傳播時,會對介質產生機械作用和熱學作用9.4.2超聲波對傳播介質的作用
(1)機械作用
超聲波在傳播過程中,會引起介質質點運動而使介質產生交替的壓縮和伸張,從而對介質產生了機械力作用(2)熱學作用在傳播過程中,由于其振動,使介質產生強烈的同頻振動,介質之間因振動產生互相摩擦而發熱,從而使介質的溫度升高超聲波在介質中傳播時,會對介質產生機械作用和熱學作用9.4.107超聲波傳感器構成:超聲波發生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片、吸收塊、保護膜等組成;圖9.17超聲波傳感器結構示意圖9.4.3超聲波傳感器的結構及工作原理
超聲波傳感器構成:超聲波發生器和超聲波接收器,主要由壓電晶片108(1)超聲波產生:是利用逆壓電效應原理工作圖9.18超聲波傳感器電路原理圖(3)工作原理電路圖(2)超聲波接收:利用順壓電效應原理工作(1)超聲波產生:是利用逆壓電效應原理工作圖9.18超聲波1091超聲波測厚
超聲波測厚常用的是脈沖回波法.超聲波探頭與被測物體表面接觸,圖9.19脈沖回波法測厚原理圖9.4.4超聲波傳感器的應用1超聲波測厚圖9.19脈沖回波法測厚原理圖9.4.4超110工件厚度δ表示為:
C--超聲波在工件中的傳播速度t--脈沖波從發射到接收的時間間隔工件厚度δ表示為:C--超聲波在工件中的傳播速度1112障礙物探測利用超聲波檢測汽車后面有無障礙物的裝置2障礙物探測利用超聲波檢測汽車后面有無障礙物的裝置1123超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為●單探頭液體介質式●單探頭氣體介質式3超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分1133超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分為●雙探頭氣體介質式●雙探頭液體介質式3超聲波液位測量脈沖回波式測量液位的原理圖,其測量裝置可分1144固定點液位測量圖9.22超聲波定點液位計阻抗式液位計當探頭發射面分別與氣體或液體接觸時,發射電路通過的電流也就不同4固定點液位測量圖9.22超聲波定點液位計阻抗式液位1154固定點液位測量透射式液位計▲當兩個探頭之間有液體時,接收探頭接收到的透射波較弱;▲當兩個探頭之間無液體時,接收探頭接收到的透射波較強
4固定點液
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