第9章 聲、波及輻射傳感器超聲波傳感器微波傳感器輻射式傳感器9.1超聲波傳感器9.1.1超聲波及其物理性質振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；低于16

Hz的機械波，稱為次聲波；高于2×104

Hz的機械波，稱為超聲波；頻率在3×108~3×1011

Hz之間的波，稱為微波。聲波的頻率界限圖9.1.1.1

超聲波的波型及其傳播速度聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質中傳播；②橫波：質點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質中傳播；③表面波：質點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質表面傳播，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面傳播。超聲波的傳播速度與介質密度和彈性特性有關。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質的密度；Ba——絕對壓縮系數。0～100℃范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化0～100℃范圍內蒸餾水聲速隨溫度的變化在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%

。氣體中縱波聲速為

344

m/s

，液體中縱1900m/s。9.1.1.2

超聲波的反射和折射聲波從一種介質傳播到另一種介質，

在兩個介質的分界面上一部分聲波被反射

,

另一部分透射過界面，在另一種介質內部繼續傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。由物理學知，當波在界面上產生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；α、β——分別為聲波的入射角和折射角；ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。聲波的反射系數和透射系數可分別由如下兩式求得:當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則9.1.1.3

超聲波的衰減聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射及吸收等因素有關。其聲壓和聲強的衰減規律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；x——聲波與聲源間的距離；α——衰減系數，單位為Np/cm（奈培/厘米）。9.1.2

超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電

效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；而正壓電效應是將超聲振

動波轉換成電信號，可作為接收探頭。超聲波探頭結構如圖所示。9.1.3超聲波傳感器應用9.1.3.1

超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性而制成的。對于單換能器來說，超聲波從發射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則式中：h——換能器距液面的距離；c——超聲波在介質中傳播的速度。對于雙換能器，超聲波從發射到接收經過的路程為2s，而因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；a——兩換能器間距之半。9.1.3.2

超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據管道流體的截面積，便可知道流體的流量。如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖所示。一般來說，流體的流速遠小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即實際中，超聲波探頭安裝在管道的外部，從管道的外面通過管壁發射和接收超聲波，不會給管道內流動的流體帶來影響。超聲波流量計：壓電超聲換能器每隔一段時間（如1/100s）發射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發射和接收的相位差與流速成正比。流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發射發射此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點，可測的流體種類很多，不論是非導電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業用水、農業用水等進行測量。還適用于下水道、農業灌渠、河流等流速的測量。汽車倒車防撞超聲裝置示意圖下圖是汽車倒車防撞超聲裝置示意圖，使用單探頭超聲換能器，超聲頻率為40kHz的脈沖超聲波。9.2

微波傳感器9.2.1微波概述微波是波長為0.1m

～

1mm的電磁波，對應的波段頻率范圍為30

MHz

～

300GHz在實際應用中為了方便起見，把微波波段細分為：分米波段(頻率從300～3000MHz)、厘米波段(頻率從3～30GHz)、毫米波段(頻率從30～300GHz)及亞毫米波段(頻率從300～3000GHz)。微波有電磁波的性質，但它又不同于普通無線電波和光波，是一種相對波長較長的電磁波。(1)似光性和似聲性微波傳播的特性也和幾何光學相似，能像光線一樣直線傳播，容易集中，即具有似光性。微波的波長與無線電設備尺寸相當的特點，使微波又體現出與聲波相似的特征，即具有似聲性。(2)分析方法的獨特性由于微波的頻率很高，波長很短，使得在低頻電路中被忽略了的一些現象和效應（例如趨膚效應、輻射效應、相位滯后現象等）在微波波段則不可忽略。這樣，低頻電路中常用的集中參數元件電阻、電感、電

容已不適用，電壓、電流在微波波段甚至失去了惟一性意義。因此用它們已無法對微波傳輸系統進行完全描述，而要建立

一套新的能夠描述這些現象和效應的理論方法——電磁場理

論的場與波傳輸的分析方法。(3)共度性電子在真空管內的渡越時間（10-9秒左右）與微波的振蕩周期（

10-9

～10-15秒）相當的這一特性稱共度性，利用該特性可以做成各種微波電真空器件，得到微波振蕩源。(4)穿透性微波照射于介質物體時，能深入物質內部的特點稱為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（除光波外），因而成為人類探測外層空間的“宇宙窗口”；微波可以穿透云霧、雨、植被、積雪和地表層，具有全天候和全天時的工作能力，成為遙感技術的重要波段；微波能夠穿透生物體，成為醫學透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，使遠程導彈和航天器重返大氣層，是實現通信和末端制導的重要手段。(5)信息性微波波段可載的信息容量是非常巨大的，即便是在很

小的相對帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達數百甚至

上千兆赫茲。所以現代多路通信系統，包括衛星通信系統，幾乎無例外地工作在微波波段。此外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息，這在目標探測、遙感、目標特征分析等應用中是十分重要的。（6）非電離性微波量子能量不夠大，因而不會改變物質分子的內部結構或破壞分子的化學鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。而由物理學可知，分子、原子和原子核在外加電磁場

的周期力作用下所呈現的許多共振現象都發生在微波范圍，因此微波為探索物質的內部結構和其基本特性提供了有效

的研究手段。9.2.2微波傳感器的原理和組成9.2.2.1

微波傳感器的分類微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發射天線發出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉換為電信號，再經過信號調理電路，即可以顯示出被測量，實現了微波檢測。根據微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數。遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線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體或被測物體的厚度、含水量等參數的。9.2.2.2

微波傳感器的組成微波傳感器通常由微波發射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。1.微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構成微波振蕩器。構成微波振蕩器的器件有調速管、磁控管或某些固態器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應管。圖11-1

常用的微波天線(a)

扇形喇叭天線; (b)圓錐形喇叭天線;(c)

旋轉拋物面天線; (d)拋物柱面天線2.微波檢測器電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內必須有足夠快的響應速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻

率通常可用半導體PN結，而對于頻率比較高的可使用肖特基結。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導材料的約瑟夫遜

結檢測器、SIS檢測器等超導隧道結元件，而在接近光的頻率區域可使用由金屬-氧化物-金屬構成的隧道結元件。微波的檢測方法有兩種，一種是將微波變化為電流的視頻變化方式，另一種是與本機振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。9.2.2.3

微波傳感器的特點微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點：①有極寬的頻譜（波長=1.0mm

～

1.0m

）可供選用，可根據被測對象的特點選擇不同的測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學氣氛以及高、低溫環境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環境下工作；③介質對微波的吸收與介質的介電常數成比例，水對微波的吸收作用最強；④時間常數小，反應速度快，可以進行動態檢測與實時處理，便于自動控制；⑤測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現遙測和遙控；⑥微波無顯著輻射公害。9.2.3微波傳感器的應用微波液位計9.2.3.2

微波濕度傳感器水分子是極性分子，常態下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶極子會形成定向排列。當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復取向，不斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者表現為微波信號的相移，后者表現為微波衰減。這個特性可用水分子自身介電常數ε來表征，即ε=ε′+αε″式中：ε′——儲能的度量；

ε″——衰減的度量；

α——常數。如圖為測量酒精含水量的儀器框圖。相位測定衰減測定9.2.3.3

微波測厚儀微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行測厚的。微波測厚儀原理如圖所示。補償短路器的位移與被測物厚度增加量之間的關系式為ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh式中：LA——電橋平衡時測量臂行程長度；LB——電橋平衡時參考臂行程長度；ΔLA——被測物厚度變化Δh后引起的測量臂行程長度變化值；

Δh——被測物厚度變化；ΔS——補償短路器位移值。由上式可知，補償短路器位移值ΔS即為被測物厚度變化值Δh。9.2.3.4

微波輻射計（溫度傳感器）任何物體，當它的溫度高于環境溫度時，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計能測量對象的溫度。普朗克公式在微波領域可近似為如圖為微波溫度傳感器的原理方框圖。9.2.3.5

微波測定移動物體的速度和距離微波測定移動物體的速度和距離是利用雷達能動地將電波發射到對象物，并接受返回的反射波的能動型傳感器。若對在距離發射天線為r的位置上以相對速度v運動的物體發射微波，則由于多卜勒效應，反射波的頻率fr發生偏移，如下式所示：f

r=f

0+fD式中fD是多卜勒頻率，并可表示為當物體靠近靶時,多卜勒頻率f

D

為正；遠離靶時，f

D

為負。輸入接收機的反射波的電壓ue可用下式表示：括號［］內的第二項是因電波在距離r上往返而產生的相位滯后。用接收機將來自發射機的參照信號

U

e

sin2π

f

0

t

與上述反信號混合后，進行超外差檢波，則可得到如下式那樣的具有兩頻率之差，即fD的差拍頻率的多卜勒輸出信號為因此，根據測量到的差拍信號頻率，可測定相對速度。但是，用此方法不能測定距離。為此考慮發射頻率稍有不同的兩個電波f1和f2，這兩個波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同。若測定這兩個多卜勒輸出信號成分的相位差為ΔΦ，則可利用下式求出距離r：9.2.3.6

微波無損檢測微波無損檢測是綜合利用微波與物質的相互作用，一方面微波在不連續界面處會產生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數和幾何參數的影響。通過測量微波信號基本參數的改變即可達到檢測材料內部缺陷的目的。微波無損檢測系統主要由天線、微波電路、記錄儀等部分組成，如圖所示。當以金屬介質內的氣孔作為散射源，產生明顯的散射效應時，最小氣隙的半徑與波長的關系符合下列公式:式中：Ｋ——K=2π/λ，其中λ為波長；ａ——氣隙的半徑。9.3

輻射式傳感器9.3.1

紅外傳感器9.3.1.1

紅外輻射及紅外輻射源1.紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。電磁波譜圖紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，具有反射、

折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。2.紅外輻射源發射紅外電磁波的物體和器件，皆稱紅外輻射源。它通常分為以下幾類：①標準輻射源，包括絕對黑體模型、能斯脫燈和硅碳棒等，常用于實驗室中紅外儀器和系統標定；②工業用輻射源，包括碳弧燈、鎢燈、電發光輻射器、電加熱的桿狀和面狀輻射器、氣體加熱輻射器等；③自然紅外源，包括太陽、月球、行星、大氣和云層等；④發光二極管和半導體激光器、固體和氣體激光器等；⑤紅外裝置或系統需要探測的輻射源，包括飛機發動機、機殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機、人造地球衛星、

機動車輛和人體等。9.3.1.2

紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統、探測器、信號調理電路及顯示等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是器件的某些性能參數隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化的熱探測器；另一類是利用各種光子效應的光子探測器，即入射到探測器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導電的器件。1.熱探測器熱探測器是基于光輻射與物質相互作用的熱效應制成的器件。熱探測器探測光輻射包括兩個過程，一是吸收光輻射能量后，探測器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化轉化成相應的電信號。熱探測器的主要優點是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區域，可以在常溫下工作，使用方便，應用相當廣泛。按熱電轉換原理的不同，熱探測器器件主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型探測器。而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發展很快。2.光子探測器光子探測器是利用光輻射與物質相互作用的光子效應制成的器件。光子探測器利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子的互相作用，改變電子的能量狀態，從而引起各種電學現象。根據所產生的不同電學現象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。9.3.1.3

紅外傳感器的應用1.紅外感應系統前面已闡述，紅外輻射的物理本質是熱輻射，溫度低的物體輻射的紅外線波長長，溫度高的物體輻射的紅外線波長短。在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發射源，如火焰、汽車、動植物、人體等都是紅外輻射源，但發射的紅外波長不同。紅外感應實際就是根據物體因表面溫度不同會發出不同波段的紅外光這一特性進行檢測的。在紅外感應系統中采用熱釋電紅外傳感器。圖為熱釋電紅外傳感器的結構圖熱釋電紅外傳感器多用于檢測物體發射的紅外線，其檢測區呈球形，視角為70°左右。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，一般檢測距離僅2m左右，但熱釋電紅外傳感器表面罩一塊菲涅爾透鏡后，可以提高傳感器的靈敏度，擴大監視范圍，檢測距離可以由原來的2m增加到10m。圖為菲涅爾透鏡檢測示意圖。2.紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。3.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同。幾種氣體對紅外線的透射光譜工業用紅外線氣體分析儀的結構原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電路等部分組成。9.3.2

核輻射傳感器9.3.2.1

核輻射及其性質各種物質都是由一些最基本的物質所組成。人們稱這些最基本的物質為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數Z而有不同的質子數

A

的原子所構成的元素稱同位素。 假設某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動發生衰變，衰變中釋放出α射

線、β射線、γ射線、X射線等，這種現象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。實驗表明，放射源的強度是隨著時間按指數定理而減低的，即式中：J0——開始時的放射源強度；J——經過時間為t以后的放射源強度；

λ——放射性衰變常數。放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測儀表對采用的放射性同位素要求它的半衰期比較長(半衰期是指放射性同位素的原子核數衰變到一半所需要的時間，這個時間又稱為放射性同位素的壽命)，且對放射出來的射線能量也有一定要求，因此常

用的放射性同位素只有20種左右，例如Sr90（鍶）、Co60（鈷）、Cs137（銫）、Am241（镅）等。1.α射線放射性同位素原子核中可以發射出α

粒子。α

粒子的質量為4.002

775u(

原子質量單位

)

，它帶有正電荷，實際上即為氦原子核，這種α粒子流通常稱作α射線。放射出α粒子后同位素的原子序數將減少兩個單位而變為另一個元素。一般α粒子具有40～100MeV的能量，平均壽命為幾微秒到1010年。它從核內射出的

速度為20km/s，α粒子的射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。2.β射線β粒子的質量為0.000549u，帶有一個單位的電荷。它所帶的能量為100keV～幾兆電子伏特。β粒子的運動速度均較α粒子的運動速度高很多，在氣體中的射程可達20m。和α

粒子一樣，β

粒子在穿經物質時，會使組成物質的分子或原子發生電離，但與α

射線相比β

射線的電離作用較小。由于β粒子的質量比α粒子小很多，因此更易被散射。β粒子在穿經物質時，由于電離、激發、散射和激發次級輻射等作用，使β

粒子的強度逐漸衰減，衰減情況大致服從如下的指數規律：J=J0e-μh式中：J0和J——β粒子穿經厚度為h、密度為ρ的吸收體前后的強度；

μ——線性吸收系數。β

射線與α

射線相比，透射能力大，電離作用小。在檢測中主要是根據β

輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量，根據輻射的反射來測量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測量氣體流的。3.γ射線原子核從不穩定的高能激發態躍遷到穩定的基態或較