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第 5 章 新型传感器
5.1 光纤传感器
光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一,它与激光器,半导体探测器一起构成了新的光学技术,创造了光电子学的新天地(领域).光纤的出现产生了光纤通信技术,特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出,它为人类21世纪的通信基础一—信息高速公路奠定了基础,为多媒体(符号,数字,语音,图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件.由于光纤只有许多新的特性,所以不仅在通信方面,而且在其他方面也提出了许多新的应用方法.例如,把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器.光纤传感器始于1977年,经过20余年的研究,光纤传感器取得了十分重要的进展,目前正进入研究和实用并存的阶段.它对军事,航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用.随着新兴学科的交叉渗透,它将会出现更广阔的应用前景.
一,光纤结构和传光原理
光纤结构十分简单,它是一种多层介质结构的圆柱体,圆柱体由纤芯,包层和护层组成.
纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料,制成根细的圆柱体,其直径在5～75μm内.有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等,以便提高的折射率.围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层),包层可以是单层,也可以是多层结构,层数取决于光纤的应用场所,但总直径控制在100～200μm范围内.包层材料一船为SiO2,也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅.与纤芯掺杂的目的不同,包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率.包层外面还更涂一些涂料,其作用是保护光纤不受外来的损害,增加光纤的机械强度.光纤最外层是一层塑料保护管,其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤.光缆是内多根光纤
组成.并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能.光缆主要用于光纤通信.
我们知道,光纤是利用光的内全反射规律,将入射光传递到另一端的.它的具体结构和传光原理已在《光纤通信基础》课程中作过详细介绍,本课程不再重复.
二,光纤分类
根据光纤的折射率,光纤材料,传输模式,光纤用途和制造工艺,有如下几种分类方法:
1.阶跃型和梯度型光纤
根据光纤的折射率分布函数,普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类.
阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的,即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的,包层内的折射率分布也大体均匀,均可视为常数,但是纤芯和包层的折射率不同,在界面上发生突变,如下图 (a)所示.光线的传播,依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象.
梯度光纤纤芯内的折射率不是常量,而是从中心轴线开始沿径向大
致按抛物线形状递减,中心轴折射率最大.因此,光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚,光纤传播的轨迹类似正弦波形.梯度光纤又称为自聚焦光纤.
2.按材料分类
(1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维.
这种材料的光损耗比较小,在波长λ=1.2μm时,最低损耗约为0.47dB/km.
(2) 多组分玻璃光纤
用常规玻璃制成,损耗也很低.如硼硅酸钠玻璃光纤,在波长λ=0.84μm时,最低损耗为3.4dB/km.
(3) 塑料光纤.
用人工合成导光塑料制成,其损耗较大.当λ=0.63μm时,损耗高达100～200 dB/km;但重量轻,成本低,柔软性好,适用于短距离导光.
3.按传榆模数分类
(1)单模光纤
单模光纤纤芯直径仅有几微米,接近光的波长.单模光纤通常是指跃变光纤中,内芯尺寸很小,光纤传输模数很少,原则上只能传送一种模数的光纤,常用于光纤传感器.这类光纤传输性能好,频带很宽,具有较好的线性度;但因内芯尺寸小,难以制造和耦合.
(2)多模光纤.
多模光纤纤芯直径约为50μm,纤芯直径远大于光的波长.通常是指跃变光纤中,内芯尺寸较大,传输模数很多的光纤.这类光纤性能较差,带宽较窄;但由于芯子的截面积大,容易制造,连接耦合比较方便,也得到了广泛应用.
4.按用途分类
(1)通信光纤.
用于光通信系统,实际使用中大多使用光缆(多根光纤组成的线缆),是光通信的主要传光介质.
(2)非通信光纤.
这类光纤有低双折射光纤,高双折射光纤,涂层光纤,液芯光纤和多模梯度光纤等几类.
四,光纤传感器基本工作原即及类型
1.光纤传感器基本工作原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与输入调制区的光相互作用后,导致光的某些特性(如光的强度,
波长,频率,相位,偏振态等)发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后获得被测参数.
2.光纤传感器的类型
光纤传感器按其传感器原理分为两大类:一类是传光型,也称为非功能型光纤传感器;另一类是传感型,或称为功能型光纤传感器.前者多数使用多模光纤,后者常使用单模光纤.
在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的\"感觉\"功能是依靠其它功能元件来完成的.传感器中的光纤是不连续的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件.调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件.光纤在传感器中仅起传光作用.
传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料,作为其敏感元件,这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度.传光介
质是光纤,所以来用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求.
传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数.
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将\"传\"和\"感\"合为一体的传感器.在这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,同时利用光纤在外界因素(弯曲,相变)的作用下,使其某些光学特性发生变化,对输入的光产生某种调制作用,使在光纤内传输的光的强度,相位,偏振态等特性发生变化,从而实现传和感的功能.因此,传感器中的光纤是连续的.
传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,传感型光纤传感器的光纤是连续的,可以少用一些光耦合器件.但是,为了光纤能接受外界物理量的变化,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加
了传感器制造的难度.随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种持殊光纤的大量问世,高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用.
3.光纤传感器的特点
光纤传感器有以下三大特点,因而得到广泛的应用.
(1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小.
(2)光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好.
(3)光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式,非破坏性以及远距离测量.
五,光纤传感器的调制器原理
光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应,实现对外界被测参数的\"传\"和\"感\"的功能.从图12-4和图12-5可知,光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制.研究光纤传感器的调制器,就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用.外界信号可能引起光的某些特性(如强度,波长,频率,相位,偏振态等)变化,从而构成强度,波长,频率,相位和偏振态等调制.下面将分别介绍几种常用的调制原理.
1.强度调制
利用被测量的作用改变光纤中光的强度,再通过光强的变化来测量被测量,称为强度调制.其原理如图12-6所示.
当一恒定光源的光波I IN注入调制区,在外力场强Is的作用下,输出光波的强度被Is所调制,载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is形状相同,光(强度)探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场.同理,可以利用其他各种对光强的调制方式,如光纤位移,光栅,反射式,微弯,模斑,斑图,辐射等来调制入射光,从而形成相应的调制器.
强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法,其特点是技术简单可靠,价格低廉.可采用多模光纤,光纤的连接器和
耦合器均已商品化.光源可采用LED和白炽灯等非相干光源,探测器一般用光电二极管,三极管和光电池等.
(1)微小的线性位移和角位移调制方法
这种调制方法使用两根光纤,一根为光的入射光纤,另一根为光被调制后的出射光纤,如下图所示.两根光纤的间距为2～3μm,端面为平面,两者对置.通常入射光纤固定,外界作用(如压力,张力等)使得出射光纤作横向或纵向位移或转动,于是出射光纤输出的光强被其位移所调制.
若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤,径向位移 d 与功率耦合系数 T 之间存在下列关系:
式中S0为光纤中的光斑尺寸;T和d的关系为高斯型曲线.这种调制方法可以测量10μm以内的位移量.
(2)微弯损耗光强调制
根据模态理论,当光纤轴向受力而发生微小弯曲时,光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去,不产生全折射,这样将引起纤芯中的光强发生变化.因此,可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用,如应力,重量,加速度等物理量.
微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成.其中一块活动,另一块固定.变形器一般采用有机合成材料(如尼龙,有机玻璃等)制成.一根光纤从一对变形器之间通过,当变形器的活动部分受到外力的作用时,光纤将发生周期性微弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层,另一部分光反射回纤芯.当外界力增大时,泄漏到包层的散射光增
大,光纤纤芯的输出光强度减小;当外界力减小时,光纤纤芯的输出光强度增强.它们之间呈线性关系,如上图所示.由于光强度受到调制,通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化.
(3)吸收特性的强度调制
x,γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加,使光纤的输出功率降低,从而可以构成强度调制器,用来测量各种辐射量,其原理如下图(a)所示.用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的,由此还可以鉴别不同的射线.例如铅玻璃光纤对x,γ射线和中子射线特别灵敏,并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时,具有较好的线性,可以测量射线的辐射剂量.
2.频率调制
利用外界作用改变光纤中光的波长或频率,通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制.波长调制技术比强度调制技术用得少,其原因是解调技术比较复杂.
频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现.光纤常采用传光型光纤.光学多普勒效应告诉我们:当光源S发射出的光,经运动的物体散射后,观察者所见到的光波频率f l相对于原频率f 0发生了变化,如图所示.S为光源,N为运动物体,M为观察者所处的位置,若物体N的运动速度为υ,其运动方向与NS和MN的夹角分别为φ1和φ2,则从S发出的光频率f 0经运动物体N散射后,观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为f l,根据多普勒效应,它们之问有如下关系: (式中c为光速)
证明:设在运动的物体N上观测到的光波频率为f /,则
M点观测到从运动物体N上发出的光波频率:
由于c>>υ,所以可以忽略式中的平方项.
与机械波不同,光波(电磁波)存在横向多普勒效应.
根据上述的近似公式,可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统,如下图所示.设激光光源频率为f 0,经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体,当流体以速度υ运动时,根据多普勒效应,其向后散射光的频率为f 0 Δf或f 0-Δf(视流向而定),向后散射光与光纤端面反射光(参考光)经聚焦透镜和半反射镜,由检偏器检出相同振动方向的光,探测器检测出端面反射光f 0与向后散射光f 0 Δf或f 0-Δf的差拍的拍频Δf,由此可知流体的的流速.
光纤多普勒流速测量系统
3.偏振调制
根据电磁场理论,光波是一种横波;光振动的电场矢量 E 和磁场矢量 H 始终与传播方向垂直.如果光波的电场矢量 E 和磁场矢量 H 方向(与 E 垂直)在传播过程中保持不变,这种光称为线偏振光.线偏振光电场矢量(E)方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面.包含波的射线并与振动面方向垂直的面称为偏振面.光在传播中,E,H的大小不变,而振动方向绕传播轴均匀地转动,矢量端点轨迹为圆,这种光称为圆偏振光;如果矢量轨迹为一个椭圆,这种光称为椭圆偏振光.如果自然光在传播过程中,受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等,使某一方向的振动比其他方向占优势,这种光称为部分偏振光.如果外界作用使自然光的振动方向只有一个,这种现象称为起偏(形成完全偏振光).利用光波的这些偏振性质,可以制成光纤的偏振调制传感器.光纤传感器中的偏振调制器常用电光,磁光,光弹等物理效应进行调制.(注意,关于光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向)
⑴ 法拉第效应(磁光效应)
某些物质在磁场作用下,线偏振光通过时其振动面会发生旋转,这种现象称为法拉第效应.光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比,即
利用法拉第效应可以测量磁场.其测量原理如右图所示.
式中 V — 物质的弗尔德常数.
⑵ 普克尔效应(一次电光效应)
当压电晶体受光照射,并在与光照正交的方向上加以高压电场时,晶体将呈现双折射现象,这种现象被称为Pockels效应,如下图所示.并且,这种双折射正比于所加电场的一次方,所以普克尔效应又称为线性电光效应.
在晶体中,两正交的偏振光的相位变化为
式中:n0 — 正常折射率;de — 电光系数;U — 加在晶体片上的电压;λ— 光波长;L — 晶体长度;d — 场方向晶体厚度.
⑶ 光弹效应
在垂直于光波传播方向上施加应力,被施加应力的材料将会使光产生双折射现象,其折射率的变化与应力材关,这种现象称为光弹效应.由光弹效应产生的偏振光的相位变化为:
式中:K — 物质光弹性常数;
P — 施加在物体上的压强;
L — 光波通过材料的长度.
此时出射光强为:
利用物质的光弹效应可以构成压力,振动,位移等光纤传感器.
※ 关于双折射现象的说明
一束光在各向同性介质(如玻璃)的表面所产生的折射光只有一束,这是一般的常识.然而,对于光学性质随方向而异的一些晶体(各向异性介质),一束入射光常有被分解为两束的现象,这就是双折射现象.请注意,这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的,而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的.通过各向异性介质折射的光,若对于任意的入射角,其入射角的正
o光和e光示意图
不同而变化时,这种光称为非寻常光,简称为e光.o光和e光都是线偏振光,但是,光矢量(电矢量)等振动方向不同.o光的电矢量垂直于自己的主平面,而e光的电矢量则在自己的主平面内振动,如上图所示.在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化,实际上是指这两种光的相位差.
弦与折射角的正弦值比为一常数(即通常所说的折射率)时,这种光称为寻常光,简称为o光;若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射角的
六,偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器
偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器,其基本原理是前述介绍的法拉第效应(磁光效应).
当平面偏振光在强度为H的磁场作用下,线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角θ为:.如果这个磁场是由长直载流导线产生的,根据安培环路定律:
式中:I — 载流导线中的电流强度;r — 导线外任一观测点到导线的垂直距离.由此可见,只要根据磁光效应,利用光纤传感器测量出导线
外任一点r的磁场强度H,即可得到导线中的电流I.
为了利用光纤测量导线中的电流,可以将单模光纤绕在载流导线上,形成一个半径为r的螺线管,光纤螺线管的光纤长度为L.在强度为H 的磁场作用下,通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转,只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小.
光纤电流传感器原理示意图
然而,目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服系统,不仅系统繁杂,测量精度也不太高,所以常常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量.当光纤材料和光纤螺线管确定之后,由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光,经显微目镜耦合通过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流I有关(实际上是与电流在半径 r 处所产生的磁场 H 有关):
设载流导线中的电流I为零时,线偏振光振动方向在检偏器处的与Y轴平行,检偏器P(普通检偏器)的方位为φ;I ≠0时的方位为θ,在P上的投影(即光探测器的输出信号强度)为J,则
检偏器方向设置
在θ= 0附近,φ=±45°时检测的灵敏度最高.也就是说,为了获得较高的灵敏度,检偏器的方位应与I = 0时到达线偏器的线偏振光的振动方向成45°角.此时:
通常θ很小,所以,
.由此可见,J与I成线性关系.
七,光纤图像传感器
光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的.传像束由光纤按阵列排列而成,一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成,每条光纤传送一个像素信息.用传像束可以对图像进行传递,分解,合成和修正.传像束式的光纤图像传感器在医疗,工业,军事部门有着广泛的应用.
⑴ 工业用内窥镜
在工业生产的某些过程中,经常需要检查某些系统内部结构状况,而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察,采用光纤图像传感器可解决这一难题.将探头事先放入系统内部,通过光纤传像束的传输可以在系统外部
观察,监视系统内部情况,其工作原理如上图所示.该传感器主要由物镜,传像束,传光束,目镜或图像显示器组成.光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上,再由物镜对待观测物体成像,经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上,观察者便可对该图像进行分析处理.
另一种结构形式如下图所示.内部结构的图像通过传像束送到CCD器件上,可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行相应的处理,微机的输出可以通过伺服装置,实现跟踪,控制等
⑵ 医用内窥镜
医用内窥镜的示意图如左下图所示.它由末端的物镜,光纤图像导管(传像束),顶端的目镜和控制手柄组成.照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上,反射光通过传像束输出.
由于光纤柔软,自由度大,末端通过手柄控制能偏转,传输图像失真小,因此,它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器.
5.2 图像传感器
现代人类生活中,人们迫切需要获取信息,而人类获取的总信息量的80%以上是通过视觉器官得到的.所以图像传感器(Imaging Sensor ,缩写为IS,又称成像器件,摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件,因其能实现信息的获取,转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽,灵敏度范围扩大),能给出直观,真实,层次最多,内容最丰富的可视图像信息,所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用.
图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号,即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光),转换为按时序串行输出的电信号 —— 视频信号,而视频信号能再现入射的光辐射图像.把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描.
50年代前,摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管,飞点扫描管等)来完成.60年代后期,随着半导体集成电路技术,特别是MOS集成电路工艺的成熟,各种固体图像传感器得到迅速发展,到70年代末期.已有一系列产品在军事,民用各方面得到广泛席用.
线阵固体图像感器的发展曲线
(CCPD: 电荷耦合光电二极管列阵)
固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩写为SSIS)主要有三大类型,一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD),第二种是MOS图象传感器,又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array,简称SSPA),第三种是电荷注入器件(Charge Injection Device,简称CID).目前,前两种用得比较多.
同电子束摄像管相比,固体图象传感器有以下显著优点:
(1)全固体化,体积很小,重量轻,工作电压和功耗都很低;耐冲击性好.可靠性高,寿命长.
(2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20%的残象),无象元烧伤,扭曲,不受电磁干扰.
(3)红外敏感性.硅的SSPA光谱响应:0.20~1.0;CCD可作成红外敏感型;CID主要用于光谱响应大于3~5的红外敏感器件.
(4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1),因而可用于不接触精密尺寸测量系统.
(5)视频信号与微机接口容易
主要应用领域:①小型化黑白/彩色TV摄象机;②传真通讯系统;③光学字符识别(OCR: Optical Character Recognition);④工业检测与自动控制;⑤医疗仪器;⑥多光谱机载和星载遥感;⑦天文应用;⑧军事应用.
5.2.1 CCD图像传感器
一,CCD器件的结构
CCD摄像器件由光敏(光积分)单元和电荷转移单元(读出移位寄存器)组成,每个光敏单元对应一个象素如下图所示.各单元的基本结构如右图所示,由金属,绝缘层,半导体构成.VG加正向偏压后在半导体内形成\"电子势阱(耗尽区)\",势阱的深度由VG的大小来控制.电子势阱可以用来存放电子,这些电子的注入方式既可用\"光注入\"(光敏单元采用光注入),也可以用\"电注入\"(转移电荷时采用电注入).
对于光敏单元,当受到光线照射时,在光子的作用下,半导体内产生电子空穴对,空穴被排斥,电子被电子势阱俘获.这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集,成为光电荷注入,这就是CCD摄像器件的光电变换过程.势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比.
光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器(电荷转移单元)中,读出移位寄存器在读出脉冲(三相或四相脉冲)的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出,从而获得各个像素的亮度值.
光线
读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用,以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应.当MOS电容栅压VG增高时,在半导体内部被排斥的电荷数也增加,耗尽层厚度增加,半导体内电势越低,电子则向耗尽层移动,存储象对电子的陷阱一样,称为电子势阱.
电子势阱可以用来存放电子.其特点是:当VG增加,势阱变深;当VG减小,势阱变浅,电子向势阱深处移动.
对于二维CDD(面列阵)电荷的转移方式主要有2种:
\"帧间转移式(FT)\";
\"帧行间转移式(FIT)\" .
5.2.2 CMOS图像传感器
CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器APS(Active- Pixel Sensor)两大类.从结构上讲,主要包括光敏二极管型无源,有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器.
下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构 .
一,光敏二极管型CMOS图像传感器结构
在光敏二极管型无源图像传感器中,光敏二极管受光照将光子变成电子,通过行选择开关将电荷读到列输出线上;在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中,则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路.无源像素图像传感器仅仅是一种具有行选择开关的光电二极管,通过控制行选择开关把光生的电荷信号传送到像素阵列外的放大器;有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元,即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路.
二,光电栅型有源像素图像CMOS传感器
光电栅型APS CMOS像素单元框图如右图所示.像素单元包括光电栅PG(Photogate),浮置扩输出FD(Flcating Diffusion),传输电栅TX(Transfer Gate),复位晶体管MR(Reset Transistor),作为源极跟随器的输入晶体管MIN,以及行晶体管MX,实际上,每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD.每列单元共用一个读出电路,它包括第一源极跟随器的负载晶体管MLN以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路.这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路CDS能抑制来自像元浮置节点的复位噪声.
CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料, 因而受光后产生电子的原理相同, 并且具有相同的灵敏度和光谱特性,但是读取过程不同:CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂;CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号,电路简单.CCD的时钟驱动,逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与 CCD 集成到一块芯片上,这些功能可由 3～8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要;而借助于大规模集成制造工艺,CMOS 图像传感器能容易地把上述功能集成到单一芯片上.
CCD 大多需要三种电源供电,功耗较大,体积也比较大. CMOS 只需一个 (3～5) V 单电源,其功耗相当于 CCD 的 1/10;高度集成 CMOS 芯片可以做的比人的大拇指还小.到目前为止,面向数码相机的CCD固体摄像元件的最高像素为600万,而像素最高为1680万的CMOS图像传感器正在开发中.
需要指出,电荷耦合器件(CCD)并不仅限图像传感器这一种应用,它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值.
5.3 激光与红外传感器(探测器)
5.3.1激光传感器
一,激光的特点与激光器
1.激光的特性
⑴ 方向性强:激光光束的发散角很小,在几公里之外的的光斑直径可以小于几厘米.由于它的能量高度集中,一台高能量的红宝石激光器发射的激光会聚后,能产生几百万度的高温,可以瞬间熔化一切金属.
⑵ 单色性好:激光的频率宽度很窄,是最好的单色光.例如,普通光源中,单色性最好的是同位素氪86〔86Kr〕灯发出的光,其中心波长λ=605.7nm,Δλ=4.7×10-3nm,而氦氖激光器发出的红色激光的波长λ=632.8nm,Δλ在10-6nm的数量级上.
⑶ 相干性好:激光的时间相干性和空间相干性都很好.所谓相干性好就是指两束光在相遇区域内相互叠加后,能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号.时间相干性是指同一光源在相干时间τ内的不同时刻发出的光,经过不同路程相遇可以产生的干涉现象,可以用路程差即相干长度来反映;空间相干性是指同一光源发出的光,在一定大小的空间区域内相遇可以产生的干涉现象,可以用相干面积来度量.由于激光的传播方向,振动态,频率,相位完全一致,因此,激光具有优良的时间和空间相干性.
2.激光器及其特性
⑴ 固体激光器
它的工作介质为固态物质.尽管其种类很多,但其结构大致相同,特点是体积小而坚固,功率大.目前,输出功率可达几十兆瓦.常用的固体激光器有红宝石激光器,掺铷的钇铝石榴石激光器(简称YAG激光器)和铷玻璃激光器等.
⑵ 液体激光器
它的工作物质是液体.液体激光器最大特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调,可连续工作而不降低效率.液体激光器可分为有机液体染料激光器,无机液体激光器和聚合物激光器等.较为重要的是有机染料激光器.
⑶气体激光器
工作物质是气体.其特点是小巧,能连续工作,单色性好,但是输出功率不及固体激光器.目前,已开发了各种气体原子,离子,金属蒸气,气体分子激光器.常用的有CO2激光器,氦氖激光器和CO激光器等.
⑷ 半导体激光器
半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效率高,体积小,重量轻,结构简单,但输出功率小的激光器.其中有代表性的是砷化镓激光器.半导体激光器广泛应用于飞机,军舰,坦克,火炮上瞄准,制导,测距等和家用电器上.
二,激光探测器的应用
激光技术有着非常广泛的应用,如激光精密机械加工,激光通信,激光音响,激光影视,激光武器和激光检测等.激光检测具有测量精度高,范围大,检测时间短及非接触式测量等优点,主要用来测量长度,位移,速度,振动等参数.
1.激光测距
激光测距是激光测量中一个很重要的方面.如飞机测量其前方目标的距离,激光潜艇定位等.激光测距首先测量激光射向目标,而后又测量经目标反射到激光器的往返一次所需要的时间间隔t,则探测器到目标的距离D为:
式中:c —— 激光传播速度(3×108m/s);t —— 激光射向目标而又返回激光接收器所需要的时间间隔.
时间间隔t可利用精密时间间隔测量仪测量.目前,国产时间间隔测量仪的单次分辨率达±20ps.由于激光方向性强,功率大,单色性好,这些对于测量远距离,判别目标方位,提高接收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用.激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射.例如,D=1500km,激光往返一次所需要的时间间隔t为10ms±1ns,±1ns为测时误差.若忽略激光散射,则测距误差为±15cm;若测时精度为±0.1ns,则测距误差可达±1.5cm.若采用无线电波测量,其误差比激光测距误差大得多.在激光测距的基础上,发展了激光雷达.
2.激光测流速
激光测速应用得最多的是激光多普勒流速计,它可以测量火箭燃料的流速,飞行器喷射气流的速度,风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及会聚速度等.
流速计主要包括光学系统和多普勒信号处理两大部分.激光器1发射出来的单色平行光经聚焦透镜2聚焦到被测流体区域内,运动粒子使一部分激光散射,散射光与未散光之间发生频移.散射光与未散射光分别由两个接收透镜2和4接收,再经平面镜5和分光镜6重合后,在光电倍增管7中叠加产生差拍,光电倍增管将输出一个与拍频Δf /相同的交流信号;对这个拍频信号进行处理,即可获得动粒子的流速υ.运动物体(υ)所
引起的光学多普勒频偏Δf =2Δf /
式中d为光波的波速,所以频偏与速度υ成正比.
激光多普勒流速测量的另一个优点是通过改变透镜的会聚点,可测量出流场中不同位置的流速,这是其它测量手段无法比拟的.
3.激光陀螺
陀螺式惯性导航的关键部件.传统上使用的是机械陀螺,机械陀螺工作时需要绕轴线高速旋转,存在轴承摩擦和磨损.激光陀螺可以避免这个弊端.
激光陀螺由一个环型激光器构成,如下图所示.激光器向左右两端射出激光束,经全反射镜R1,R2和半反射镜R3一路顺时针传播,另一路逆时针传播,透过的光束R3经棱镜D合成一束由接收器接收.当陀螺固定不动,逆,顺时针传播的两束光的频率相同,当陀螺以角频率ω旋转时,两束光将会产生多普勒频差,在接收器中讲还出现差拍信号.多普勒频差大小为:
式中:S — 环形面积;
L — 环路总长度:
λ — 激光波长.
接收器
激光器
激光陀螺示意图
激光器
调制器
电机
行扫描照相机原理示意图
4. 激光行扫描照相机
激光制导航弹及引导头示意图
2
4
2
4
1
3
4. 激光制导航弹及引导头原理
5.3.2 红外辐射传感器
红外辐射技术作为一门新兴技术科学,在科学研究,军事工程和医学方面起着极其重要的作用.应用领域十分广阔,例如红外制导火箭,红外成像,红外遥感等.红外辐射技术的核心是红外辐射传感器.
一,红外辐射的基本特点
红外辐射就是红外光,其波长从1～1000μm.红外光是太阳光谱的一部分,其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示.
红外光的最大特点就是具有光热效应,辐射热量,它是光谱中最大光热效应区.红外光一种不可见光,与所有电磁波一样,具有反射,折射,散射,干涉,吸收等性质.红外光在真空中的传播速度为3×108m/s.红外光在介质中传播会产生衰减,在金属中传播衰减很大,但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料,大部分液体对红外辐射吸收非常大.不同的气体对其吸收程度各不相同,大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带.研究分析表明,对于波长为1～5μm, 8～14μm区域的红外光具有比较大的\"透明度\".即这些波长的红外光能较好地穿透大气层.
自然界中任何物体,只要其温度在绝对零度之上,都能产生红外光辐射.
红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的,热能强度也不一样.例如,黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体),镜体(能全部反射红外辐射的物体),透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应.严格来讲,自然界并不存在黑体,镜体和透明体,而绝大部分物体都属于灰体.
上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测,红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据.
二,红外辐射的基本定律
1.希尔霍夫定律
希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能.如果几个物体处于同一温度场中,各物体的热发射本领正比于它的吸收本领,这就是希尔霍夫定律.可用下面公式表示: Er=aE0,
式中:Er — 物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能;
a — 该物体对辐射能的吸收系数;
E0 — 等价于黑体在相同温度下发射的能量,它是常数.
黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体,黑体的吸收本领与波长和温度无关,即a=1.黑体吸收本领最大,加热后,它的发射热辐射也比任何物体都要大,
2.斯忒藩— 玻尔兹曼定律
物体温度越高,它辐射出来的能量越大.可用下面公式表示:
式中 :E — 某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量;σ— 斯忒藩 — 玻尔兹曼常数(σ=5.6697×10-12W/cm2K4;ε— 比辐射率,即物表表辐射本领域黑体辐射本领之比值,黑体的ε=1;T — 物体的绝对温度.
该定律表明,物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度的四次方成正比,并与ε成正比.物体温度越高,其表面所辐射的能量就越大.
3.维恩位移定律
热辐射发射的电磁波中包含着各种波长.实验证明,物体峰值辐射波长λm与物体的自身的绝对温度 T 成反比.即
上式称为维思位移定律.下图给出了分谱辐射出射度Mλ与波长λ的分布与温度的关系.从图所示曲线可知,峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移.当温度不很高时,降值辐射波长在红外区域.
三,红外探测器(传感器)
能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器(红外传感器),红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的.前者为热敏探测器,后者为光子探测器.从理论上讲,热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收,它是一种对红外光波无选择的红外传感器.光子探测器常用的光子效应有外光电效应,内光电效应(光生伏特效应,光电导效应)和光电磁效应.
热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多.前者的响应时间一般在ms以上,而后者只有ns量级.热探测器不需要冷却,光子探测器多数要冷却.
1.红外探测器的基本参数(为了便于设计和选用)
红外探测器主要技术参数有下列几项:
(1)响应率
所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比
式中 r — 响应率(V/W);
U0 — 输出电压(V);
P — 红外辐射功率(W).
(3) 噪声等效功率(NEP)
若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压,这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP).噪声等效功率是一个可测量的量.
设入射辐射的功率为P,测得的输出电压为U0,然后除去辐射源,测得探测器的噪声电压为UN,则按比例计算,要使U0=UN,的辐射功率为
(2) 响应波长范围
红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系,如右图所示.曲线①为热敏探测器的特性.热敏红外探测器响应率r与波长λ无关.光电探测器的分谱响应如图中曲线②所示.
λP对应响应峰值rP,rP /2于对应为截止波长λc.
(4) 探测率
经过分析,发现NEP与检测元件的面积S和放大器带宽Δf 乘积的平方根成正比,比例系数的倒数称为探测率D*.即
D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积,放大器的带宽为lHz时的辐射所获得的信噪比.
(5)响应时间
红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间,而且加入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等.红外探测器的响应时间是比较短的.
2.红外探测器的一般组成
红外探测器一般由光学系统,敏感元件,前置放大器和信号调制器组成.光学系统是红外探测器的重要组成部分.根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种.
反射式光学系统的红外探测器一般由四面玻璃反射镜组成,其表面镀金,铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统.为了减小像差或使用上的方便,常另加一片次镜,使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上,敏感元件与透镜组一体前置放大器接收热电转
换,后的电信号,并对其进行放大.
透射式红外探测器的部件用红外光学材料做成,不同的红外光波长应选用不同的光学材料.例如,在测量700℃以上的高温时(波长多为750～3000nm范围内近红外光),一般用光学玻璃和石英等材料作透镜材料;测量100～700 ℃范围的温度时(多为3～5μm的中红外光),多用氟化镁,氧化镁等热敏材料;测量100 ℃以下的温度(波长为5～14μm的中远红外光),多采用锗,硅,硫化锌等热做材料.除近红外光外,获取透射红外光的光学材料一般比较困难,反射式光学系统可避免这一困难.
5.4 超声波传感器
超声技术是一门以物理学,电子学,机械及材料科学为基础,应用十分广泛通用技术之一.在国民经济中,对提高产品质量,保障生产安全和设备安全运行,降低生产成本,提高生产效率等具有重要的意义.
超声波具有聚束,定向及反射,散射,透射等特性.按超声振动辐射大小不同大致可分为:利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用,称之谓功率超声;利用超声波获取若干信息,称之谓检测超声.这两种超声的应用,同样需要借助于超声波传感器 (换能器或探头)来实现.
目前,超声波技术广泛应用于冶金,船舶,机械,医疗等各个工业部门,例如超声清洗,超声焊接,超声加工,超声检测和超声医疗等方面,并取得了很好的社会效益和经济效益.
一,超声波的基本特性
超声波是高于听觉频率阈值的机械振动,其频率在104Hz ～ 1012Hz之间,其中常用的频率大约在104Hz ～ 3×106Hz之间.超声波在声场(被超声所充满的空间)传播时,如果超声波的波长与声场的尺度相比,远小于声场的尺度,超声波就像处在一种无限介质中,超声波自由地向外扩散;反之,如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近,则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散.于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用.
1.超声波的传播速度
超声波在介质中可产生三种形式的波:
横波 — 质点振动的方向垂直于波的传播方向;
纵波 — 质点振动方向与波的传播方向一致;
表面波 — 质点振动介于纵波与横波之间,沿物体表面传播.
横波只能在固体中传播;纵波能在固体,液体和气体中传播;表面波能在固体,液体中传播,随深度的增加其衰减很快.为了测量各种状态下的物理量多采用纵波.超声波的频率越高,与光波的某些性质越相似.
超声波与其他声波一样,传播速度与介质密度和弹性特性有关.
(1) 超声波 (纵波) 在气体和液体中,其传播速度
超声波在气体和液体中,其传播速度CgL为:
式中:ρ — 介质的密度;
Ba — 绝对压缩系数(B为容变模量).
(2)超声波在固体中的传播速度
超声波在固体中的传播速度分为两种情况:
①纵波在固体介质中传播的声速
固体中纵波的传播速度与介质形状有关.
(细棒) (薄板) (无限介质)
式中 E — 杨氏模量;
μ— 泊松比;
K — 体积弹性模量;
G — 剪切弹性模.
②横波声速公式为(无限介质)
固体中,μ介于0～0.5之间,因此一般可视为横波声速为纵波的一半.
2.超声波的物理性质
(1)超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时,一部分声波被反射;另一部分透射过界面,在相邻介质内部继续传播,这种现象称之为声波的反射和折射.如下图所示.
声波的反射系数R和透射系数T可分别由如下两式求
式中
α,β — 为声波的入射角和折射角;
ρ1 c1,ρ2 c2 — 分别为两介质特性阻抗,
其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度.
反射角,折射角与两个介质中的速度满足折射定律:
如果sin a>c1/ c2,入射波完全被反射,在相邻介质中没有折射波,成为全反射.
如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性介质界面时,一列斜入射的纵波不仅会产生反射纵波和折射纵波,而是还产生反射横波和折射横渡.
当超声波垂直人射界面时,即
α=β=0,则
(2)超声波的衰减
超声波在一种介质中传播时,其声压和声强按指数函数规律衰减.在平面波的情况下,距离声源x处的声压p和声强I衰减规律如下:
式中 p0,I0 — 距离声源 x =0处的声压和声强;
x — 观测点与声源间的距离;
A— 衰减系数,单位为Np/cm(奈培/厘米).
若为以dB/cm表示的衰减系数,则A/=20Alog(e)=8.686 A,此时以上两式变为
实际使用时,常采用10-3dB/mm为单位.
例如,若衰减系数为1dB/mm,声波穿透1mm则衰减1dB;声波穿透20mm,1dB/mm×20mm=20dB,即衰减90%.
(3)超声波的干涉
如果在同一种介质中传播频率相同,振动方向相同两列及以上的声波,就会产生波的干涉现象.
(4)超声波的波型转换
当超声波以某一角度入射到第二介质(固体)界面上时,除有纵波的反射,折射外,还会有横波的反射和折射.在一定条件下,还能产生表面波.它们符合几何光学中的反射定律,即
式中: a — 入射角;
a 1,a 2 — 纵波与横波的反射角;
γ,β — 纵波与横波的折射角;
cL,cL1,cL2 — 入射介质,反射介质,
折射介质内的纵波速度;
cS1,c S 2 — 反射介质,折射介质内
的横波速度.
若介质为液体或气体,则仅有纵波.利用上式可以实现波型转换.
3.超声波对超声场产生的作用(效应)
(1)机械作用
超声波在传播过程中,会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了压力的变化,这种压力的变化将引起机械效应.超声波引起的介质质点运动,的位移虽然不大,但与起声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大,有时超过重力加速度的数万倍.这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应,甚至能达到破坏介质的作用.
(2)空化作用(清洗,分散,粉碎应用)
在流体动力学中指出,存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时广生冲击波,这种膨胀,闭今,振动等一系列动力学过程称为声空化.这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一.
液休产生空化作用与介质的温度,压力,空化核半径,含气量,声强,粘滞性,频率等因素有关.一般情况下,温度高易于空化;液体中合气高,变化阀位低,易于空化;,声强高也易于空化;频率高,空化阀值高,不易于空化.例如,在15kHz时,产生空化的声强只需要0.16～2.6W/cm2;而频率在500kHz时,所需要的声强则为100～400 W/cm2.
在空化中,气泡闭合时所产生的冲击波强度最大.设气泡膨胀时的最大半径为Rm,气泡闭合时的最小半径为R,从膨胀到闭合,在距气泡中心为1.587R处产生的最人压力可达到 .当R→0时,pmax→∞.根据上式一般估算,局部压力可达到上千个大气压,由此足以看出空化的巨大作用
二,超声波传感器
能将(交流)电信号转换成机械振
动而向介质中辐射(发射)超声波,或
将超声场中的机械振动转换成相应的电
信号的装置称为超声波换能器(或称为
探测器,传感器,探头).超声波传感
器一般都是可逆的,既能发射也能接收
发射超声波.
超声波探头按其结构可分为直探头,
斜探头,双探头,液浸探头和聚焦探头等.超声波探头按其工作原理又可分为压电式,磁致伸缩式,电磁式等.最常用的是中压电式探头.
1. 普通型超声波传感器
⑴ 直探头
压电式直探头主要由压电晶片,吸收块(阻尼块),保护膜组等成,其结构如图10-8所示.压电晶片多为圆板形,其厚度与超声波频率成反比.例如,厚度为1mm晶片的自然频率约为1.89MHz;厚度为0.7mm晶片的自然频率约为2.5 MHz.压电晶片的两面镀有银层,作导电的极扳,阻尼块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能量.如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡,加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差.
声辐射
声辐射
反射器
环形压电换能器
大量程超声波物位计用超声波传感器结构示意图
⑵ 大量程位测量用超声波传感器
大量程位测量用超声波传感器的工作频率不太高,一般为数十千赫兹,且需要较大的功率,所以结构往往比较特殊.若采用前例中的厚度振动型压电陶瓷片,其厚度将近半米;虽然可以采用加载,加压的办法降低厚度振动型压电陶瓷片的谐振频率,但是接收灵敏度会大大降低.
2.聚焦型超声波换能器
⑴ 球面聚焦换能器
这种换能器利用声透镜聚焦.这种换能器的使用环境多为液体介质,透镜的透声材料的声速一般总是大于液体中的声速,所以聚焦透镜为凹透镜.如右上图所示.
⑵ 电子聚焦方法的聚焦换能器
实现电子聚焦需用换能器阵列,换能器线阵可以用作一维聚焦,而面阵则可用作二维聚焦.由N个单元组成的线阵,若各单元的辐射到F点的相位相同即可实现聚焦. 各单元声辐射到达F点的时间分别为ri/c,对各单元的电激励信号分别延迟t0-ti(t0为常数),使 对每个单元都相等即可.
球心
焦点
法线
折射线
入射线
球面聚焦换能器示意图
透声材料
压电陶瓷
折射角小于入射角,介质的声速应小于透声材料.
电子聚焦方法示意图
焦点
环形薄片厚度振动型换能器
可沿轴线变焦的电子聚焦换能器
焦点
二维聚焦面阵示意图
十字形结构面阵
聚焦面阵如上右图和上左图所示.其中上右图所示的换能器的焦点只能沿轴线变动位置,而上左图所示的换能器由于采用的是二维换能器面阵,所以焦点位置可在换能器前的一定空间内任意改变.
应该指出,二维换能器面阵不仅能实现波束聚焦,还可以完成多种方式的波束扫描,工作原理与雷达中的相控阵天线是完全相同的.但是,由于工作频率比雷达低得多,所以技术难度也比相控阵雷达低.
超声波传感器广泛应用于工业生产中,如超声波清洗,超声波焊接,超声波加工(超声钻孔,切削,研磨,抛光等),超声波处理(搪锡,凝聚,淬火,超声波电镀,净化水质等),超声波治疗诊断(体外碎石,B超等)和超声波检测(超声波测厚,检漏,测距,成像等)等.
5.5 核辐射传感器
核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电离作用,穿透能力,物体吸收,散射和反射等物理特性,利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度,厚度,分析气体成分,探测物体内部结构等,它是现代检测技术的重要部分.
一,核辐射源 — 放射性同位素
在核辐射传感器中,常采用α,β,γ和X射线的核辐射源,产生这些射线的物质通常是放射性同位素.所谓放射性同位素就是原子序数相同,原子质量不同的元素.这些同位素在没有外力作用下,能自动发生衰变,衰变中释放出上述射线.其衰减规律为:
式中J,J0分别为t和t0时刻的辐射强度,λ为衰变常数.
核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素.半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间,这个时间又称为放射性同位素的寿命.核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位意外,还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量.
二,核辐射的物理特性
1. 核辐射
核辐射是放射性同位素衰变时,放射出具有一定能量和较高速废的粒子束或射线.主要有四种:α,射线,β射线,γ射线和X射线射线.
α,β射线分别是带正,负电荷的高速粒子流;γ射线不带电,是以光速运动的光子流,从原子核内放射出来;X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量.
表示了某种放射性同位素的核辐射强度.由该式可知,
核辐射强度是以指数规律随时间而减弱.通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性的强弱.辐射强度单位用1Ci(居里)表示:1Ci的辐射强度就是辐射源1s内有3.7×1010次核衰变.1Ci(居里)=103mCi(居里) (毫居里)=106μCi(微居里).在检测仪表中常用mCi或μCi作为计量单位.
2.核辐射与物质的相互作用
(1)核辐射线的吸收,散射和反射
α,β,γ射线穿透过物质程中,一部分粒子能量被物质吸收,一部分粒子披散射掉,能量将按下述关系式衰减:
式中J,J0分别为射线穿透物质前,后的辐射强度,h为穿透物质的厚度,ρ为物质的密度,am为物质的质量吸收系数.
三种射线中,γ射线穿透能力最强,β射线次之,α射线最弱,γ射线的穿透厚度比α,β要大得多.
β射线穿透物质时,容易改变其运动方向而产生散射现象.当产生相反方向散射时,即出现了反射现象.反射的大小取决于散射物质的性质和厚度.β射线的散射随物质的原子序数增大而加大.当原子序数增大到极限情况时,投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来.反射的大小与反射物质的厚度有如下关系:
式中:Jh — 反射物质厚度为h(mm)时,放射线被反射的强度;
Jm — 当h趋向无穷大时的反射强度,Jm与原子序数有关;
μh— 辐射能量的常数.
当J0,am,Jm,μh,ρ等已知后,只要测出J或Jh就可求出其穿透厚度h.另一方面,当J0,am,h等已知后,只要测出J就可求物质的密度ρ.
(2)电离作用
当具有一定能量的带电粒子穿透物质时,在它们经过的路程上就会产生电离作用,形成许多离子对,电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式.
α粒子(射线)由于能量,质量和带电量大,故电离作用最强,但射程(带电粒子在物质中穿行时,能量耗尽前所经过的直线距离)较短.
β粒子质量小,电离能力比同样能量的α粒子要弱,由于β粒子易于散射,所以其行程是弯曲的.
γ粒子几乎没有直接的电离作用.
在辐射线的电离作用下,每秒钟产生的离子对的总数,即离子对形成的频率可出下式表示:
式中:E — 带电粒子的能量;
Ed— 离子对的能量;
J — 辐射源的强度;
C — 辐射源强度为1Ci时,每秒放射出的粒子数.
三,核辐射传感器
核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础.利用电离,吸收和反射作用以及α,β,γ和X射线的特性可以检测多种物理量.常用电离室,气体放电计数管,闪烁计数器和半导体检测核辐射强度,分析气体,鉴别各种粒子等.
1.电离室
利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图.在电离空两侧的互相绝缘的电极上,施加极化电压,使两极板间形成电场.在射线作用下,两极板间的气体被电离,形成正离子和电子,带电粒子在电场作用下定向运动形成电流I,在外接电阻上便形成压降.电流I与气体电离程度成正比,电离程度又正比于射线辐射强度,因此,测量电阻R上的电压值就可得到核辐射强度.
电离室主要用于探测α,β粒子.电离室的窗口直径约100mm左右,不必太大.γ射线的电离室同α,β的电离室不太一样,由于γ射线不直接产生电离,因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高γ光子与物质作用的有效性,因此,γ射线的电离室必须密闭.
2.盖格计数管
盖格计数管又称为气体放电计数管,其中心有一根金属丝并与管子绝缘,它是计数管的阳极;管壳内壁涂有导电金属层,为计数管的阴极,并在两极间加上适当电压.计数管内充有氩,氮等气体.当核辐射进入计数管内后,管内气体被电离.当电子在外电场的作用下向阳极运动时,由于碰撞气体产生次级电子,次极电子又碰撞气体分子,产生新的次级电子,这样次级电子急剧倍增,发生\"雪崩\"现象使阳极放电.
盖格计数管的特性曲线如下图所示.J1,J2代表入射的核辐射强度,J1>J2.由图可知,在外电压U相同的情况下,入射的核辐射强度越强,盖格计数管内严生的脉冲N越多.盖格计数管常用于探测α射线和β粒子的辐射量(强度).
3.闪烁计数管
闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体,常有气体,液体和固体三种,分为有机和无机两类)和光电倍增管组成,如下图所示.当辐射照射到闪烁晶体上,便激发出微弱的闪光,闪光射到光电倍增管上(由于三光很微弱,必须使用光电倍增管才会有光电流输出),就会在其阳极形成脉冲电流,从而得到与核辐射有关的电信号.
5.6 辐射式传感器应用举例
一,红外探测器的应用举例
红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量,气体成分分析,无损探伤,热像检测,红外遥感以及军事目标的侦察,搜索,跟踪和通信等.红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展,将会更加广阔.
1.红外气体分析仪
根据红外辐射在气体中的吸收带的不同,可以对气体成分进行分析.例如,二氧化碳对于波长为2.7μm,4.33μm和14.5μm红外光吸收相当强烈,并且吸收谱相当的宽,即存在吸收
带.根据实验分析,只有4.33μm吸收带不受大气中其他成分影响,因此可以利用这个吸收带来判别大气中的CO2的含量.二氧化碳对红外光的透射光谱如右图所示.
二氧化碳红外气体分析仪由气体(含CO2)的样品室,参比室(无CO2),斩光调制器,反射镜系统,滤光片,红外检测器和选频放大器等组成.
测量时,使待测气体连续流过样品室,参比室里充满不含CO2的气体(或CO2含量已知的气体).红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室,经反射镜系统,这两束光可以通过中心波长为4.33μm的红外光滤色片投射到红外敏感元件上.由于斩光调制器的作用,敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射.
若样品室和参比室均无CO2气体,只要两束辐射完全相等,那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射,因此,敏感元件只有直流响应,交流选频放大器输出为零.
若进入样品室的气体中含有CO2气体,对4.33μm的辐射就有吸收,那么两束辐射的通量不等,则敏感元件所接收到的就是交变辐射,这时选频放大器输出不为零.经过标定后,就可以从输出信号的大小来推测CO2的含量.
2.红外无损探伤仪
红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷,对部件结构无任何损伤.例如,检查两块金届板的焊接质量,利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊;为了检测金属材料的内部裂缝,也可利用红外探伤仪.红外无损探伤仪的工作原理如下图所示.
将红外辐射对金属板进行均匀照射,利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含有某种气体或真空) 对红外辐射的吸收所存在的差异,可以探测出金属断裂空隙.
当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时,在金属板另一侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光;如果金属板内部无断裂,辐射扫描器在扫描过程中,红外接收器收到的是等量
的红外辐射;如果金属板内部存在断裂,红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收到的红外辐射值与其他地方不一致,利用图像处形技术,就可以显示出金属板内部缺陷的形状.
3.辐射温度计
根据维恩位移定律,物体峰值辐射波长λm与物体的自身的绝对温度T成反比.即:
只要测量出辐射体(源)的峰值辐射波长λm,即可推测出辐射体的温度.这种测温手段的测温范围可达
-170℃～3200℃;响应速度
可达几个微秒;可以实现非接触测量,不会破坏温度场,还可以测量几百到上千Km之外物体的温度.
二,超声波传感器的应用举例
超声波传感技术是医疗卫生,工业生产,海洋探测等领域获取信息的重要手段之一.例如, B超成像诊断仪,超声波层析成像(CT),无损探伤仪,水下全息成像等.
1.超声波测量厚度——脉冲反射式超声测厚仪
超声波测厚仪按其工作原理可以分为共振法,干涉法及脉冲回波法等几种.由于脉冲反射法不涉及共振机理,与被测物表面的光洁度关系不密切,所以,超声波脉冲反射式是最常用的一种测厚方法.
⑴ 测量原理
脉冲反射式超声测厚原理是测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔,然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度.
式中: d — 样品厚度; c — 超声波速度; t — 超声波从发射到接收回波的时间间隔.
无论是超声测厚仪(含测距)还是超声波探伤仪,使用的超声波脉冲必须是窄脉冲,所以超声波换能器(应具有宽频带,窄脉冲特性) 必须用窄脉冲激励.否则,发射脉冲与反射脉冲以及反射脉冲之间将会产生重叠现象,影响测量.
同步电路
窄脉冲
发生器
超声波
换能器
回波接收
放大器
回波脉冲形成电路
计数(计时)电路
启动
停止
显示电路
原理框图
时钟电路
⑵ 超声波发射电路
超声波发射电路实际上是超声波窄脉冲信号形成电路,它由超声波大电流脉冲发射电路和抵消法窄脉冲发射电路组成.
①超声波大电流脉冲发射电路
右下图是一种典型的超声波大电流脉冲发射电路原理图.在测厚仪中,通常采用复合晶体管作开关电路.由BG1和BG2组成高反压大电流脉冲发生的复合管,当同步脉冲到来时,复合管突然雪崩导通,充有较高电压的电容C迅速放电,形成前沿极陡的高压冲击,以激励超声波探头产生超声发射脉冲波.
发射脉冲
回波脉冲
②抵消法窄脉冲发射电路:
抵消法窄脉冲发射电路能发射一个只保留前半周期的窄脉冲信号.
从主控器来的正脉冲信号经过两条通路施加到换能器上.一路是经BG2倒相放大成为负脉冲,通过D1加到换能器上,使它开始作固有振荡.
另一路是先经过电感L1,L2和变容二极管D3,D4组成的延迟电路,使脉冲信号延迟一段时间,然后再经BG1倒相放大,通过D2加到换能器上,使它在原来振动的基础上,选加一个振动.调节电位器W1和W3可控制两脉冲信号的幅度;调节W2可以改变变容二极管D3和D4的结电容,从而使脉冲信号的延迟时间在一定范围内变化.通过调节幅度与滞后量,可使两个振动互相叠加后,除了开始的半个周期外,其余部分都因振幅相等,相位相反而互相抵消,使换能器输出窄脉冲.
抵消脉冲产生电路
发射脉冲产生电路
充电电容
延迟线路
⑶超声波接收电路
由于超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号,因此,接收电路的设计必须考虑如下因素:
① 足够大的增益,至少要60dB的增益,这时既要防止放大器的饱和又要防止其自激;
② 脉冲放大电路与接收换能器之间的阻抗要匹配,使接收灵敏度与信噪比最佳;
③ 放大器要以足够宽的频带,使脉冲信号不失真;
④ 前置级放大电路必须是低噪声的.
由于换能器是容性的,通常选用共射-共集连接的宽频带放大器.电路由输入级,中间级
和输出级组成.输入级增益KI≈18dB,能对2mV的输入电压脉冲进行低噪声宽带(5MHz)放大;中间级增益Km≈33dB.脉冲信号经输出级的放大,整形后,送入控制显示电路进行计数.
2.超声波诊断仪
超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波(主要采用纵波),然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示,根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的.超声波诊断仪最常用的有A型超声波诊断仪,M型超声波心动图仪和B型超声波断层显像仪等.
⑴ A型超声波诊断仪
A型超声波诊断仪又称为振幅(Amplitude)型诊断仪,其原理类似示波器,所不同的是在垂直通道中增加了检波器,以便把正负交变的脉冲调制信号变成单向的视频脉冲信号.
同步电路产生50Hz～20kHz的同步脉冲,该脉冲触发扫描电路产生锯齿波电压信号,齿波电压信号的频率与超声波的频率相同,而且与视频信号同步.
发射电路在同步脉冲作用下,产生一高频调幅振荡,即产生幅度调制波(正弦填充脉冲).
发射电路—方面将调幅波送入高频放大器放大,使荧光屏上显示发射脉冲(如荧光屏上的第一个脉冲),另一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声振荡,超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成电压信号,该电压信号经高频放大器放大,检波,功率放大,在荧光府上将显示出一系列的回波,它们代表着各组织的特性和状况.
⑵ M型超声波诊断仪
M型超声波诊断仪主要用于运动(Motion)器官的诊断,常用于心脏疾病的诊断,故又称为超声波心动图仪.它是在A型超声波诊断仪的基础上发展起来的一种辉度调制式仪器.它与A型超声波诊断仪的不同点是M型的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上,而是加到示波管的栅极或阴极上来控制了到达示波管的电子束的强度.脉冲信号幅度高,荧光屏的光点亮;反之,光点暗.光点的纵坐标代表与回波信号相对应的点到体表的距离,横坐标则表示不同时刻,这种显示方式最适用于观察运动器官的动作情况.
各层组织与探头的距离而不同,在荧光屏上会呈现随心脏搏动而上下摆动的一系列光点,当代表时间的扫描线沿水平方向从左至右等速移动时,上下摆动的光点便横向展开,得到心动周期,心脏各层组织结构随时间变化的话动曲线,这就是超声心动图.
实际操作时,将探头固定在某一部位,如心脏部位.由于心脏搏动,
由M型显示得到的位移曲线,对时间微分可以得到速度曲线和加速度曲线,如下图所示.利用这些—套曲线,比较容易判断某些运动器有的疾病.
3.B型超声波诊断仪
B型超声波诊断仪(简称为B超,其成像方式称为B型成像方式)是在M型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness Modulation)式诊断仪.B型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像,声束沿z方向传播,沿x方向扫描,逐次照射物体的不同区域,并接收声束所
B超的电子扇形扫描
手动移动扫描位置
达区域内物体的散射声信号,将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度,从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度 对应的图像.扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种.
B超所使用的换能器多为线阵聚焦/扫描型,典型阵元数为256,外形如作下图所示.
B超换能器外形图
肾脏的B超图像
右下图是肾脏的B超图像
虽然B型和M型诊断同均属辉度调制式仪器,但是存在两个显著的不同点:
(1) 当M型超声波诊断仪工作时,探头固定在某一点,超声波定向发射;而B型超声波诊断仪工作时,探头是连续移动,或者探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向.探头由人手移动的称之为手动扫描,用机械移动的称之为机械扫描,用电子线路变动超声波束方向的称之为电子扫描.实际工作时这两种扫描的联合动作.
(2) M型超声波诊断仪显示的是超声心动图像,而B型超声诊断仪显示的是人体组织的二维断层图像.B型超声诊断仪要接收两种信息,一种是超声回波的强度信息,另一种超声探头的位置信息.由探头发射和接收的超声波经电路处理后,将视频脉冲输送到存储示波管的栅极进行调解.此外,把探头在空间的某一位置定为参考位置,偏离参考位置的角度经<a name=baidusnap0></a><B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>转换成电压加至示波管的X,Y偏转板上,使得探头移动线(声束截面上反射组织的X-Y位置)与荧光屏上亮点的X-Y位置相对应,于是在荧光屏上便可显示出人休内器官的影像图.
超声波还可以测量液(物)位(实际上是测距,原理与测厚相同),硬度,流速(流量)等.
三,核辐射传感的应用举例
核辐射传感器除了用于核辐射的测量外,也能用于气体分析,流量,物位,重量,温度,探伤以及医学等方面.
1.核辐射流量计
核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量,其工作原理如下图所示.若测量气体的流量,在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极,其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室.当气体流经两电极间时,由于核辐射使被测气体电离,产生电离电流;电离子一部分被流动的气体带出电离室,电离电流减小.随着气流速度的增加,带出电
离室的离子数增加,电离电流也随之减小.当外加电场—定,辐射强度恒定时,离子迁移率基本是固定的,因此,可以比较准确地测出气体流量.
若在流动的液体中,掺入少量放射性物质,也可以运用放射性同位素跟踪法求取液体流量.
2.核辐射测厚仪
核辐射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的.下图是利用差动和平衡变换原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪.
图中3,4为两个电离室,电离室外壳加上极性相反的电压,形成相反的栅极电流使电阻R上的压降正比于两电离室辐射强度的差值.电离室3的辐射强度取决于辐射源2的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射,
电离室4的辐射强度取决于8的辐射线经挡板5位置的调制程度.利用R上的电压,经过放大后,控制电机转动,以此带动挡板5位移,使电极电流相等.用检测仪表测出挡板的位移量,即可测量镀锡层的厚度.
1-锡层 2放射源 3,4-电离室 5-挡板 6-电机 7-滚子 8-辅助放射源 9-钢带
四, 热释电红外传感器及其应用
常见热释电红外传感器的外形
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件,利用热释电效应工作,它是通过目标与背景的温差来探测目标的.其响应速度虽不如光子型,但由于它可在室温下使用,光谱响应宽,工作频率宽,灵敏度与波长无关,容易使用.这种探测器,灵敏度高,探测面广,是一种可靠性很强的探测器.因此广泛应用于各类入侵报警器,自动开关,
非接触测温,火焰报警器等,目前生产有单元,双元,四元,180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器.常用的热释电探测器如:硫酸三甘钛(TGS)探测器,铌酸锶钡(SBN)探测器,钽酸锂(LiTaO3)探测器,锆钛酸铅(PZT)探测器等.
1. 热释电红外传感器的结构
常见的热释电红外传感器的外形如上图所示.
热释电传感器的内部结构
⑴ 敏感元
敏感元用红外热释电材料 — 锆钛酸铅(PZT)制成,经极化处理后,其剩余极化强度随温度T升高而下降.制作敏感元件时,将热释电材料制成很小
的薄片,再在薄片两面镀上电极,构成两个串联的,有极性的小电容.把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上,由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时,两个敏感元产生的热释电信号互相抵消,起到补偿作用.
使用热释电传感器时,通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上,它产生的信号不会被抵消.
热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时,才会给出一个相应的电信号,当温度的变化趋于稳定后,就再没有信号输出,即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比.因此,热释电传感器只对运动的人体或物体敏感.
热释电红外传感器传感器由敏感元,场效应管,高阻电阻等组成,并向壳内充入氮气封装起来,内部结构如右图所示.
传感器内部接线图
⑵ 场效应管及高阻值电阻Rg
敏感元的阻值可达1013Ω,因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用.场效应管常用2SK303V3,2SK94X3等型号,用来构成源极跟随器.高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷,使场效应管安全正常工作,源极输出接法时,源极电压约0.4一1.0V.如传感器内部接线图如下图所示.
红外滤光片透射曲线
⑶ 滤光片(FT)
PZT制成的敏感元件是一种广谱材料,能探测各种 波长辐射.为了使传感器对人体最敏感,而对太阳,电灯光等有抗干扰性,传感器采用了滤光片作窗口.滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的.每个物体都能发出红外辐射,其辐射峰值波长满足维思位移定律.对于人体体温(约36℃),辐射的最长波长为 λm=2898/309=9.4μm,也就是说,人体辐射在9.4μm处最强,红外滤光片选取了7.5～14μm波段,能有效地选取人体的红外辐射.红外滤光片透射曲线如上图所示.由图可见,小于6.5μm的光锐减至0,6.5～15.0μm的辐射,其透射率达60%以上,因此,FT可以有效地防止,抑制电灯,太阳光的干扰,但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作.热释电传感器常用于防盗报警,自动门,自动灯等.
2. 热释电红外传感器的应用
⑴ 人体探测/防盗报警器
① 菲涅尔透镜(FRESNEL LENS)
热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离.菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组,它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场,而相邻的两个单元透镜的视场既不连续,也不重叠,都相隔一个盲区.它的外型如下图所示.
菲涅尔透镜的外形
CE-024型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示.当人体在这一监视范围内运动时,顺次地进入某一单元透镜的视场,又走出这一视场,热释电传感器对运动的人体一会儿看到,一会儿看不到,再过一会又看到,之后又看不到,于是人体的红外辐射不断地改变热释电
菲涅尔透镜的视场
的温度,使它输出一个又一个相应的信号.从图10-30的视场图可以看出,菲涅尔透镜是有防盗盲区的,安装在2m高处的菲涅尔透镜存在着小于1m的盲区,在图示的黑影之下.
不加菲涅尔透镜,探测距离仅为2m左右,加上菲涅尔透镜后,其探测距离可达10米,若采用双重反射型菲涅尔透镜,其探测距离可达20m以上.
② 探测电路
人体进入探测范围内,传感器的输出信号频率大约为0.1～10Hz,这频率范围是由菲涅尔送人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的.其探测电路由检测,放大,比较电路,延时电路与驱动电路组成.
① 检测放大电路:检测放大电路由热释电传感器SD02及滤波放大器A1,A2等组成,具有4000多倍的放大能力.② 比较器电路:A3组成电压比较器,无报警信号时输出低电平;当有人入侵时,比较器翻转LED亮,当人体运动时则输出一串脉冲. ③ 延时驱动电路: 555Ⅰ,555Ⅱ和VT2组成延时,驱动电路.当A3输出一个正脉冲脉冲,C12充电,无脉冲C12将通过R17放电;着人在报警区移动,C12不断允电,当达到一定电压时,VT1触发555Ⅰ,使VT 2导通,吸合继电器,使其控制报警器. 555Ⅱ组成延时电路.避免开机瞬间的误报警.
⑵ 集成红外探测报警器
① 被动红外探测控制集成电路TWH9511
TWH系列PIR(热释电传感器)控制电路采用大规模CMOS数字电路及微型元件固化封装,具有性能指标高,一致性好,外围电路简单,安装方便,无需调试等特点.该电路按倍号输出
表10.1.1
方式可分为三种:交流供电继电器输出型TWH9511;交流供电可控硅输出型TWH9512;直流供电集电极输出型TWH9513.
TWH95系列控制电路内部设计有两个高阻抗输入低噪声运算放大器,其总增益限制在67dB之内,灵敏度可通过外接电阻进行调整.比较器为一个典型的窗口比较电路,其上下阈值经若干次选择后,确定出最佳门限值.其比较放大电路由内部4V稳压电路供电,设有温度补偿电路,因此增益不会随外界温度的变化而改变.这种电路能抑制热气团流动所产生的红外干扰,误报率低,其探测距离达12米以上.TWH95系列电路,均有使能控制端RD,该脚悬空时为自动状态,接入光控元件可使电路白天待机,晚上恢复自动工作.
电路内部均有为PIR预热的开机自动延时电路,延迟时间为45秒,使PIR预热后建立稳定的工作状态.内部还设置了输出延时系统电路,
② 电路工作原理:
接通电源后,电路处于开机延时状态,PIR传感器加电预热45秒,延时结束,电路进入自动检测状态.如果有人进入探测区,人体辐射的红外线被PIR传感器探测到,输出幅度约1mV,频率在0.3～7Hz(与人体移动速度及透镜型号有关)的微弱信号,此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络,馈入控制电路输入端S,微弱信号由内部两级带通选频放大后送至窗口比较器进行电压比较,输出触发电平,此触发信号通过一系列内部系统计数,延时,控制处理及驱动电路,最后推动继电器或可控硅,达到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门,照明灯的控制.
采用TWH9511组成的人体探测/防盗电路如右图所示,它由交流220V供电.PIR热释电传感器前要加菲涅尔透镜.探测灵敏度由4,5脚的可变电阻调节.传感器探测部分进入TWH9511的三根引线应采用屏蔽三芯电线,以防噪声影响;9与10脚接继电器线圈J,线圈的直流电阻应大于或等于400欧,使电流限制在40mA以下,继电器的常开触头去控制发声或发光报警装置.
⑶ 热释电红外热辐射温度计
热释电红外热辐射温度计是一种非接触式测温仪器.自然界中的物体,例如人体,火焰,机器设备,房屋,岩石,冰等物体都能辐射出红外线,只是辐射的红外波长不同而已.例如,人体温度(36～37℃)放射的红外线波长为9～10μm,400～700℃物体放射出的红外波长为3～5μm.
① 传感器
本测温装置使用的是LN-206P或IRAE001S热释电红外传感器,它能接收物体辐射出的红外线并使之转换成电压信号.
一般的热释电传感器多用于入侵防盗报警,它只能对移动的人体或热源作出反应,也就是说它们的探测对象应是一个超低频红外辐射源.LN-206P型热释电传感器在7Hz以下工作,特别是对1Hz频率辐射的响应灵敏度较高,可达1100V/W(在500K下).
一般情况下,测温对象是固定不动的,因此本辐射温度计采用斩光装置使被测\"热源\"以1Hz的频率入射到热释电传感器,其结构示意图如上图所示.将LN-206P型热释电传感器固定在一个开有窗口的盒子内,窗口到传感器间加斩光板,斩光板由慢速电机带动旋转,使传感器按1Hz的频率接收被测物体的辐射能(红外线).此外,盒内还放置温度补偿二极管.
② 测量电路
传感器输出的信号需经放大器放大,滤波器滤波,传感单元中的二极管温度补偿,即被测物体的温度是通过加法器来实现的.测量电路如下图所示.图中A1为一同相放大器,A2为一低通滤波器,它能把高于7Hz的信号滤掉,它的闭环增益为1.温度补偿采用负温度系数(-2mv/℃)的硅二极管,它的温度补偿信号经差动放大器A4放大, 送到加法器A3 ,它
将A2的输出与A4的输出相加.A3的输出与温度基本成线性关系,可用模拟或数字方法显示出来.本红外线测温仪,最高温度可测200℃,它仅适于近距离的非接触测温的场合.
超声波扫描全息
超声波换能器在z = 0平面内作扫描动作.在(xr,yr,0)点发射的声波经物体(成像对象)放射后,(xr,yr,0)点处换能器收到的回波强度P(xr,yr)当成像对象的反射率分布为f (x,y)时:
式中:A — 超声波辐射振幅;
r — 目标反射点到换能器的
距离.若
r 近似为:
由此可见 ,这是一个傅里叶变换式,可以通过逆变换得到物体的反射率分布f (x,y) ,即物体的像.
实际系统中xr , yr 是离散的,所以需要使用离散的傅里叶变换式:
我们设xr = n Δxr , yr = m Δyr ;则相应有x = kΔx , y = l Δy .N,M为xr , yr的采样点数.根据上述关系,作如下变换:
即可使用离散傅里叶变换(实际上使用逆变换)来得到物体的像.
日本冲电气(OKI)的水下成像实验(1986年)
x 射线层析成像(CT)原理
CT的完整拼写是:Computerized Tomography.依据的是拉冬(Radon)变换
吸收率分布
补充内容:超声波换能器的指向性与近距声场
1.超声波换能器的指向性
D:
振子直径
2. 近距声场场
D:振子直径
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光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一,它与激光器,半导体探测器一起构成了新的光学技术,创造了光电子学的新天地(领域).光纤的出现产生了光纤通信技术,特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出,它为人类21世纪的通信基础一—信息高速公路奠定了基础,为多媒体(符号,数字,语音,图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件.由于光纤只有许多新的特性,所以不仅在通信方面,而且在其他方面也提出了许多新的应用方法.例如,把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器.光纤传感器始于1977年,经过20余年的研究,光纤传感器取得了十分重要的进展,目前正进入研究和实用并存的阶段.它对军事,航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用.随着新兴学科的交叉渗透,它将会出现更广阔的应用前景.
一,光纤结构和传光原理
光纤结构十分简单,它是一种多层介质结构的圆柱体,圆柱体由纤芯,包层和护层组成.
纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料,制成根细的圆柱体,其直径在5～75μm内.有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等,以便提高的折射率.围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层),包层可以是单层,也可以是多层结构,层数取决于光纤的应用场所,但总直径控制在100～200μm范围内.包层材料一船为SiO2,也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅.与纤芯掺杂的目的不同,包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率.包层外面还更涂一些涂料,其作用是保护光纤不受外来的损害,增加光纤的机械强度.光纤最外层是一层塑料保护管,其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤.光缆是内多根光纤
组成.并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能.光缆主要用于光纤通信.
我们知道,光纤是利用光的内全反射规律,将入射光传递到另一端的.它的具体结构和传光原理已在《光纤通信基础》课程中作过详细介绍,本课程不再重复.
二,光纤分类
根据光纤的折射率,光纤材料,传输模式,光纤用途和制造工艺,有如下几种分类方法:
1.阶跃型和梯度型光纤
根据光纤的折射率分布函数,普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类.
阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的,即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的,包层内的折射率分布也大体均匀,均可视为常数,但是纤芯和包层的折射率不同,在界面上发生突变,如下图 (a)所示.光线的传播,依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象.
梯度光纤纤芯内的折射率不是常量,而是从中心轴线开始沿径向大
致按抛物线形状递减,中心轴折射率最大.因此,光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚,光纤传播的轨迹类似正弦波形.梯度光纤又称为自聚焦光纤.
2.按材料分类
(1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维.
这种材料的光损耗比较小,在波长λ=1.2μm时,最低损耗约为0.47dB/km.
(2) 多组分玻璃光纤
用常规玻璃制成,损耗也很低.如硼硅酸钠玻璃光纤,在波长λ=0.84μm时,最低损耗为3.4dB/km.
(3) 塑料光纤.
用人工合成导光塑料制成,其损耗较大.当λ=0.63μm时,损耗高达100～200 dB/km;但重量轻,成本低,柔软性好,适用于短距离导光.
3.按传榆模数分类
(1)单模光纤
单模光纤纤芯直径仅有几微米,接近光的波长.单模光纤通常是指跃变光纤中,内芯尺寸很小,光纤传输模数很少,原则上只能传送一种模数的光纤,常用于光纤传感器.这类光纤传输性能好,频带很宽,具有较好的线性度;但因内芯尺寸小,难以制造和耦合.
(2)多模光纤.
多模光纤纤芯直径约为50μm,纤芯直径远大于光的波长.通常是指跃变光纤中,内芯尺寸较大,传输模数很多的光纤.这类光纤性能较差,带宽较窄;但由于芯子的截面积大,容易制造,连接耦合比较方便,也得到了广泛应用.
4.按用途分类
(1)通信光纤.
用于光通信系统,实际使用中大多使用光缆(多根光纤组成的线缆),是光通信的主要传光介质.
(2)非通信光纤.
这类光纤有低双折射光纤,高双折射光纤,涂层光纤,液芯光纤和多模梯度光纤等几类.
四,光纤传感器基本工作原即及类型
1.光纤传感器基本工作原理
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使待测参数与输入调制区的光相互作用后,导致光的某些特性(如光的强度,
波长,频率,相位,偏振态等)发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后获得被测参数.
2.光纤传感器的类型
光纤传感器按其传感器原理分为两大类:一类是传光型,也称为非功能型光纤传感器;另一类是传感型,或称为功能型光纤传感器.前者多数使用多模光纤,后者常使用单模光纤.
在传光型光纤传感器中,光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的\"感觉\"功能是依靠其它功能元件来完成的.传感器中的光纤是不连续的,其间有中断,中断的部分要接上其他介质的敏感元件.调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件.光纤在传感器中仅起传光作用.
传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料,作为其敏感元件,这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度.传光介
质是光纤,所以来用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求.
传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数.
传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件,将\"传\"和\"感\"合为一体的传感器.在这类传感器中,光纤不仅起传光的作用,同时利用光纤在外界因素(弯曲,相变)的作用下,使其某些光学特性发生变化,对输入的光产生某种调制作用,使在光纤内传输的光的强度,相位,偏振态等特性发生变化,从而实现传和感的功能.因此,传感器中的光纤是连续的.
传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单,传感型光纤传感器的光纤是连续的,可以少用一些光耦合器件.但是,为了光纤能接受外界物理量的变化,往往需要采用特殊光纤来作探头,这样就增加
了传感器制造的难度.随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种持殊光纤的大量问世,高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用.
3.光纤传感器的特点
光纤传感器有以下三大特点,因而得到广泛的应用.
(1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗小.
(2)光纤传感器频带宽,可进行超高速测量,灵敏度和线性度好.
(3)光纤传感器体积很小,重量轻,能在恶劣环境下进行非接触式,非破坏性以及远距离测量.
五,光纤传感器的调制器原理
光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应,实现对外界被测参数的\"传\"和\"感\"的功能.从图12-4和图12-5可知,光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制.研究光纤传感器的调制器,就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用.外界信号可能引起光的某些特性(如强度,波长,频率,相位,偏振态等)变化,从而构成强度,波长,频率,相位和偏振态等调制.下面将分别介绍几种常用的调制原理.
1.强度调制
利用被测量的作用改变光纤中光的强度,再通过光强的变化来测量被测量,称为强度调制.其原理如图12-6所示.
当一恒定光源的光波I IN注入调制区,在外力场强Is的作用下,输出光波的强度被Is所调制,载有外力场信息的出射光 IOUT 的包络线与Is形状相同,光(强度)探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场.同理,可以利用其他各种对光强的调制方式,如光纤位移,光栅,反射式,微弯,模斑,斑图,辐射等来调制入射光,从而形成相应的调制器.
强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法,其特点是技术简单可靠,价格低廉.可采用多模光纤,光纤的连接器和
耦合器均已商品化.光源可采用LED和白炽灯等非相干光源,探测器一般用光电二极管,三极管和光电池等.
(1)微小的线性位移和角位移调制方法
这种调制方法使用两根光纤,一根为光的入射光纤,另一根为光被调制后的出射光纤,如下图所示.两根光纤的间距为2～3μm,端面为平面,两者对置.通常入射光纤固定,外界作用(如压力,张力等)使得出射光纤作横向或纵向位移或转动,于是出射光纤输出的光强被其位移所调制.
若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤,径向位移 d 与功率耦合系数 T 之间存在下列关系:
式中S0为光纤中的光斑尺寸;T和d的关系为高斯型曲线.这种调制方法可以测量10μm以内的位移量.
(2)微弯损耗光强调制
根据模态理论,当光纤轴向受力而发生微小弯曲时,光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去,不产生全折射,这样将引起纤芯中的光强发生变化.因此,可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用,如应力,重量,加速度等物理量.
微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成.其中一块活动,另一块固定.变形器一般采用有机合成材料(如尼龙,有机玻璃等)制成.一根光纤从一对变形器之间通过,当变形器的活动部分受到外力的作用时,光纤将发生周期性微弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层,另一部分光反射回纤芯.当外界力增大时,泄漏到包层的散射光增
大,光纤纤芯的输出光强度减小;当外界力减小时,光纤纤芯的输出光强度增强.它们之间呈线性关系,如上图所示.由于光强度受到调制,通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化.
(3)吸收特性的强度调制
x,γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加,使光纤的输出功率降低,从而可以构成强度调制器,用来测量各种辐射量,其原理如下图(a)所示.用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的,由此还可以鉴别不同的射线.例如铅玻璃光纤对x,γ射线和中子射线特别灵敏,并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时,具有较好的线性,可以测量射线的辐射剂量.
2.频率调制
利用外界作用改变光纤中光的波长或频率,通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制.波长调制技术比强度调制技术用得少,其原因是解调技术比较复杂.
频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现.光纤常采用传光型光纤.光学多普勒效应告诉我们:当光源S发射出的光,经运动的物体散射后,观察者所见到的光波频率f l相对于原频率f 0发生了变化,如图所示.S为光源,N为运动物体,M为观察者所处的位置,若物体N的运动速度为υ,其运动方向与NS和MN的夹角分别为φ1和φ2,则从S发出的光频率f 0经运动物体N散射后,观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为f l,根据多普勒效应,它们之问有如下关系: (式中c为光速)
证明:设在运动的物体N上观测到的光波频率为f /,则
M点观测到从运动物体N上发出的光波频率:
由于c>>υ,所以可以忽略式中的平方项.
与机械波不同,光波(电磁波)存在横向多普勒效应.
根据上述的近似公式,可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统,如下图所示.设激光光源频率为f 0,经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体,当流体以速度υ运动时,根据多普勒效应,其向后散射光的频率为f 0 Δf或f 0-Δf(视流向而定),向后散射光与光纤端面反射光(参考光)经聚焦透镜和半反射镜,由检偏器检出相同振动方向的光,探测器检测出端面反射光f 0与向后散射光f 0 Δf或f 0-Δf的差拍的拍频Δf,由此可知流体的的流速.
光纤多普勒流速测量系统
3.偏振调制
根据电磁场理论,光波是一种横波;光振动的电场矢量 E 和磁场矢量 H 始终与传播方向垂直.如果光波的电场矢量 E 和磁场矢量 H 方向(与 E 垂直)在传播过程中保持不变,这种光称为线偏振光.线偏振光电场矢量(E)方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面.包含波的射线并与振动面方向垂直的面称为偏振面.光在传播中,E,H的大小不变,而振动方向绕传播轴均匀地转动,矢量端点轨迹为圆,这种光称为圆偏振光;如果矢量轨迹为一个椭圆,这种光称为椭圆偏振光.如果自然光在传播过程中,受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等,使某一方向的振动比其他方向占优势,这种光称为部分偏振光.如果外界作用使自然光的振动方向只有一个,这种现象称为起偏(形成完全偏振光).利用光波的这些偏振性质,可以制成光纤的偏振调制传感器.光纤传感器中的偏振调制器常用电光,磁光,光弹等物理效应进行调制.(注意,关于光的振动方向通常是指电场矢量 E的方向)
⑴ 法拉第效应(磁光效应)
某些物质在磁场作用下,线偏振光通过时其振动面会发生旋转,这种现象称为法拉第效应.光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比,即
利用法拉第效应可以测量磁场.其测量原理如右图所示.
式中 V — 物质的弗尔德常数.
⑵ 普克尔效应(一次电光效应)
当压电晶体受光照射,并在与光照正交的方向上加以高压电场时,晶体将呈现双折射现象,这种现象被称为Pockels效应,如下图所示.并且,这种双折射正比于所加电场的一次方,所以普克尔效应又称为线性电光效应.
在晶体中,两正交的偏振光的相位变化为
式中:n0 — 正常折射率;de — 电光系数;U — 加在晶体片上的电压;λ— 光波长;L — 晶体长度;d — 场方向晶体厚度.
⑶ 光弹效应
在垂直于光波传播方向上施加应力,被施加应力的材料将会使光产生双折射现象,其折射率的变化与应力材关,这种现象称为光弹效应.由光弹效应产生的偏振光的相位变化为:
式中:K — 物质光弹性常数;
P — 施加在物体上的压强;
L — 光波通过材料的长度.
此时出射光强为:
利用物质的光弹效应可以构成压力,振动,位移等光纤传感器.
※ 关于双折射现象的说明
一束光在各向同性介质(如玻璃)的表面所产生的折射光只有一束,这是一般的常识.然而,对于光学性质随方向而异的一些晶体(各向异性介质),一束入射光常有被分解为两束的现象,这就是双折射现象.请注意,这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的,而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的.通过各向异性介质折射的光,若对于任意的入射角,其入射角的正
o光和e光示意图
不同而变化时,这种光称为非寻常光,简称为e光.o光和e光都是线偏振光,但是,光矢量(电矢量)等振动方向不同.o光的电矢量垂直于自己的主平面,而e光的电矢量则在自己的主平面内振动,如上图所示.在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化,实际上是指这两种光的相位差.
弦与折射角的正弦值比为一常数(即通常所说的折射率)时,这种光称为寻常光,简称为o光;若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射角的
六,偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器
偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器,其基本原理是前述介绍的法拉第效应(磁光效应).
当平面偏振光在强度为H的磁场作用下,线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角θ为:.如果这个磁场是由长直载流导线产生的,根据安培环路定律:
式中:I — 载流导线中的电流强度;r — 导线外任一观测点到导线的垂直距离.由此可见,只要根据磁光效应,利用光纤传感器测量出导线
外任一点r的磁场强度H,即可得到导线中的电流I.
为了利用光纤测量导线中的电流,可以将单模光纤绕在载流导线上,形成一个半径为r的螺线管,光纤螺线管的光纤长度为L.在强度为H 的磁场作用下,通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转,只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小.
光纤电流传感器原理示意图
然而,目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服系统,不仅系统繁杂,测量精度也不太高,所以常常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量.当光纤材料和光纤螺线管确定之后,由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光,经显微目镜耦合通过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流I有关(实际上是与电流在半径 r 处所产生的磁场 H 有关):
设载流导线中的电流I为零时,线偏振光振动方向在检偏器处的与Y轴平行,检偏器P(普通检偏器)的方位为φ;I ≠0时的方位为θ,在P上的投影(即光探测器的输出信号强度)为J,则
检偏器方向设置
在θ= 0附近,φ=±45°时检测的灵敏度最高.也就是说,为了获得较高的灵敏度,检偏器的方位应与I = 0时到达线偏器的线偏振光的振动方向成45°角.此时:
通常θ很小,所以,
.由此可见,J与I成线性关系.
七,光纤图像传感器
光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的.传像束由光纤按阵列排列而成,一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成,每条光纤传送一个像素信息.用传像束可以对图像进行传递,分解,合成和修正.传像束式的光纤图像传感器在医疗,工业,军事部门有着广泛的应用.
⑴ 工业用内窥镜
在工业生产的某些过程中,经常需要检查某些系统内部结构状况,而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察,采用光纤图像传感器可解决这一难题.将探头事先放入系统内部,通过光纤传像束的传输可以在系统外部
观察,监视系统内部情况,其工作原理如上图所示.该传感器主要由物镜,传像束,传光束,目镜或图像显示器组成.光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上,再由物镜对待观测物体成像,经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上,观察者便可对该图像进行分析处理.
另一种结构形式如下图所示.内部结构的图像通过传像束送到CCD器件上,可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行相应的处理,微机的输出可以通过伺服装置,实现跟踪,控制等
⑵ 医用内窥镜
医用内窥镜的示意图如左下图所示.它由末端的物镜,光纤图像导管(传像束),顶端的目镜和控制手柄组成.照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上,反射光通过传像束输出.
由于光纤柔软,自由度大,末端通过手柄控制能偏转,传输图像失真小,因此,它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器.
5.2 图像传感器
现代人类生活中,人们迫切需要获取信息,而人类获取的总信息量的80%以上是通过视觉器官得到的.所以图像传感器(Imaging Sensor ,缩写为IS,又称成像器件,摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件,因其能实现信息的获取,转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽,灵敏度范围扩大),能给出直观,真实,层次最多,内容最丰富的可视图像信息,所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用.
图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号,即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光),转换为按时序串行输出的电信号 —— 视频信号,而视频信号能再现入射的光辐射图像.把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描.
50年代前,摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管,飞点扫描管等)来完成.60年代后期,随着半导体集成电路技术,特别是MOS集成电路工艺的成熟,各种固体图像传感器得到迅速发展,到70年代末期.已有一系列产品在军事,民用各方面得到广泛席用.
线阵固体图像感器的发展曲线
(CCPD: 电荷耦合光电二极管列阵)
固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor ——缩写为SSIS)主要有三大类型,一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD),第二种是MOS图象传感器,又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array,简称SSPA),第三种是电荷注入器件(Charge Injection Device,简称CID).目前,前两种用得比较多.
同电子束摄像管相比,固体图象传感器有以下显著优点:
(1)全固体化,体积很小,重量轻,工作电压和功耗都很低;耐冲击性好.可靠性高,寿命长.
(2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20%的残象),无象元烧伤,扭曲,不受电磁干扰.
(3)红外敏感性.硅的SSPA光谱响应:0.20~1.0;CCD可作成红外敏感型;CID主要用于光谱响应大于3~5的红外敏感器件.
(4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1),因而可用于不接触精密尺寸测量系统.
(5)视频信号与微机接口容易
主要应用领域:①小型化黑白/彩色TV摄象机;②传真通讯系统;③光学字符识别(OCR: Optical Character Recognition);④工业检测与自动控制;⑤医疗仪器;⑥多光谱机载和星载遥感;⑦天文应用;⑧军事应用.
5.2.1 CCD图像传感器
一,CCD器件的结构
CCD摄像器件由光敏(光积分)单元和电荷转移单元(读出移位寄存器)组成,每个光敏单元对应一个象素如下图所示.各单元的基本结构如右图所示,由金属,绝缘层,半导体构成.VG加正向偏压后在半导体内形成\"电子势阱(耗尽区)\",势阱的深度由VG的大小来控制.电子势阱可以用来存放电子,这些电子的注入方式既可用\"光注入\"(光敏单元采用光注入),也可以用\"电注入\"(转移电荷时采用电注入).
对于光敏单元,当受到光线照射时,在光子的作用下,半导体内产生电子空穴对,空穴被排斥,电子被电子势阱俘获.这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集,成为光电荷注入,这就是CCD摄像器件的光电变换过程.势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比.
光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器(电荷转移单元)中,读出移位寄存器在读出脉冲(三相或四相脉冲)的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出,从而获得各个像素的亮度值.
光线
读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用,以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应.当MOS电容栅压VG增高时,在半导体内部被排斥的电荷数也增加,耗尽层厚度增加,半导体内电势越低,电子则向耗尽层移动,存储象对电子的陷阱一样,称为电子势阱.
电子势阱可以用来存放电子.其特点是:当VG增加,势阱变深;当VG减小,势阱变浅,电子向势阱深处移动.
对于二维CDD(面列阵)电荷的转移方式主要有2种:
\"帧间转移式(FT)\";
\"帧行间转移式(FIT)\" .
5.2.2 CMOS图像传感器
CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器APS(Active- Pixel Sensor)两大类.从结构上讲,主要包括光敏二极管型无源,有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器.
下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构 .
一,光敏二极管型CMOS图像传感器结构
在光敏二极管型无源图像传感器中,光敏二极管受光照将光子变成电子,通过行选择开关将电荷读到列输出线上;在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中,则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路.无源像素图像传感器仅仅是一种具有行选择开关的光电二极管,通过控制行选择开关把光生的电荷信号传送到像素阵列外的放大器;有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元,即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路.
二,光电栅型有源像素图像CMOS传感器
光电栅型APS CMOS像素单元框图如右图所示.像素单元包括光电栅PG(Photogate),浮置扩输出FD(Flcating Diffusion),传输电栅TX(Transfer Gate),复位晶体管MR(Reset Transistor),作为源极跟随器的输入晶体管MIN,以及行晶体管MX,实际上,每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD.每列单元共用一个读出电路,它包括第一源极跟随器的负载晶体管MLN以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路.这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路CDS能抑制来自像元浮置节点的复位噪声.
CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料, 因而受光后产生电子的原理相同, 并且具有相同的灵敏度和光谱特性,但是读取过程不同:CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂;CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号,电路简单.CCD的时钟驱动,逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与 CCD 集成到一块芯片上,这些功能可由 3～8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要;而借助于大规模集成制造工艺,CMOS 图像传感器能容易地把上述功能集成到单一芯片上.
CCD 大多需要三种电源供电,功耗较大,体积也比较大. CMOS 只需一个 (3～5) V 单电源,其功耗相当于 CCD 的 1/10;高度集成 CMOS 芯片可以做的比人的大拇指还小.到目前为止,面向数码相机的CCD固体摄像元件的最高像素为600万,而像素最高为1680万的CMOS图像传感器正在开发中.
需要指出,电荷耦合器件(CCD)并不仅限图像传感器这一种应用,它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值.
5.3 激光与红外传感器(探测器)
5.3.1激光传感器
一,激光的特点与激光器
1.激光的特性
⑴ 方向性强:激光光束的发散角很小,在几公里之外的的光斑直径可以小于几厘米.由于它的能量高度集中,一台高能量的红宝石激光器发射的激光会聚后,能产生几百万度的高温,可以瞬间熔化一切金属.
⑵ 单色性好:激光的频率宽度很窄,是最好的单色光.例如,普通光源中,单色性最好的是同位素氪86〔86Kr〕灯发出的光,其中心波长λ=605.7nm,Δλ=4.7×10-3nm,而氦氖激光器发出的红色激光的波长λ=632.8nm,Δλ在10-6nm的数量级上.
⑶ 相干性好:激光的时间相干性和空间相干性都很好.所谓相干性好就是指两束光在相遇区域内相互叠加后,能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号.时间相干性是指同一光源在相干时间τ内的不同时刻发出的光,经过不同路程相遇可以产生的干涉现象,可以用路程差即相干长度来反映;空间相干性是指同一光源发出的光,在一定大小的空间区域内相遇可以产生的干涉现象,可以用相干面积来度量.由于激光的传播方向,振动态,频率,相位完全一致,因此,激光具有优良的时间和空间相干性.
2.激光器及其特性
⑴ 固体激光器
它的工作介质为固态物质.尽管其种类很多,但其结构大致相同,特点是体积小而坚固,功率大.目前,输出功率可达几十兆瓦.常用的固体激光器有红宝石激光器,掺铷的钇铝石榴石激光器(简称YAG激光器)和铷玻璃激光器等.
⑵ 液体激光器
它的工作物质是液体.液体激光器最大特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调,可连续工作而不降低效率.液体激光器可分为有机液体染料激光器,无机液体激光器和聚合物激光器等.较为重要的是有机染料激光器.
⑶气体激光器
工作物质是气体.其特点是小巧,能连续工作,单色性好,但是输出功率不及固体激光器.目前,已开发了各种气体原子,离子,金属蒸气,气体分子激光器.常用的有CO2激光器,氦氖激光器和CO激光器等.
⑷ 半导体激光器
半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效率高,体积小,重量轻,结构简单,但输出功率小的激光器.其中有代表性的是砷化镓激光器.半导体激光器广泛应用于飞机,军舰,坦克,火炮上瞄准,制导,测距等和家用电器上.
二,激光探测器的应用
激光技术有着非常广泛的应用,如激光精密机械加工,激光通信,激光音响,激光影视,激光武器和激光检测等.激光检测具有测量精度高,范围大,检测时间短及非接触式测量等优点,主要用来测量长度,位移,速度,振动等参数.
1.激光测距
激光测距是激光测量中一个很重要的方面.如飞机测量其前方目标的距离,激光潜艇定位等.激光测距首先测量激光射向目标,而后又测量经目标反射到激光器的往返一次所需要的时间间隔t,则探测器到目标的距离D为:
式中:c —— 激光传播速度(3×108m/s);t —— 激光射向目标而又返回激光接收器所需要的时间间隔.
时间间隔t可利用精密时间间隔测量仪测量.目前,国产时间间隔测量仪的单次分辨率达±20ps.由于激光方向性强,功率大,单色性好,这些对于测量远距离,判别目标方位,提高接收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用.激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射.例如,D=1500km,激光往返一次所需要的时间间隔t为10ms±1ns,±1ns为测时误差.若忽略激光散射,则测距误差为±15cm;若测时精度为±0.1ns,则测距误差可达±1.5cm.若采用无线电波测量,其误差比激光测距误差大得多.在激光测距的基础上,发展了激光雷达.
2.激光测流速
激光测速应用得最多的是激光多普勒流速计,它可以测量火箭燃料的流速,飞行器喷射气流的速度,风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及会聚速度等.
流速计主要包括光学系统和多普勒信号处理两大部分.激光器1发射出来的单色平行光经聚焦透镜2聚焦到被测流体区域内,运动粒子使一部分激光散射,散射光与未散光之间发生频移.散射光与未散射光分别由两个接收透镜2和4接收,再经平面镜5和分光镜6重合后,在光电倍增管7中叠加产生差拍,光电倍增管将输出一个与拍频Δf /相同的交流信号;对这个拍频信号进行处理,即可获得动粒子的流速υ.运动物体(υ)所
引起的光学多普勒频偏Δf =2Δf /
式中d为光波的波速,所以频偏与速度υ成正比.
激光多普勒流速测量的另一个优点是通过改变透镜的会聚点,可测量出流场中不同位置的流速,这是其它测量手段无法比拟的.
3.激光陀螺
陀螺式惯性导航的关键部件.传统上使用的是机械陀螺,机械陀螺工作时需要绕轴线高速旋转,存在轴承摩擦和磨损.激光陀螺可以避免这个弊端.
激光陀螺由一个环型激光器构成,如下图所示.激光器向左右两端射出激光束,经全反射镜R1,R2和半反射镜R3一路顺时针传播,另一路逆时针传播,透过的光束R3经棱镜D合成一束由接收器接收.当陀螺固定不动,逆,顺时针传播的两束光的频率相同,当陀螺以角频率ω旋转时,两束光将会产生多普勒频差,在接收器中讲还出现差拍信号.多普勒频差大小为:
式中:S — 环形面积;
L — 环路总长度:
λ — 激光波长.
接收器
激光器
激光陀螺示意图
激光器
调制器
电机
行扫描照相机原理示意图
4. 激光行扫描照相机
激光制导航弹及引导头示意图
2
4
2
4
1
3
4. 激光制导航弹及引导头原理
5.3.2 红外辐射传感器
红外辐射技术作为一门新兴技术科学,在科学研究,军事工程和医学方面起着极其重要的作用.应用领域十分广阔,例如红外制导火箭,红外成像,红外遥感等.红外辐射技术的核心是红外辐射传感器.
一,红外辐射的基本特点
红外辐射就是红外光,其波长从1～1000μm.红外光是太阳光谱的一部分,其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示.
红外光的最大特点就是具有光热效应,辐射热量,它是光谱中最大光热效应区.红外光一种不可见光,与所有电磁波一样,具有反射,折射,散射,干涉,吸收等性质.红外光在真空中的传播速度为3×108m/s.红外光在介质中传播会产生衰减,在金属中传播衰减很大,但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料,大部分液体对红外辐射吸收非常大.不同的气体对其吸收程度各不相同,大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带.研究分析表明,对于波长为1～5μm, 8～14μm区域的红外光具有比较大的\"透明度\".即这些波长的红外光能较好地穿透大气层.
自然界中任何物体,只要其温度在绝对零度之上,都能产生红外光辐射.
红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的,热能强度也不一样.例如,黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体),镜体(能全部反射红外辐射的物体),透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应.严格来讲,自然界并不存在黑体,镜体和透明体,而绝大部分物体都属于灰体.
上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测,红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据.
二,红外辐射的基本定律
1.希尔霍夫定律
希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能.如果几个物体处于同一温度场中,各物体的热发射本领正比于它的吸收本领,这就是希尔霍夫定律.可用下面公式表示: Er=aE0,
式中:Er — 物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能;
a — 该物体对辐射能的吸收系数;
E0 — 等价于黑体在相同温度下发射的能量,它是常数.
黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体,黑体的吸收本领与波长和温度无关,即a=1.黑体吸收本领最大,加热后,它的发射热辐射也比任何物体都要大,
2.斯忒藩— 玻尔兹曼定律
物体温度越高,它辐射出来的能量越大.可用下面公式表示:
式中 :E — 某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量;σ— 斯忒藩 — 玻尔兹曼常数(σ=5.6697×10-12W/cm2K4;ε— 比辐射率,即物表表辐射本领域黑体辐射本领之比值,黑体的ε=1;T — 物体的绝对温度.
该定律表明,物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度的四次方成正比,并与ε成正比.物体温度越高,其表面所辐射的能量就越大.
3.维恩位移定律
热辐射发射的电磁波中包含着各种波长.实验证明,物体峰值辐射波长λm与物体的自身的绝对温度 T 成反比.即
上式称为维思位移定律.下图给出了分谱辐射出射度Mλ与波长λ的分布与温度的关系.从图所示曲线可知,峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移.当温度不很高时,降值辐射波长在红外区域.
三,红外探测器(传感器)
能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器(红外传感器),红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的.前者为热敏探测器,后者为光子探测器.从理论上讲,热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收,它是一种对红外光波无选择的红外传感器.光子探测器常用的光子效应有外光电效应,内光电效应(光生伏特效应,光电导效应)和光电磁效应.
热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多.前者的响应时间一般在ms以上,而后者只有ns量级.热探测器不需要冷却,光子探测器多数要冷却.
1.红外探测器的基本参数(为了便于设计和选用)
红外探测器主要技术参数有下列几项:
(1)响应率
所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比
式中 r — 响应率(V/W);
U0 — 输出电压(V);
P — 红外辐射功率(W).
(3) 噪声等效功率(NEP)
若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压,这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP).噪声等效功率是一个可测量的量.
设入射辐射的功率为P,测得的输出电压为U0,然后除去辐射源,测得探测器的噪声电压为UN,则按比例计算,要使U0=UN,的辐射功率为
(2) 响应波长范围
红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系,如右图所示.曲线①为热敏探测器的特性.热敏红外探测器响应率r与波长λ无关.光电探测器的分谱响应如图中曲线②所示.
λP对应响应峰值rP,rP /2于对应为截止波长λc.
(4) 探测率
经过分析,发现NEP与检测元件的面积S和放大器带宽Δf 乘积的平方根成正比,比例系数的倒数称为探测率D*.即
D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积,放大器的带宽为lHz时的辐射所获得的信噪比.
(5)响应时间
红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间,而且加入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等.红外探测器的响应时间是比较短的.
2.红外探测器的一般组成
红外探测器一般由光学系统,敏感元件,前置放大器和信号调制器组成.光学系统是红外探测器的重要组成部分.根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种.
反射式光学系统的红外探测器一般由四面玻璃反射镜组成,其表面镀金,铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统.为了减小像差或使用上的方便,常另加一片次镜,使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上,敏感元件与透镜组一体前置放大器接收热电转
换,后的电信号,并对其进行放大.
透射式红外探测器的部件用红外光学材料做成,不同的红外光波长应选用不同的光学材料.例如,在测量700℃以上的高温时(波长多为750～3000nm范围内近红外光),一般用光学玻璃和石英等材料作透镜材料;测量100～700 ℃范围的温度时(多为3～5μm的中红外光),多用氟化镁,氧化镁等热敏材料;测量100 ℃以下的温度(波长为5～14μm的中远红外光),多采用锗,硅,硫化锌等热做材料.除近红外光外,获取透射红外光的光学材料一般比较困难,反射式光学系统可避免这一困难.
5.4 超声波传感器
超声技术是一门以物理学,电子学,机械及材料科学为基础,应用十分广泛通用技术之一.在国民经济中,对提高产品质量,保障生产安全和设备安全运行,降低生产成本,提高生产效率等具有重要的意义.
超声波具有聚束,定向及反射,散射,透射等特性.按超声振动辐射大小不同大致可分为:利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用,称之谓功率超声;利用超声波获取若干信息,称之谓检测超声.这两种超声的应用,同样需要借助于超声波传感器 (换能器或探头)来实现.
目前,超声波技术广泛应用于冶金,船舶,机械,医疗等各个工业部门,例如超声清洗,超声焊接,超声加工,超声检测和超声医疗等方面,并取得了很好的社会效益和经济效益.
一,超声波的基本特性
超声波是高于听觉频率阈值的机械振动,其频率在104Hz ～ 1012Hz之间,其中常用的频率大约在104Hz ～ 3×106Hz之间.超声波在声场(被超声所充满的空间)传播时,如果超声波的波长与声场的尺度相比,远小于声场的尺度,超声波就像处在一种无限介质中,超声波自由地向外扩散;反之,如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近,则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散.于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用.
1.超声波的传播速度
超声波在介质中可产生三种形式的波:
横波 — 质点振动的方向垂直于波的传播方向;
纵波 — 质点振动方向与波的传播方向一致;
表面波 — 质点振动介于纵波与横波之间,沿物体表面传播.
横波只能在固体中传播;纵波能在固体,液体和气体中传播;表面波能在固体,液体中传播,随深度的增加其衰减很快.为了测量各种状态下的物理量多采用纵波.超声波的频率越高,与光波的某些性质越相似.
超声波与其他声波一样,传播速度与介质密度和弹性特性有关.
(1) 超声波 (纵波) 在气体和液体中,其传播速度
超声波在气体和液体中,其传播速度CgL为:
式中:ρ — 介质的密度;
Ba — 绝对压缩系数(B为容变模量).
(2)超声波在固体中的传播速度
超声波在固体中的传播速度分为两种情况:
①纵波在固体介质中传播的声速
固体中纵波的传播速度与介质形状有关.
(细棒) (薄板) (无限介质)
式中 E — 杨氏模量;
μ— 泊松比;
K — 体积弹性模量;
G — 剪切弹性模.
②横波声速公式为(无限介质)
固体中,μ介于0～0.5之间,因此一般可视为横波声速为纵波的一半.
2.超声波的物理性质
(1)超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时,一部分声波被反射;另一部分透射过界面,在相邻介质内部继续传播,这种现象称之为声波的反射和折射.如下图所示.
声波的反射系数R和透射系数T可分别由如下两式求
式中
α,β — 为声波的入射角和折射角;
ρ1 c1,ρ2 c2 — 分别为两介质特性阻抗,
其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度.
反射角,折射角与两个介质中的速度满足折射定律:
如果sin a>c1/ c2,入射波完全被反射,在相邻介质中没有折射波,成为全反射.
如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性介质界面时,一列斜入射的纵波不仅会产生反射纵波和折射纵波,而是还产生反射横波和折射横渡.
当超声波垂直人射界面时,即
α=β=0,则
(2)超声波的衰减
超声波在一种介质中传播时,其声压和声强按指数函数规律衰减.在平面波的情况下,距离声源x处的声压p和声强I衰减规律如下:
式中 p0,I0 — 距离声源 x =0处的声压和声强;
x — 观测点与声源间的距离;
A— 衰减系数,单位为Np/cm(奈培/厘米).
若为以dB/cm表示的衰减系数,则A/=20Alog(e)=8.686 A,此时以上两式变为
实际使用时,常采用10-3dB/mm为单位.
例如,若衰减系数为1dB/mm,声波穿透1mm则衰减1dB;声波穿透20mm,1dB/mm×20mm=20dB,即衰减90%.
(3)超声波的干涉
如果在同一种介质中传播频率相同,振动方向相同两列及以上的声波,就会产生波的干涉现象.
(4)超声波的波型转换
当超声波以某一角度入射到第二介质(固体)界面上时,除有纵波的反射,折射外,还会有横波的反射和折射.在一定条件下,还能产生表面波.它们符合几何光学中的反射定律,即
式中: a — 入射角;
a 1,a 2 — 纵波与横波的反射角;
γ,β — 纵波与横波的折射角;
cL,cL1,cL2 — 入射介质,反射介质,
折射介质内的纵波速度;
cS1,c S 2 — 反射介质,折射介质内
的横波速度.
若介质为液体或气体,则仅有纵波.利用上式可以实现波型转换.
3.超声波对超声场产生的作用(效应)
(1)机械作用
超声波在传播过程中,会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了压力的变化,这种压力的变化将引起机械效应.超声波引起的介质质点运动,的位移虽然不大,但与起声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大,有时超过重力加速度的数万倍.这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应,甚至能达到破坏介质的作用.
(2)空化作用(清洗,分散,粉碎应用)
在流体动力学中指出,存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时广生冲击波,这种膨胀,闭今,振动等一系列动力学过程称为声空化.这种声空化现象是超声学及其应用的基础之一.
液休产生空化作用与介质的温度,压力,空化核半径,含气量,声强,粘滞性,频率等因素有关.一般情况下,温度高易于空化;液体中合气高,变化阀位低,易于空化;,声强高也易于空化;频率高,空化阀值高,不易于空化.例如,在15kHz时,产生空化的声强只需要0.16～2.6W/cm2;而频率在500kHz时,所需要的声强则为100～400 W/cm2.
在空化中,气泡闭合时所产生的冲击波强度最大.设气泡膨胀时的最大半径为Rm,气泡闭合时的最小半径为R,从膨胀到闭合,在距气泡中心为1.587R处产生的最人压力可达到 .当R→0时,pmax→∞.根据上式一般估算,局部压力可达到上千个大气压,由此足以看出空化的巨大作用
二,超声波传感器
能将(交流)电信号转换成机械振
动而向介质中辐射(发射)超声波,或
将超声场中的机械振动转换成相应的电
信号的装置称为超声波换能器(或称为
探测器,传感器,探头).超声波传感
器一般都是可逆的,既能发射也能接收
发射超声波.
超声波探头按其结构可分为直探头,
斜探头,双探头,液浸探头和聚焦探头等.超声波探头按其工作原理又可分为压电式,磁致伸缩式,电磁式等.最常用的是中压电式探头.
1. 普通型超声波传感器
⑴ 直探头
压电式直探头主要由压电晶片,吸收块(阻尼块),保护膜组等成,其结构如图10-8所示.压电晶片多为圆板形,其厚度与超声波频率成反比.例如,厚度为1mm晶片的自然频率约为1.89MHz;厚度为0.7mm晶片的自然频率约为2.5 MHz.压电晶片的两面镀有银层,作导电的极扳,阻尼块的作用是降低晶片的机械品质,吸收声能量.如果没有阻尼块,当激励的电脉冲信号停止时,晶片将会继续振荡,加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差.
声辐射
声辐射
反射器
环形压电换能器
大量程超声波物位计用超声波传感器结构示意图
⑵ 大量程位测量用超声波传感器
大量程位测量用超声波传感器的工作频率不太高,一般为数十千赫兹,且需要较大的功率,所以结构往往比较特殊.若采用前例中的厚度振动型压电陶瓷片,其厚度将近半米;虽然可以采用加载,加压的办法降低厚度振动型压电陶瓷片的谐振频率,但是接收灵敏度会大大降低.
2.聚焦型超声波换能器
⑴ 球面聚焦换能器
这种换能器利用声透镜聚焦.这种换能器的使用环境多为液体介质,透镜的透声材料的声速一般总是大于液体中的声速,所以聚焦透镜为凹透镜.如右上图所示.
⑵ 电子聚焦方法的聚焦换能器
实现电子聚焦需用换能器阵列,换能器线阵可以用作一维聚焦,而面阵则可用作二维聚焦.由N个单元组成的线阵,若各单元的辐射到F点的相位相同即可实现聚焦. 各单元声辐射到达F点的时间分别为ri/c,对各单元的电激励信号分别延迟t0-ti(t0为常数),使 对每个单元都相等即可.
球心
焦点
法线
折射线
入射线
球面聚焦换能器示意图
透声材料
压电陶瓷
折射角小于入射角,介质的声速应小于透声材料.
电子聚焦方法示意图
焦点
环形薄片厚度振动型换能器
可沿轴线变焦的电子聚焦换能器
焦点
二维聚焦面阵示意图
十字形结构面阵
聚焦面阵如上右图和上左图所示.其中上右图所示的换能器的焦点只能沿轴线变动位置,而上左图所示的换能器由于采用的是二维换能器面阵,所以焦点位置可在换能器前的一定空间内任意改变.
应该指出,二维换能器面阵不仅能实现波束聚焦,还可以完成多种方式的波束扫描,工作原理与雷达中的相控阵天线是完全相同的.但是,由于工作频率比雷达低得多,所以技术难度也比相控阵雷达低.
超声波传感器广泛应用于工业生产中,如超声波清洗,超声波焊接,超声波加工(超声钻孔,切削,研磨,抛光等),超声波处理(搪锡,凝聚,淬火,超声波电镀,净化水质等),超声波治疗诊断(体外碎石,B超等)和超声波检测(超声波测厚,检漏,测距,成像等)等.
5.5 核辐射传感器
核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电离作用,穿透能力,物体吸收,散射和反射等物理特性,利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度,厚度,分析气体成分,探测物体内部结构等,它是现代检测技术的重要部分.
一,核辐射源 — 放射性同位素
在核辐射传感器中,常采用α,β,γ和X射线的核辐射源,产生这些射线的物质通常是放射性同位素.所谓放射性同位素就是原子序数相同,原子质量不同的元素.这些同位素在没有外力作用下,能自动发生衰变,衰变中释放出上述射线.其衰减规律为:
式中J,J0分别为t和t0时刻的辐射强度,λ为衰变常数.
核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素.半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间,这个时间又称为放射性同位素的寿命.核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位意外,还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量.
二,核辐射的物理特性
1. 核辐射
核辐射是放射性同位素衰变时,放射出具有一定能量和较高速废的粒子束或射线.主要有四种:α,射线,β射线,γ射线和X射线射线.
α,β射线分别是带正,负电荷的高速粒子流;γ射线不带电,是以光速运动的光子流,从原子核内放射出来;X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量.
表示了某种放射性同位素的核辐射强度.由该式可知,
核辐射强度是以指数规律随时间而减弱.通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性的强弱.辐射强度单位用1Ci(居里)表示:1Ci的辐射强度就是辐射源1s内有3.7×1010次核衰变.1Ci(居里)=103mCi(居里) (毫居里)=106μCi(微居里).在检测仪表中常用mCi或μCi作为计量单位.
2.核辐射与物质的相互作用
(1)核辐射线的吸收,散射和反射
α,β,γ射线穿透过物质程中,一部分粒子能量被物质吸收,一部分粒子披散射掉,能量将按下述关系式衰减:
式中J,J0分别为射线穿透物质前,后的辐射强度,h为穿透物质的厚度,ρ为物质的密度,am为物质的质量吸收系数.
三种射线中,γ射线穿透能力最强,β射线次之,α射线最弱,γ射线的穿透厚度比α,β要大得多.
β射线穿透物质时,容易改变其运动方向而产生散射现象.当产生相反方向散射时,即出现了反射现象.反射的大小取决于散射物质的性质和厚度.β射线的散射随物质的原子序数增大而加大.当原子序数增大到极限情况时,投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来.反射的大小与反射物质的厚度有如下关系:
式中:Jh — 反射物质厚度为h(mm)时,放射线被反射的强度;
Jm — 当h趋向无穷大时的反射强度,Jm与原子序数有关;
μh— 辐射能量的常数.
当J0,am,Jm,μh,ρ等已知后,只要测出J或Jh就可求出其穿透厚度h.另一方面,当J0,am,h等已知后,只要测出J就可求物质的密度ρ.
(2)电离作用
当具有一定能量的带电粒子穿透物质时,在它们经过的路程上就会产生电离作用,形成许多离子对,电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式.
α粒子(射线)由于能量,质量和带电量大,故电离作用最强,但射程(带电粒子在物质中穿行时,能量耗尽前所经过的直线距离)较短.
β粒子质量小,电离能力比同样能量的α粒子要弱,由于β粒子易于散射,所以其行程是弯曲的.
γ粒子几乎没有直接的电离作用.
在辐射线的电离作用下,每秒钟产生的离子对的总数,即离子对形成的频率可出下式表示:
式中:E — 带电粒子的能量;
Ed— 离子对的能量;
J — 辐射源的强度;
C — 辐射源强度为1Ci时,每秒放射出的粒子数.
三,核辐射传感器
核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础.利用电离,吸收和反射作用以及α,β,γ和X射线的特性可以检测多种物理量.常用电离室,气体放电计数管,闪烁计数器和半导体检测核辐射强度,分析气体,鉴别各种粒子等.
1.电离室
利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图.在电离空两侧的互相绝缘的电极上,施加极化电压,使两极板间形成电场.在射线作用下,两极板间的气体被电离,形成正离子和电子,带电粒子在电场作用下定向运动形成电流I,在外接电阻上便形成压降.电流I与气体电离程度成正比,电离程度又正比于射线辐射强度,因此,测量电阻R上的电压值就可得到核辐射强度.
电离室主要用于探测α,β粒子.电离室的窗口直径约100mm左右,不必太大.γ射线的电离室同α,β的电离室不太一样,由于γ射线不直接产生电离,因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高γ光子与物质作用的有效性,因此,γ射线的电离室必须密闭.
2.盖格计数管
盖格计数管又称为气体放电计数管,其中心有一根金属丝并与管子绝缘,它是计数管的阳极;管壳内壁涂有导电金属层,为计数管的阴极,并在两极间加上适当电压.计数管内充有氩,氮等气体.当核辐射进入计数管内后,管内气体被电离.当电子在外电场的作用下向阳极运动时,由于碰撞气体产生次级电子,次极电子又碰撞气体分子,产生新的次级电子,这样次级电子急剧倍增,发生\"雪崩\"现象使阳极放电.
盖格计数管的特性曲线如下图所示.J1,J2代表入射的核辐射强度,J1>J2.由图可知,在外电压U相同的情况下,入射的核辐射强度越强,盖格计数管内严生的脉冲N越多.盖格计数管常用于探测α射线和β粒子的辐射量(强度).
3.闪烁计数管
闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体,常有气体,液体和固体三种,分为有机和无机两类)和光电倍增管组成,如下图所示.当辐射照射到闪烁晶体上,便激发出微弱的闪光,闪光射到光电倍增管上(由于三光很微弱,必须使用光电倍增管才会有光电流输出),就会在其阳极形成脉冲电流,从而得到与核辐射有关的电信号.
5.6 辐射式传感器应用举例
一,红外探测器的应用举例
红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量,气体成分分析,无损探伤,热像检测,红外遥感以及军事目标的侦察,搜索,跟踪和通信等.红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展,将会更加广阔.
1.红外气体分析仪
根据红外辐射在气体中的吸收带的不同,可以对气体成分进行分析.例如,二氧化碳对于波长为2.7μm,4.33μm和14.5μm红外光吸收相当强烈,并且吸收谱相当的宽,即存在吸收
带.根据实验分析,只有4.33μm吸收带不受大气中其他成分影响,因此可以利用这个吸收带来判别大气中的CO2的含量.二氧化碳对红外光的透射光谱如右图所示.
二氧化碳红外气体分析仪由气体(含CO2)的样品室,参比室(无CO2),斩光调制器,反射镜系统,滤光片,红外检测器和选频放大器等组成.
测量时,使待测气体连续流过样品室,参比室里充满不含CO2的气体(或CO2含量已知的气体).红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室,经反射镜系统,这两束光可以通过中心波长为4.33μm的红外光滤色片投射到红外敏感元件上.由于斩光调制器的作用,敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射.
若样品室和参比室均无CO2气体,只要两束辐射完全相等,那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射,因此,敏感元件只有直流响应,交流选频放大器输出为零.
若进入样品室的气体中含有CO2气体,对4.33μm的辐射就有吸收,那么两束辐射的通量不等,则敏感元件所接收到的就是交变辐射,这时选频放大器输出不为零.经过标定后,就可以从输出信号的大小来推测CO2的含量.
2.红外无损探伤仪
红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷,对部件结构无任何损伤.例如,检查两块金届板的焊接质量,利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊;为了检测金属材料的内部裂缝,也可利用红外探伤仪.红外无损探伤仪的工作原理如下图所示.
将红外辐射对金属板进行均匀照射,利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含有某种气体或真空) 对红外辐射的吸收所存在的差异,可以探测出金属断裂空隙.
当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时,在金属板另一侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光;如果金属板内部无断裂,辐射扫描器在扫描过程中,红外接收器收到的是等量
的红外辐射;如果金属板内部存在断裂,红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收到的红外辐射值与其他地方不一致,利用图像处形技术,就可以显示出金属板内部缺陷的形状.
3.辐射温度计
根据维恩位移定律,物体峰值辐射波长λm与物体的自身的绝对温度T成反比.即:
只要测量出辐射体(源)的峰值辐射波长λm,即可推测出辐射体的温度.这种测温手段的测温范围可达
-170℃～3200℃;响应速度
可达几个微秒;可以实现非接触测量,不会破坏温度场,还可以测量几百到上千Km之外物体的温度.
二,超声波传感器的应用举例
超声波传感技术是医疗卫生,工业生产,海洋探测等领域获取信息的重要手段之一.例如, B超成像诊断仪,超声波层析成像(CT),无损探伤仪,水下全息成像等.
1.超声波测量厚度——脉冲反射式超声测厚仪
超声波测厚仪按其工作原理可以分为共振法,干涉法及脉冲回波法等几种.由于脉冲反射法不涉及共振机理,与被测物表面的光洁度关系不密切,所以,超声波脉冲反射式是最常用的一种测厚方法.
⑴ 测量原理
脉冲反射式超声测厚原理是测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔,然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度.
式中: d — 样品厚度; c — 超声波速度; t — 超声波从发射到接收回波的时间间隔.
无论是超声测厚仪(含测距)还是超声波探伤仪,使用的超声波脉冲必须是窄脉冲,所以超声波换能器(应具有宽频带,窄脉冲特性) 必须用窄脉冲激励.否则,发射脉冲与反射脉冲以及反射脉冲之间将会产生重叠现象,影响测量.
同步电路
窄脉冲
发生器
超声波
换能器
回波接收
放大器
回波脉冲形成电路
计数(计时)电路
启动
停止
显示电路
原理框图
时钟电路
⑵ 超声波发射电路
超声波发射电路实际上是超声波窄脉冲信号形成电路,它由超声波大电流脉冲发射电路和抵消法窄脉冲发射电路组成.
①超声波大电流脉冲发射电路
右下图是一种典型的超声波大电流脉冲发射电路原理图.在测厚仪中,通常采用复合晶体管作开关电路.由BG1和BG2组成高反压大电流脉冲发生的复合管,当同步脉冲到来时,复合管突然雪崩导通,充有较高电压的电容C迅速放电,形成前沿极陡的高压冲击,以激励超声波探头产生超声发射脉冲波.
发射脉冲
回波脉冲
②抵消法窄脉冲发射电路:
抵消法窄脉冲发射电路能发射一个只保留前半周期的窄脉冲信号.
从主控器来的正脉冲信号经过两条通路施加到换能器上.一路是经BG2倒相放大成为负脉冲,通过D1加到换能器上,使它开始作固有振荡.
另一路是先经过电感L1,L2和变容二极管D3,D4组成的延迟电路,使脉冲信号延迟一段时间,然后再经BG1倒相放大,通过D2加到换能器上,使它在原来振动的基础上,选加一个振动.调节电位器W1和W3可控制两脉冲信号的幅度;调节W2可以改变变容二极管D3和D4的结电容,从而使脉冲信号的延迟时间在一定范围内变化.通过调节幅度与滞后量,可使两个振动互相叠加后,除了开始的半个周期外,其余部分都因振幅相等,相位相反而互相抵消,使换能器输出窄脉冲.
抵消脉冲产生电路
发射脉冲产生电路
充电电容
延迟线路
⑶超声波接收电路
由于超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号,因此,接收电路的设计必须考虑如下因素:
① 足够大的增益,至少要60dB的增益,这时既要防止放大器的饱和又要防止其自激;
② 脉冲放大电路与接收换能器之间的阻抗要匹配,使接收灵敏度与信噪比最佳;
③ 放大器要以足够宽的频带,使脉冲信号不失真;
④ 前置级放大电路必须是低噪声的.
由于换能器是容性的,通常选用共射-共集连接的宽频带放大器.电路由输入级,中间级
和输出级组成.输入级增益KI≈18dB,能对2mV的输入电压脉冲进行低噪声宽带(5MHz)放大;中间级增益Km≈33dB.脉冲信号经输出级的放大,整形后,送入控制显示电路进行计数.
2.超声波诊断仪
超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波(主要采用纵波),然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示,根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的.超声波诊断仪最常用的有A型超声波诊断仪,M型超声波心动图仪和B型超声波断层显像仪等.
⑴ A型超声波诊断仪
A型超声波诊断仪又称为振幅(Amplitude)型诊断仪,其原理类似示波器,所不同的是在垂直通道中增加了检波器,以便把正负交变的脉冲调制信号变成单向的视频脉冲信号.
同步电路产生50Hz～20kHz的同步脉冲,该脉冲触发扫描电路产生锯齿波电压信号,齿波电压信号的频率与超声波的频率相同,而且与视频信号同步.
发射电路在同步脉冲作用下,产生一高频调幅振荡,即产生幅度调制波(正弦填充脉冲).
发射电路—方面将调幅波送入高频放大器放大,使荧光屏上显示发射脉冲(如荧光屏上的第一个脉冲),另一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声振荡,超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成电压信号,该电压信号经高频放大器放大,检波,功率放大,在荧光府上将显示出一系列的回波,它们代表着各组织的特性和状况.
⑵ M型超声波诊断仪
M型超声波诊断仪主要用于运动(Motion)器官的诊断,常用于心脏疾病的诊断,故又称为超声波心动图仪.它是在A型超声波诊断仪的基础上发展起来的一种辉度调制式仪器.它与A型超声波诊断仪的不同点是M型的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上,而是加到示波管的栅极或阴极上来控制了到达示波管的电子束的强度.脉冲信号幅度高,荧光屏的光点亮;反之,光点暗.光点的纵坐标代表与回波信号相对应的点到体表的距离,横坐标则表示不同时刻,这种显示方式最适用于观察运动器官的动作情况.
各层组织与探头的距离而不同,在荧光屏上会呈现随心脏搏动而上下摆动的一系列光点,当代表时间的扫描线沿水平方向从左至右等速移动时,上下摆动的光点便横向展开,得到心动周期,心脏各层组织结构随时间变化的话动曲线,这就是超声心动图.
实际操作时,将探头固定在某一部位,如心脏部位.由于心脏搏动,
由M型显示得到的位移曲线,对时间微分可以得到速度曲线和加速度曲线,如下图所示.利用这些—套曲线,比较容易判断某些运动器有的疾病.
3.B型超声波诊断仪
B型超声波诊断仪(简称为B超,其成像方式称为B型成像方式)是在M型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness Modulation)式诊断仪.B型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像,声束沿z方向传播,沿x方向扫描,逐次照射物体的不同区域,并接收声束所
B超的电子扇形扫描
手动移动扫描位置
达区域内物体的散射声信号,将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度,从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度 对应的图像.扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种.
B超所使用的换能器多为线阵聚焦/扫描型,典型阵元数为256,外形如作下图所示.
B超换能器外形图
肾脏的B超图像
右下图是肾脏的B超图像
虽然B型和M型诊断同均属辉度调制式仪器,但是存在两个显著的不同点:
(1) 当M型超声波诊断仪工作时,探头固定在某一点,超声波定向发射;而B型超声波诊断仪工作时,探头是连续移动,或者探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向.探头由人手移动的称之为手动扫描,用机械移动的称之为机械扫描,用电子线路变动超声波束方向的称之为电子扫描.实际工作时这两种扫描的联合动作.
(2) M型超声波诊断仪显示的是超声心动图像,而B型超声诊断仪显示的是人体组织的二维断层图像.B型超声诊断仪要接收两种信息,一种是超声回波的强度信息,另一种超声探头的位置信息.由探头发射和接收的超声波经电路处理后,将视频脉冲输送到存储示波管的栅极进行调解.此外,把探头在空间的某一位置定为参考位置,偏离参考位置的角度经<a name=baidusnap0></a><B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>转换成电压加至示波管的X,Y偏转板上,使得探头移动线(声束截面上反射组织的X-Y位置)与荧光屏上亮点的X-Y位置相对应,于是在荧光屏上便可显示出人休内器官的影像图.
超声波还可以测量液(物)位(实际上是测距,原理与测厚相同),硬度,流速(流量)等.
三,核辐射传感的应用举例
核辐射传感器除了用于核辐射的测量外,也能用于气体分析,流量,物位,重量,温度,探伤以及医学等方面.
1.核辐射流量计
核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量,其工作原理如下图所示.若测量气体的流量,在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极,其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室.当气体流经两电极间时,由于核辐射使被测气体电离,产生电离电流;电离子一部分被流动的气体带出电离室,电离电流减小.随着气流速度的增加,带出电
离室的离子数增加,电离电流也随之减小.当外加电场—定,辐射强度恒定时,离子迁移率基本是固定的,因此,可以比较准确地测出气体流量.
若在流动的液体中,掺入少量放射性物质,也可以运用放射性同位素跟踪法求取液体流量.
2.核辐射测厚仪
核辐射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的.下图是利用差动和平衡变换原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪.
图中3,4为两个电离室,电离室外壳加上极性相反的电压,形成相反的栅极电流使电阻R上的压降正比于两电离室辐射强度的差值.电离室3的辐射强度取决于辐射源2的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射,
电离室4的辐射强度取决于8的辐射线经挡板5位置的调制程度.利用R上的电压,经过放大后,控制电机转动,以此带动挡板5位移,使电极电流相等.用检测仪表测出挡板的位移量,即可测量镀锡层的厚度.
1-锡层 2放射源 3,4-电离室 5-挡板 6-电机 7-滚子 8-辅助放射源 9-钢带
四, 热释电红外传感器及其应用
常见热释电红外传感器的外形
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件,利用热释电效应工作,它是通过目标与背景的温差来探测目标的.其响应速度虽不如光子型,但由于它可在室温下使用,光谱响应宽,工作频率宽,灵敏度与波长无关,容易使用.这种探测器,灵敏度高,探测面广,是一种可靠性很强的探测器.因此广泛应用于各类入侵报警器,自动开关,
非接触测温,火焰报警器等,目前生产有单元,双元,四元,180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器.常用的热释电探测器如:硫酸三甘钛(TGS)探测器,铌酸锶钡(SBN)探测器,钽酸锂(LiTaO3)探测器,锆钛酸铅(PZT)探测器等.
1. 热释电红外传感器的结构
常见的热释电红外传感器的外形如上图所示.
热释电传感器的内部结构
⑴ 敏感元
敏感元用红外热释电材料 — 锆钛酸铅(PZT)制成,经极化处理后,其剩余极化强度随温度T升高而下降.制作敏感元件时,将热释电材料制成很小
的薄片,再在薄片两面镀上电极,构成两个串联的,有极性的小电容.把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上,由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时,两个敏感元产生的热释电信号互相抵消,起到补偿作用.
使用热释电传感器时,通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上,它产生的信号不会被抵消.
热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时,才会给出一个相应的电信号,当温度的变化趋于稳定后,就再没有信号输出,即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比.因此,热释电传感器只对运动的人体或物体敏感.
热释电红外传感器传感器由敏感元,场效应管,高阻电阻等组成,并向壳内充入氮气封装起来,内部结构如右图所示.
传感器内部接线图
⑵ 场效应管及高阻值电阻Rg
敏感元的阻值可达1013Ω,因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用.场效应管常用2SK303V3,2SK94X3等型号,用来构成源极跟随器.高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷,使场效应管安全正常工作,源极输出接法时,源极电压约0.4一1.0V.如传感器内部接线图如下图所示.
红外滤光片透射曲线
⑶ 滤光片(FT)
PZT制成的敏感元件是一种广谱材料,能探测各种 波长辐射.为了使传感器对人体最敏感,而对太阳,电灯光等有抗干扰性,传感器采用了滤光片作窗口.滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的.每个物体都能发出红外辐射,其辐射峰值波长满足维思位移定律.对于人体体温(约36℃),辐射的最长波长为 λm=2898/309=9.4μm,也就是说,人体辐射在9.4μm处最强,红外滤光片选取了7.5～14μm波段,能有效地选取人体的红外辐射.红外滤光片透射曲线如上图所示.由图可见,小于6.5μm的光锐减至0,6.5～15.0μm的辐射,其透射率达60%以上,因此,FT可以有效地防止,抑制电灯,太阳光的干扰,但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作.热释电传感器常用于防盗报警,自动门,自动灯等.
2. 热释电红外传感器的应用
⑴ 人体探测/防盗报警器
① 菲涅尔透镜(FRESNEL LENS)
热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离.菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组,它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场,而相邻的两个单元透镜的视场既不连续,也不重叠,都相隔一个盲区.它的外型如下图所示.
菲涅尔透镜的外形
CE-024型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示.当人体在这一监视范围内运动时,顺次地进入某一单元透镜的视场,又走出这一视场,热释电传感器对运动的人体一会儿看到,一会儿看不到,再过一会又看到,之后又看不到,于是人体的红外辐射不断地改变热释电
菲涅尔透镜的视场
的温度,使它输出一个又一个相应的信号.从图10-30的视场图可以看出,菲涅尔透镜是有防盗盲区的,安装在2m高处的菲涅尔透镜存在着小于1m的盲区,在图示的黑影之下.
不加菲涅尔透镜,探测距离仅为2m左右,加上菲涅尔透镜后,其探测距离可达10米,若采用双重反射型菲涅尔透镜,其探测距离可达20m以上.
② 探测电路
人体进入探测范围内,传感器的输出信号频率大约为0.1～10Hz,这频率范围是由菲涅尔送人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的.其探测电路由检测,放大,比较电路,延时电路与驱动电路组成.
① 检测放大电路:检测放大电路由热释电传感器SD02及滤波放大器A1,A2等组成,具有4000多倍的放大能力.② 比较器电路:A3组成电压比较器,无报警信号时输出低电平;当有人入侵时,比较器翻转LED亮,当人体运动时则输出一串脉冲. ③ 延时驱动电路: 555Ⅰ,555Ⅱ和VT2组成延时,驱动电路.当A3输出一个正脉冲脉冲,C12充电,无脉冲C12将通过R17放电;着人在报警区移动,C12不断允电,当达到一定电压时,VT1触发555Ⅰ,使VT 2导通,吸合继电器,使其控制报警器. 555Ⅱ组成延时电路.避免开机瞬间的误报警.
⑵ 集成红外探测报警器
① 被动红外探测控制集成电路TWH9511
TWH系列PIR(热释电传感器)控制电路采用大规模CMOS数字电路及微型元件固化封装,具有性能指标高,一致性好,外围电路简单,安装方便,无需调试等特点.该电路按倍号输出
表10.1.1
方式可分为三种:交流供电继电器输出型TWH9511;交流供电可控硅输出型TWH9512;直流供电集电极输出型TWH9513.
TWH95系列控制电路内部设计有两个高阻抗输入低噪声运算放大器,其总增益限制在67dB之内,灵敏度可通过外接电阻进行调整.比较器为一个典型的窗口比较电路,其上下阈值经若干次选择后,确定出最佳门限值.其比较放大电路由内部4V稳压电路供电,设有温度补偿电路,因此增益不会随外界温度的变化而改变.这种电路能抑制热气团流动所产生的红外干扰,误报率低,其探测距离达12米以上.TWH95系列电路,均有使能控制端RD,该脚悬空时为自动状态,接入光控元件可使电路白天待机,晚上恢复自动工作.
电路内部均有为PIR预热的开机自动延时电路,延迟时间为45秒,使PIR预热后建立稳定的工作状态.内部还设置了输出延时系统电路,
② 电路工作原理:
接通电源后,电路处于开机延时状态,PIR传感器加电预热45秒,延时结束,电路进入自动检测状态.如果有人进入探测区,人体辐射的红外线被PIR传感器探测到,输出幅度约1mV,频率在0.3～7Hz(与人体移动速度及透镜型号有关)的微弱信号,此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络,馈入控制电路输入端S,微弱信号由内部两级带通选频放大后送至窗口比较器进行电压比较,输出触发电平,此触发信号通过一系列内部系统计数,延时,控制处理及驱动电路,最后推动继电器或可控硅,达到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门,照明灯的控制.
采用TWH9511组成的人体探测/防盗电路如右图所示,它由交流220V供电.PIR热释电传感器前要加菲涅尔透镜.探测灵敏度由4,5脚的可变电阻调节.传感器探测部分进入TWH9511的三根引线应采用屏蔽三芯电线,以防噪声影响;9与10脚接继电器线圈J,线圈的直流电阻应大于或等于400欧,使电流限制在40mA以下,继电器的常开触头去控制发声或发光报警装置.
⑶ 热释电红外热辐射温度计
热释电红外热辐射温度计是一种非接触式测温仪器.自然界中的物体,例如人体,火焰,机器设备,房屋,岩石,冰等物体都能辐射出红外线,只是辐射的红外波长不同而已.例如,人体温度(36～37℃)放射的红外线波长为9～10μm,400～700℃物体放射出的红外波长为3～5μm.
① 传感器
本测温装置使用的是LN-206P或IRAE001S热释电红外传感器,它能接收物体辐射出的红外线并使之转换成电压信号.
一般的热释电传感器多用于入侵防盗报警,它只能对移动的人体或热源作出反应,也就是说它们的探测对象应是一个超低频红外辐射源.LN-206P型热释电传感器在7Hz以下工作,特别是对1Hz频率辐射的响应灵敏度较高,可达1100V/W(在500K下).
一般情况下,测温对象是固定不动的,因此本辐射温度计采用斩光装置使被测\"热源\"以1Hz的频率入射到热释电传感器,其结构示意图如上图所示.将LN-206P型热释电传感器固定在一个开有窗口的盒子内,窗口到传感器间加斩光板,斩光板由慢速电机带动旋转,使传感器按1Hz的频率接收被测物体的辐射能(红外线).此外,盒内还放置温度补偿二极管.
② 测量电路
传感器输出的信号需经放大器放大,滤波器滤波,传感单元中的二极管温度补偿,即被测物体的温度是通过加法器来实现的.测量电路如下图所示.图中A1为一同相放大器,A2为一低通滤波器,它能把高于7Hz的信号滤掉,它的闭环增益为1.温度补偿采用负温度系数(-2mv/℃)的硅二极管,它的温度补偿信号经差动放大器A4放大, 送到加法器A3 ,它
将A2的输出与A4的输出相加.A3的输出与温度基本成线性关系,可用模拟或数字方法显示出来.本红外线测温仪,最高温度可测200℃,它仅适于近距离的非接触测温的场合.
超声波扫描全息
超声波换能器在z = 0平面内作扫描动作.在(xr,yr,0)点发射的声波经物体(成像对象)放射后,(xr,yr,0)点处换能器收到的回波强度P(xr,yr)当成像对象的反射率分布为f (x,y)时:
式中:A — 超声波辐射振幅;
r — 目标反射点到换能器的
距离.若
r 近似为:
由此可见 ,这是一个傅里叶变换式,可以通过逆变换得到物体的反射率分布f (x,y) ,即物体的像.
实际系统中xr , yr 是离散的,所以需要使用离散的傅里叶变换式:
我们设xr = n Δxr , yr = m Δyr ;则相应有x = kΔx , y = l Δy .N,M为xr , yr的采样点数.根据上述关系,作如下变换:
即可使用离散傅里叶变换(实际上使用逆变换)来得到物体的像.
日本冲电气(OKI)的水下成像实验(1986年)
x 射线层析成像(CT)原理
CT的完整拼写是:Computerized Tomography.依据的是拉冬(Radon)变换
吸收率分布
补充内容:超声波换能器的指向性与近距声场
1.超声波换能器的指向性
D:
振子直径
2. 近距声场场
D:振子直径
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