传感器原理与应用复习--超声波、微波、红外及热电偶传感器

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传感器原理与应用复习–光电式与半导体式传感器

超声波传感器

超过2万赫兹以上的波称为超声波

压电式超声波探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷。它是利用压电材料的压电效应来工作的。

• 逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，作为发射探头
• 正压电效应是将超声振动转换成电信号，作为接收探头

应用

1. 测液面距离

利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成。如果从发射超声波开始到接收超声波结束这个时间间隔已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法进行对物体位置的测量。
超声波在液体中的衰减比较小，但是在空气中的衰减就较大

超声波测距，误差较大

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2. 测流速
   超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特性可以求出流体的速度，在根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量

• 在上游和下游装上超声波探头，它既可以发射超声波又可以接受超声波
  
  计算方法：
  $$t_1=\frac{L}{c+v}$$
  $$t_2=\frac{L}{c-v}$$
  $$\Delta t=t_2-t_1=\frac{2Lv}{c^2-v^2}$$
  从而推导出速度是$$v=\frac{c^2}{2L}\ast \Delta t$$
  也可以根据前两个式子联立求解
• 在实际应用中，超声波探头安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接受超声波，而不会给管道内流动的流体带来影响
  无损安装, 不会泄漏
  
  $$t_1=\frac{\frac{D}{cos\theta }}{c+v\sin \theta }$$
  $$t_2=\frac{\frac{D}{\cos \theta }}{c-v\sin \theta }$$
  求出 $\Delta t$带入上面 $v=\frac{c^2}{2L}\ast \Delta t$

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3. 超声波探伤
   利用超声波探伤可以探测金属内部的缺陷，这是一种非破坏性的检测。当材料内部有缺陷时，材料内部的不连续性造成超声波传输的障碍，超声波通过这种障碍只能投射一部分声能。
   通过检测通道中是否出现任何缺陷导致的接受信号下降甚至完全消失，就说明有缺陷存在。
   

微波传感器

特点：

1. 微波具有很强的穿透性
2. 在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣的环境下工作
3. 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强，因此可以用微波进行测湿度
4. 微波无显著的辐射公害

分类：

1. 反射式微波传感器：通过测量被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常可以测量：位置、位移、厚度
2. 遮断式微波传感器：通过检测接受天线受到的微波功率大小来判断发射天线与接受天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等。（被测物体吸收了多少微波）

应用

1. 测量液位
   
   反射式：接收天线接收到的微波功率的大小会随着被测液面的高低不同而异

2. 测量湿度

3. 测量厚度
   可以使用反射式也可使用遮断式
   
   上下都有传感器
   通过反射回来的微波测得对应上表面位置，和下表面的位置，进而计算出被测体的厚度

4. 测量物体的距离与速度
   根据多普勒频率的变化，进行测量，当物体靠近时多普勒频率是正的，当物体原理时多普勒频率是负的
   不需要测两次，直接根据反射波返回的进行测量

5. 进行无损检测
   测小的损伤要用小的波长，测大的损伤要用大的波长
   检测时需要选择合适的波长

红外传感器

红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量也就越强。

• 热探测器
  主要分为四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型
  热释电红外探测器是根据热释点效应制成。
  利用传感器吸收了红外线会产生微小的电流，输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反应出入射的红外辐射的强弱

应用

1. 红外感应系统
   热释电红外感应系统在防盗报警、自动门、自动消防水龙头、电梯、照明控制领域应用最为广泛
   

2. 红外测温仪
   红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。

3. 红外气体分析仪
   气敏传感器只能检测可燃气体，但是红外气体分析仪不光能检测可燃气体
   通过利用不同气体对红外线的吸收率不同进行检测，定性检测

热电偶传感器

1. 热电偶传感器
   
   工业测量温度，条件较为恶劣

   由两个不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度 $T$ 和 $T_0$ 不同时，则在该回路中产生电动势，这种现象称为热电效应，电动势称为热电势。两种不同材料称为热电偶。两个电极A、B称为热电极。两个接点，一个称为热端（工作端，测量端），另一个称为冷端（参考端或自由端）

   遵循的相关基本定律：

   1. 均匀导体定律：热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及验电极各处温度分布无关。因此，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。

   2. 中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入测量器件，只要保证接入的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响
      

   3. 中间温度定律：在热电偶测温回路中，温度与电动势之间可以传递叠加
      $$E_{AB}(t,t_0)=E_{AB}(t,t_c)+E_{AB}(t_c,t_0)$$
      

   

   读表方式：左栏列加上面行温度$\iff$电动势

   在实际使用过程中，冷端温度通常不为$0^{o}C$，而且往往是波动的，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响
   冷端温度修正法：根据中间温度定律，对冷端温度不是0的转换成0的，再查表
   

   测量电路
   

   • 正向测量可以获得较大的热电势输出和提高灵敏度
   • 当测量两点温差时，可采用两支热电偶反向串联
   • 利用热电偶并联可以测量平均温度

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2. 热电阻传感器
   利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。

   • 铂热电阻 精度高、稳定性好、性能可靠，可以使用的温度范围为 $-200^{o}C$ ~ $850^{o}C$
   • 铜热电阻， 对测量温度不高且温度较低的场合可以使用， 可以使用的温度范围为 $-50^{o}C$ ~ $150^{o}C$, 同热电阻的阻值与温度的关系是线性的

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未完待续