自动检测与转换技术 裴蓓 第7章 新型传感器

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1、第7章新型传感器微波传感器7.1超声波传感器7.2生物传感器7.3技能实训7.4【学习目标】掌握微波的性质及特点掌握微波传感器的工作原理掌握超声波传感器的特性掌握超声波传感器的工作原理掌握生物传感器的信号转换方式掌握生物传感器的工作原理【技能目标】具备分析新型传感器电路的能力具备应用微波传感器制作电路的能力具备应用超声波传感器制作电路的能力具备应用生物传感器制作电路的能力具备调试电路的能力7.1微波传感器目前，广泛应用于金融、工商、自助银行、ATM监控人体接近报警的多数为微波探测器。图7.1微波探测器实物图7.1.1微波传感器概述1．微波的性质及特点①在空间直线能够传输，

2、可定向辐射。②遇到各种障碍物时易于反射。③绕射能力差。④传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小。⑤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。2．微波振荡器及微波天线微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分。常用的微波天线如图7.2所示。图7.2常用的微波天线7.1.2微波传感器及其分类（1）反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测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物体的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。（2）遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天

3、线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数。与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场，它的其他部分可视为一个转换器和接收器，如图7.3所示。图7.3微波传感器的构成7.1.3微波传感器的优点及存在问题1．微波传感器的优点由于微波本身的特点，决定了微波传感器具有如下优点。①有极宽的频谱可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率。②在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高温、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作。③时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制。④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量

4、的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控。⑤微波无显著辐射公害。2．微波传感器存在的问题微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定问题尚未得到很好的解决。其次，使用时受外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。7.1.4微波传感器的应用1．微波测厚仪微波测厚仪的原理如图7.4所示。图7.4微波测厚仪原理图注意一般情况下，微波传输过程的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（见图7.4右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则

5、反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，则反射回来的微波的相位角不同，经反射叠加后不能相互抵消，经检波器检波后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同为止。2．微波定位传感器图7.5所示为微波定位传感器原理图。图7.5微波定位传感器原理图3．微波液位计图7.6所示为微波液位原理图，相距为s的发射天线和接收天线之间构成一定的角度。图7.6微波液位原理图4．微波湿度传感器水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。图7.7所示为一台测量酒精含水量的仪器

6、框图，其中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的传输线转换器T1、T2中。图7.7酒精含水量测量仪框图5．微波物位计图7.8所示为微波物位计原理框图。6．微波温度传感器图7.9所示为微波温度传感器的原理方框图。7．微波无损检测图7.8微波物位计原理框图图7.9微波温度传感器原理框图7.2超声波传感器在公路上实现交通信号的自动控制采用的是超声波传感器。图7.10所示为交通信号自动控制系统原理图，当某一路口为红灯时，传感器检测出累积在路上车辆的数量，根据事先编好的程序，就可以切换路口的信号灯，从而实现信号的自动控制。图7.10交

7、通信号自动控制系统7.2.1超声波检测原理1．声波的分类声波是一种机械波，当它的振动频率为20Hz～20kHz时，人耳能够感受得到，称为可闻声波。2．超声波的波型超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，其波型可分为纵波、横波和表面波3种。3．声速、波长与指向性（1）声速表7.1所示为常用材料的密度、声阻抗与声速。在这里，声阻抗是描述介质传播特性的一个物理量。材料密度/103kg·m3声阻抗Z/10MPa/s纵波声速cL/km/s横波声速cS/km/s钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05