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第十章、数字式传感器目前各种数字显示的非电量检测装置巳广泛使用。
在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。
这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等优点；第一节、光栅式传感器利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光披的波长等方面。
利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。
由于光栅具有结构原理简单、计量精度高等优点，受到重视和推广。
光栅传感器，成功地作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。
一、光栅传感器的结构：光栅传感器由：照明系统、光栅副、光电接收元件所组成；如图10-1所示。
1光源、2透镜、3主光栅、4指示光栅、5光电元件图10-1透射光栅传感器光路1、照明系统：照明系统由：光源和透镜构成；光源：钨丝灯泡、砷化镓发光二极管。
透镜：将光源发出的光转换成平行光。
2、光栅副：光栅副由主光栅和指示光栅构成；主光栅又叫标尺光栅是测量的基准。
常用高于白玻璃制作。
主光栅的有效长度由测量范围决定。
一般主光栅比指示光栅长。
指示光栅用光学玻璃，其长度只要能产生测量所需的莫尔条纹即可。
主光栅与指示光栅具有相同的栅距的栅线。
在测量位移时，主光栅往往固定在机床床身上不动，指示光栅随拖板一起移动。
在测量角位移时，指示光栅一般固定不动，主光栅随机床的主轴一起移动。
光栅副是光栅传感器中的主要元件。
整个测量系统的精度主要由主光栅的精度精度来决定。
安装时主副光栅互相重叠并错开一个小角度θ，以便获得莫尔条纹。
2、计量光栅：在长度测量中应用的光栅通常称为计量光栅。
1）、计量光栅按其形状和用途可分为：长光栅和圆光栅两类；⑴、长光栅：长光栅用于测量长度；要求光栅的刻线相互平行。
如图10-2a图10-2长光栅与圆光栅示意图1(a)(b)W221I ab图10-3透射圆光栅示意图圆光栅按其圆周内线纹数不同，圆光栅分成三种：①、六十进制：如：10800线、21600线、32400线、64800线、 ②、十进制：如：1000线、2500线、5000线、 ③、二进制：如：512线、2040线、2048线、 圆光栅有两种：径向光栅和切向光栅径向光栅：其栅线的延长线全部通过圆心，如图10-3a 所示； 切向光栅：其全部栅线与一个同心小圆相切，如图10-3b ； 此小圆的直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。
第10章 波与射线传感器 主要内容： 10.1 超声波传感器 10.2 红外线传感器 10.3 核辐射传感器
10．1．1 超声波及其物理性质 人耳听见的声波（机械波），频率在16～2*104Hz之间； 次声波————低于20Hz 超声波————高于2*104Hz 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术；超声波技术通过超 声波的产生——传播——接受，几个物理过程完成； • 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米； • 当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；
由于超声波的这些特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像等等。
• 超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，但反射能力越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。 • 超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。 • 声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减，衰减规律用两个能量描述：
声压 声强 ：声波与声源之间距离； ：衰减系数Np/m（奈培/米）； 、为X=0处声压、声强； 可见声波随X增加，声能、由于扩散吸收而减弱。 10．1．2 超声波传感器 结构：利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应 逆压电效应，将高频电振动转换为机械振动产生超声波，制成发射元件； 正压电效应，将超声波振动转换为电信号，制成接收元件。 超声波传感器又称换能器，主要功能是产生超声波信号，接收超声波信号。目前市场销售的超声波传感器有两种形式：
专用型——器件的发送、接收分开； 兼用型——器件的发送和接收制作在一起。 一般标有谐振中心频率，如：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。 超声波传感器使用时有两种形式： 反射式（TX）、直射式（RX）。在发送器双振子端施加40KHz电压，通过逆压电效应，送出超声波信号，接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。
a)兼用型 b）反射式c)直射式 图10—1超声波传感器的不同形式
图10—2超声波传感器结构 图10—3超声波传感器的工作原理 10．1．3超声波传感器测距原理 超声波传感器测距基本电路主要由振荡发射电路、接收检测电路两部分组成，电路原理框图见10-4。
1）由反向器①②组成RC振荡器，振荡信号经门电路③④⑤⑥完成功率放大，通过CP耦合，传送给超声波振子，产生超声波发射信号。
注：超声波振子一般不加直流电压，因为长期加入直流电压会使传感器特性变差。 2）超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路用于检测反射波，运算放大器A对Mv极左右信号放大处理，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。
a) 超声波传感器测距发射电路 b) 超声波传感器测距接收电路 图10—4超声波传感器测距电路原理框图 图10-5采用脉冲时序描述测距原理，测距是通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是相应距离。
已知计数器系统中超声波速度与距离的关系为： 图10—5超声波传感器测距原理时序波形图
10．2 红外传感器 红外传感器按应用可分为： • 红外辐射测量； • 热成像遥感技术； • 红外搜索、跟踪目标、确定位置； • 通讯、测距等。 红外传感器主要有两部分组成： o 红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源； o 红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的光敏器件。
10．2．1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为：近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。
图10—6电磁波波谱图 有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，如人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已。一个炽热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的。
10．2．2 红外探测器 红外探测器主要有两大类型： • 热探测器（热电型），包括有：热释电、热敏电阻、热电偶； • 光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电子效应，使材料电学性质发生变化，其中有光敏电阻、光电管、光电池等。
量子型光子探测器与光电传感器原理相同，这里不再详细阐述。本节主要介绍热电型红外探测器。
（1）热探测器 利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化，如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。
热释电效应：
热释电效应基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号，包括了光——热——电两次信息变换过程，而对波长的频率没有选择。光、热、电转换过程中：
光——热阶段，物质吸收光能，温度升高； 热——电阶段，利用某种效应将热转换为电信号。 • 当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，使极化强度P降低，表面电荷Q减少，释放部分电荷，所以称热释电。 • 极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和，不显电性。中和的平均时间为：
图10—7 光辐射能变成材料自身的温度 为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。 • 热释电传感器应用时需要用光调制器，调制器的入射光频率必须大于中和时间的频率：
• 热释电传感器可视为电流源，下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：
式中：S—元件面积；P—极化强度；g—热释电系数。 图10—8热释电材料表面电荷随温度变化状况 热释电元件等效电路： 等效电路如图10-9所示：Rd是绝缘电阻；RL为外接负载；
输出电压： 热释电传感器绝缘电阻很高，几十至几百兆欧容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。通常购买的热释电传感器已经将前极的场效应管FET和输入电阻安装在管壳中，起到阻抗变换的作用。 图10—9热释电元件结构和等效电路 （2）光子探测器 光量子型就是利用光电效应，通过改变个电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有： 光电导型（PC） 光电型（PU） 光电磁型（PEM） 肖特基型（ST） （3）红外传感器应用 热释电红外报警控制电路
图10—10热释电红外报警控制电路原理 红外光束报警电路 图10—11热释电红外光束报警电路 热释电红外还可用于自动门、干手机、自动水龙头等。下图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，单稳态控制电机正转反转。
图10—12采用热释电红外传感器的自动门示意 10．3 核辐射传感器 10．3．1核辐射物理基础 • 放射性同位素 凡是原子序数相同，原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素。 当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变。 同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素” 放射性衰减规律为： 、t=0的原子核数，t 时刻原子核数 衰减常数（不同同位素值不同） 上式可见，放射性同位素的原子核数按指数规律随时间衰减，衰减速度用半衰期表示。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰减到一半时所需时间，一般用半衰期作同位素的寿命。
• 核辐射 放射性同位素衰变时，放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称“核辐射”。放射性同位素在衰变过程中能放出α、β、γ三种射线，
其中：
α 射线由带正电的α粒子组成（如氦核）； β 射线由带负电的β粒子组成（电子）； γ 射线由中性的光子组成。 一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称放射性强度。放射性强度也是随时间按指数规律减小：
I0初始强度；I时间t后的强度； 放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)，1Ci=3.7*1010/秒次核衰变 • 核辐射与物质间的相互作用 核辐射与物质间的相互作用主要是由电离、吸收与反射； • 电离作用 具有一定能量的带电粒子在穿透物质时会产生电离作用，在它们经过的路程上形成许多 离子对。 α粒子能量大，电离最强，但射程短； β粒子质量小，电离较弱； γ粒子没有直接电离作用。 • 吸收、反射 α、β、γ射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。
α 射线穿透能力最弱； β 射线次之，穿行时易改变方向，产生散射形成反射； γ 射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中可穿透几百米，因此γ射线广泛用于金属探伤。
• 应用： α 射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量； β 射线可进行带材厚度、密度检测； γ 射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。 10．3．2射线式传感器 射线式传感器通常有两种主要形式，一种是测量天然或自然的放射线，例如测量天然放射性的U、Th、K和这三个量的总量；另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。
• 辐射源 利用射线进行测量必须有辐射源发出α、β、γ射线。辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源。常用同位素源有：
放射源半衰期射线种类能量
（铯）33.2年、0.6614 （镅）470年、5.4827
