《测试技术与传感器》课件第9章.ppt

思考题与习题9-1什么是光电效应？光电效应可分为哪几种？试论述每种光电效应的含义，并各举一例说明。9-2什么是电荷耦合器？试论述其基本结构和工作原理。9-3依据光纤的基本结构，论述光纤的工作原理，并说明数值孔径NA的作用。9-4试论述光纤流量传感器的工作原理。9-5为什么可以利用红外线做气体分析？论述红外气体分析仪的工作原理。9-6试论述超声波流量检测计的原理及安装方式。图9-37工业用红外线气体分析仪结构原理图以分析CO气体含量为例。测量时，两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室。由于测量气室中含有一定量的CO气体，对4.65μm的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中的气体不吸收红外线，这样射入红外探测器两个吸收气室的红外光存在能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，电容即发生变化。被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容变化也愈大，因此，电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。其中，滤波气室用来消除干扰气体对测量结果的影响。干扰气体指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2气体在4～5μm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体会带来影响，这种影响称为干扰。2.红外自动烘手器红外自动烘手器电路如图9-38所示，由六反相器CD4069组成红外控制电路，包括红外脉冲信号发射电路、红外接收处理电路和开关电路三部分。红外脉冲信号发射电路由反向器F1、F2、半导体三极管V1及红外发射管VD1等组成；红外光敏二极管VD2及后续电路组成红外脉冲的接收、放大、整形、滤波及开关电路。图9-38红外自动烘手器电路图工作过程:当手放在烘手器的下方10~15cm时，由VD1发射的红外光经人手反射后，由红外光敏二极管VD2接收并转换成脉冲电压信号，经V2、V3放大，及反相器F3、F4整形，通过VD3向C6充电变为高电平，经反相器F5变为低电平，使V4导通，继电器K工作，触点S1闭合，接通电热风机的电源，热风吹出。同时，发光二极管VD5点亮，表示热风机启动工作。人手晃动偏离光控部分会造成短时信号消失，使电路无法连续工作。为此在电路中由VD3、R12、C6组成延时关机电路，C6通过R12放电需要一段时间，C6上在短时间内仍可保持高电平，后级电路工作状态不变。延时时间一般为3s。9.4超声波传感器9.4.1超声波的特性振动在弹性介质内的传播称为机械波、弹性波、波动，或简称波。频率在16Hz~20kHz之间的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于20kHz的机械波，称为超声波。频率在3×108~3×1011Hz之间的波，称为微波。机械波的频率界限如图9-39所示。图9-39机械波的频率界限图按照振动强度，超声波可分为检测超声波和功率超声波两种。检测超声波振动强度较低，用来探测信息；功率超声波振动强度高，用来改变传声媒质的状态、性质及结构，也称为高能超声波。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，因此在介质分界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。1.超声波的基本特性超声波具有以下几方面的基本特性：(1)束射特性:超声波波长短，发散性能较弱，可近似集中成一束射线。(2)吸收特性:超声波在空气、液体和固体中均会被吸收，在空气中吸收特性最强，在固体中最弱。(3)高功率性:超声波因频率高，所以功率比声波大得多，可使所通过的介质产生急速运动，甚至使其分子结构产生变化。(4)声压作用:超声波振动使物质分子产生压缩和稀疏作用，这种由于声波振动引起附加压力作用的现象称为声压作用。2.超声波的波型及其传播速度1)波型质点的振动方向与波在介质中的传播方向的不同形成不同的声波波型。通常有以下几种：(1)纵波:质点的振动方向与波的传播方向一致的波，能在固体、液体和气体介质中传播；(2)横波:质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，只能在固体介质中传播；(3)表面波:质点的振动介于横波与纵波之间，轨迹是椭圆形，椭圆的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向，只沿着介质表面传播，其振幅随深度的增加而迅速衰减。2)波型转换当纵波以某一角度入射到第二固体介质的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还发生横波的反射、折射，有些情况下还能产生表面波。3)传播速度超声波的传播速度取决于介质的