第11章波式、射线式和红外传感器上课讲义.ppt

传感器原理与应用第11章 波式、射线式和红外传感器第11章 波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例11.1 超声波式传感器 人耳能听到的声波频率在20 Hz20 kHz之间超过20 kHz的称为超声波，低于20 Hz的称为次声波常用的超声波频率为几十kHz到几十MHz11.1 超声波式传感器一些超声波传感器如图所示11.1 超声波式传感器CUSS 陶瓷超声波传感器如图所示11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用11.1.1 超声波的基本性质 1.波型及其转换 (1)波型 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不同，通常有三种形式 纵波质点振动方向与传播方向一致的波为纵波它能在固体、液体或气体中传播质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播11.1.1 超声波的基本性质 表面波质点振动介于纵波和横波之间，介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图所示沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失。

工业应用中主要采用纵波11.1.1 超声波的基本性质 (2)波型转换 当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除了有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射和折射；在某种情况下，还能产生表面波各种波型都符合反射及折射定律11.1.1 超声波的基本性质 2.传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关气体中声速约344 m/s、液体中为9001900 m/s；在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一半，表面波声速约为横波的90 %在钢材中的纵波声速约5000 m/s11.1.1 超声波的基本性质 3.反射及折射 超声波在两种介质中传播时，在它们的交界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波11.1.1 超声波的基本性质 对于反射波，当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，反射角a 等于入射角a11.1.1 超声波的基本性质 对于折射波，入射角a、折射角b、入射波在介质1中的速度c1及折射波在介质2中的速度c2之间的关系为亦即11.1.1 超声波的基本性质 考虑到可能有波型转换，如图所示，可写成统一的公式如下11.1.1 超声波的基本性质 当超声波垂直于入射界面，即ab0时，声波的反射系数R和透射系数T分别如下式中，I0, Ir, It分别为入射波、反射波、透射波的声强；r1c1、r2c2分别为两介质的声阻抗，r为密度，c为速度。

11.1.1 超声波的基本性质 由上面两式可知 若r2c2r1c1，则R0，T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质； 若r2c2r1c1, R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少 当r1c1r2c2时，也有R111.1.1 超声波的基本性质 例如，20 时水的声阻抗为r1c11.48106 kg/(m2s)，空气的声阻抗为r2c20.000 429106 kg/(m2s)，r1c1r2c2，故超声波从水中传播至水气界面时，将发生全反射反之亦然11.1.1 超声波的基本性质 4.超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，距离声源x处的声压p和声强 I 的衰减规律为式中，A为衰减系数11.1.1 超声波的基本性质 衰减系数A与介质密度及波的频率有很大关系气体密度小，则衰减快，尤其在频率高时衰减更快因此在空气中采用的超声波频率较低(几十kHz)，而在固体或液体中较高11.1.1 超声波的基本性质 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收 (1)扩散衰减 是指声波在介质中传播时，其波前逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象它和波阵面的几何形状有关。

在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散11.1.1 超声波的基本性质 (2)散射衰减 超声波在介质中传播遇到尺寸与其波长可相比或更小的障碍物时会产生散射衰减产生散射衰减的原因很多，可分为两种情况，一种是材料本身的不均匀，如两种材料的交界面、杂质和气孔、晶体材料的各向异性等；另一种是晶粒尺寸可与超声波波长相比的粗晶粒材料，斜入射的超声波在晶界的散乱反射使得声能变为热能而损耗在金属中这往往是超声波衰减的主要原因11.1.1 超声波的基本性质 (3)吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的声能损耗称为吸收衰减11.1.1 超声波的基本性质 5.声阻抗 介质有一定的声阻抗，声阻抗等于介质密度与超声波速的乘积11.1.1 超声波的基本性质 6.声压 当超声波在弹性介质中传播时，介质质点除了承受未遭扰动时的静压强p0之外，还有随时间交替变化的附加压强p，称后者为声压声压pf(x,y,z,t)，是时间和空间的函数11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用11.1.2 超声波传感器 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头 按超声波探头的结构，可分为直探头，斜探头，双探头和液浸探头等按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等实际使用中压电式探头最为常见11.1.2 超声波传感器 (1)压电式超声波探头 图示为压电式超声波探头结构，主要由压电晶体，吸收块(阻尼块)、保护膜等组成11.1.2 超声波传感器 (2)磁致伸缩型超声波换能器 其工作原理是基于对磁性材料加上磁场后，就在磁场方向产生应变的磁致伸缩效应和加上应力后就发生磁化的逆磁致伸缩效应 图示为典型结构，其上限频率可到100 kHz左右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳11.1.2 超声波传感器 (3)电磁超声换能器 电磁超声换能器是一种新型的超声发射接收装置特点是超声产生和接收的过程中换能器与媒质表面非接触、无需加声耦合剂(提高耦合效率，如B超)、重复性好、检测速度高11.1.2 超声波传感器 如图所示，是洛仑兹力式电磁超声换能器产生超声波的原理图11.1.2 超声波传感器 (4)激光超声波发生器 它是利用激光来产生超声波的激光可以在固体中产生超声，也可以在气体和液体中产生超声。

产生机理主要是热弹性膨胀机理，脉冲激光将引起振动 对于图示压电式超声波探头，超声波频率与晶片厚度d、纵波波速c、密度r的关系为11.1.2 超声波传感器式中，n为谐波级数，n1,2,3,11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用11.1.3 超声检测技术的应用 1.超声波测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干涉法等几种应用较广的是脉冲回波法 脉冲回波法测量试件厚度是先测量超声波脉冲往返通过试件所需的时间间隔t，然后根据超声波在试件中的传播速度c求出试件的厚度11.1.3 超声检测技术的应用 测量时超声波探头与被测物体表面接触；主控制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号，激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后反射回来，并由同一探头接收11.1.3 超声检测技术的应用 测出从发射到接收的时间间隔t，则试件厚度为11.1.3 超声检测技术的应用 2.超声波物位传感器 它是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制成的根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器单换能器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器发射和接收各由一个换能器担任。

11.1.3 超声检测技术的应用 超声波发射和接收换能器可设置在液体中，让超声波在液体中传播由于在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播发射和接收换能器也可以安装在液面上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害11.1.3 超声检测技术的应用 对于图示单换能器来说，超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为11.1.3 超声检测技术的应用 对于图示双换能器来说，液位高度为 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差11.1.3 超声检测技术的应用 3.超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的， 如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法，它利用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同11.1.3 超声检测技术的应用 在流体的上、下游相距L设置两个超声波传感器，它们既可发射又可接收超声波设顺流方向的传输时间为t1，逆流方向的传输时间为t2，流体静止时的超声波速度为c，流体流动速度为u，则11.1.3 超声检测技术的应用 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，那么超声波传播时间差为则11.1.3 超声检测技术的应用 在实际应用中，超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。

但公式需相应地改变11.1.3 超声检测技术的应用 4.超声波探伤 超声波探伤主要是通过测量信号往返于表面和缺陷之间的时间，来确定缺陷和表面之间的距离；测量回波信号的幅度和改变发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和方位这就是通常所说的脉冲反射法或A扫描法此外还有B扫描法、C扫描法、D扫描法等11.1.3 超声检测技术的应用 A扫描法、B扫描法、C扫描法、D扫描法如图所示11.1.3 超声检测技术的应用 一种多功能超声诊断系统如图所示 超声波在医疗领域还有非常广泛的应用，可用于疾病诊断和治疗11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用第11章 波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例11.2 微波式传感器 1.微波式传感器的优点 (1)测量具有非接触性，可进行活体检验，大部分测量不需要取样 (2)能够适应恶劣环境下的检测如高温、高压、有毒、放射性环境及恶劣天气等11.2 微波式传感器 2.微波式传感器的缺点 (1)零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。

(2)受外界影响的因素比较多，如温度、压力、取样位置等此外，一般价格昂贵11.2 微波式传感器一些应用如图所示11.2 微波式传感器 一种用于自动门的微波传感器及微波感应控制器如图所示用途：适用于宾馆、银行、办公楼、工厂等出入人员较多场所的自动门11.2 微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用11.2.1 微波的性质与特点 微波是波长为1 mm1 m的电磁波，电磁波波段的划分如下表所示11.2.1 微波的性质与特点 微波可细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波(甚至还包括亚毫米波)既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质微波具有下列特点：定向辐射装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小；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11.2 微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用11.2.2 微波振荡器与微波天线 微波振荡器是产生微波的装置由于微波波长很短，频率很高(300 MHz300 GHz)，要求振荡回路具有非常微小的电感与电容。

故不能用普通电子管与晶体管。