第十一章波式傳感器.ppt

第十一章波式和射線式傳感器 第一節(jié)超聲波式傳感器 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng) 簡(jiǎn)稱波 頻率在16 2 104Hz之間 能為人耳所聞的機(jī)械波 稱為聲波 低于16Hz的機(jī)械波 稱為次聲波 頻率高于2 104Hz的機(jī)械波 稱為超聲波 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí) 由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同 在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射 折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象 一 超聲波的波形及其物理性質(zhì) 1 超聲波波型及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同 聲波的波型也不同 通常有 縱波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波 它能在固體 液體和氣體中傳播 橫波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波 只能在固體中傳播 表面波 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間 沿著表面?zhèn)鞑サ牟?表面波隨深度增加衰減很快 表面波振動(dòng)軌跡是橢圓型 在固體表面?zhèn)鞑?2 波型轉(zhuǎn)換 當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì) 固體 的界面上時(shí) 除有縱波的反射 折射外 還發(fā)生橫波的反射和折射 在某種情況下 還能產(chǎn)生表面波 3 超聲波的反射和折射 在兩界面處 聲波的傳輸與光傳輸類似 符合反射定律和折射定律 C1與C2為聲波在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中傳播聲速 反射定律 入射波與反射波的波形相同 波速相等時(shí) 折射定律 超聲波的反射和折射 4 超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 隨著傳播距離的增加 能量逐漸衰減 其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散 散射及吸收等因素有關(guān) 其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 Px Ix 距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng) x 聲波與聲源間的距離 衰減系數(shù) 11 2 11 3 10 2超聲波傳感器的應(yīng)用 一 超聲波傳感器為了以超聲波作為檢測(cè)手段 必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波 完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器 習(xí)慣上稱為超聲波換能器 或超聲波探頭 超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過反射后 再反回到接收探頭 超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷 稱為壓電式超聲波探頭 它是實(shí)現(xiàn)聲 電轉(zhuǎn)換的裝置 利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng) 從而產(chǎn)生超聲波 可作為發(fā)射探頭 利用正壓電效應(yīng) 將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 可用為接收探頭 超聲波頻率與厚度的關(guān)系 晶片沿x軸的彈性模量 晶片密度 超聲波頻率f與其厚度 成反比 超聲波探頭結(jié)構(gòu) 2 超聲波液 物 位傳感器 從探頭發(fā)出超聲波脈沖通過介質(zhì)到達(dá)液面 經(jīng)過反射后又被探頭接收 測(cè)量發(fā)射與接收超聲波脈沖的時(shí)間間隔和聲波在介質(zhì)中傳播速度 可求出探頭與液面之間的距離 實(shí)現(xiàn)液位 物位 的測(cè)量 根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能 傳感器又可分為單換能器和雙換能器 對(duì)于單換能器 復(fù)合換能器 來說 超聲波從發(fā)射到液面 又從液面反射到換能器的時(shí)間為 對(duì)于雙換能器 一對(duì) 來說 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s 而s 因此液位高度為 h s2 a2 1 2 2 超聲波流量傳感器 超聲波傳輸時(shí)間差法測(cè)流量 超聲波在流體中傳輸時(shí) 在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳輸速度是不同的 利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度 再根據(jù)管道流體的截面積 便可知道流體的流量 如果在流體中設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器 復(fù)合探頭 它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波 一個(gè)裝在上游 一個(gè)裝在下游 其距離為L(zhǎng) 如設(shè)順流方向的傳輸時(shí)間為t1 逆流方向的傳輸時(shí)間為t2 流體靜止時(shí)的超聲波傳輸速度為c 流體流動(dòng)速度為v t1 t2 超聲波傳播時(shí)間差為 t t2 t1 流體的流速為 v C V 實(shí)際應(yīng)用中 超聲波傳感器安裝在管道的外部 從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會(huì)給管路內(nèi)流動(dòng)的流體帶來影響 也有利于安裝 當(dāng)探頭1為發(fā)射探頭 2為接收探頭時(shí) 超聲波傳播速度為 順流傳播時(shí)間t1為 當(dāng)探頭2為發(fā)射探頭 1為接收探頭時(shí) 超聲波傳播速度為 逆流流傳播時(shí)間t2為 時(shí)差為 流體的平均流速為 該方法測(cè)量精度取決于時(shí)間差的測(cè)量精度 且C是溫度的函數(shù) 高精度測(cè)量需進(jìn)行溫度補(bǔ)償 3 超聲波探傷脈沖反射法 超聲波發(fā)射到被測(cè)試件后 傳播到有聲阻抗的界面上 產(chǎn)生反射 反射波顯示在示波器屏幕上 B F T 縱波探測(cè)分一次反射波法和多次反射波法 一次反射波按時(shí)間順序屏幕上顯示發(fā)射波 表面反射波和底面反射波 若工件內(nèi)部有缺欠 對(duì)超聲波有較強(qiáng)的吸收 底波幅度減小 多次反射波以多次底波反射為依據(jù) 底波反射回探頭時(shí) 一部分聲波被探頭接收 另一部分又返回底部 多次反射 直至聲能全部衰減完為止 當(dāng)試件有缺欠時(shí) 聲波衰減很大 底波反射次數(shù)減少 直至消失 由此判斷有無缺欠及缺欠的嚴(yán)重程度 第二節(jié)微波式傳感器 一 微波的基礎(chǔ)知識(shí) 微波是波長(zhǎng)為1m一1mm的電磁波 具有下列特點(diǎn) 空間輻射的裝置容易制造 遇到各種障礙物易于反射 繞射能力較差 傳輸特性良好 介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例 水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng) 微波式傳感器的組成 微波振蕩器和微波天線 二 微波傳感器 測(cè)量原理 由發(fā)射天線發(fā)出的微波 遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射 使功率發(fā)生變化 若利用接收天線接收通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波 并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 再由測(cè)量電路處理 就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè) 微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種 1 反射式傳感器 通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過時(shí)間間隔來表達(dá)被測(cè)物的位置 厚度等參數(shù) 2 遮斷式傳感器 通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小 來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測(cè)物或被測(cè)物的位置等參數(shù) 三 微波傳感器的應(yīng)用1 微波液位計(jì) 微波發(fā)射天線 微波接收天線 當(dāng)發(fā)射功率 波長(zhǎng) 增益均恒定時(shí) 只要測(cè)得接收功率 就可獲得被測(cè)液面的高度 2 微波物位計(jì) 1 當(dāng)被測(cè)物位較低時(shí) 發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收 經(jīng)放大器 比較器后發(fā)出正常工作信號(hào) 2 當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在的高度時(shí) 微波束部分被吸收部分被反射 接收天線接到的功率相應(yīng)減弱 經(jīng)放大器 比較器就可給出被測(cè)物位高出設(shè)定物位的信號(hào) 第三節(jié)射線式傳感器 定義 利用放射性同位素 根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)放射線的吸收 反散射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用而進(jìn)行工作的 也稱核輻射檢測(cè)裝置 一 核幅射的物理基礎(chǔ)1 放射性同位素 放射性衰變規(guī)律 開始時(shí) t 0 的放射源強(qiáng)度 t時(shí)的放射源強(qiáng)度 放射性衰變常數(shù) 半哀期 是不受任何外界作用影響而且和時(shí)間無關(guān)的恒量 不同放射性元素的半衰期不同 2 核輻射 放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線 叫核輻射 1 粒子 主要用于氣體分析 測(cè)量氣體壓力 流量等 2 粒子 主要用于測(cè)量材料厚度 密度等 3 射線 穿透能力很強(qiáng) 廣泛應(yīng)用于金屬探傷 測(cè)大厚度等 3 核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離 吸收和反射 輻射在穿過物質(zhì)層后 其能量強(qiáng)度為 入射到吸收體的輻射通量的強(qiáng)度 穿過厚度為h 單位為cm 的吸收層后的幅射通量強(qiáng)度 線性吸收系數(shù) 設(shè)質(zhì)量厚度 則吸收公式可寫成 用質(zhì)量吸收系數(shù)表示上式得 這些公式是設(shè)計(jì)核輻射測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ) 射線在物質(zhì)中穿行時(shí)容易改變運(yùn)動(dòng)方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象 反散射的大小與粒子的能量 物質(zhì)的原了序數(shù)及厚度有關(guān) 因此可以測(cè)量材料的涂層厚度 二 射線式傳感器 由放射源和探測(cè)器組成 1 射線源 放射線源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量