波傳感器PPT課件

1、 波是指某一物理量的擾動(dòng)或振動(dòng)在空間逐點(diǎn)傳遞時(shí)形成的運(yùn)動(dòng)。不同形式的波雖然在產(chǎn)生機(jī)制、傳播方式和與物質(zhì)的相互作用等方面存在很大差別，但在傳播時(shí)卻表現(xiàn)出多方面的共性，可用相同的數(shù)學(xué)方法描述和處理。波傳感器的定義范圍非常廣，只要是利用波動(dòng)原理制作而成的傳感器都可以叫做波傳感器。在本章中將介紹主要的幾種波傳感器。 第1頁(yè)/共46頁(yè) 9.1 聲傳感器聲傳感器聲波基本概念聲波基本概念 1. 聲波聲波 聲波與振動(dòng)是緊密相關(guān)的，機(jī)械振動(dòng)常常引起聲輻射。物體振動(dòng)時(shí)激勵(lì)著它周?chē)目諝赓|(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，由于空氣具有慣性和彈性，在空氣質(zhì)點(diǎn)的相互作用下，振動(dòng)物體四周的空氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播而形成聲波。按

2、照頻率范圍，聲波可分為次聲波、可聽(tīng)聲波、超聲波?？陕?tīng)聲波的頻率在16Hz20kHz之間。低于16Hz的振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波稱(chēng)為次聲波。頻率超過(guò)20kHz的機(jī)械波稱(chēng)為超聲波。 第2頁(yè)/共46頁(yè)2. 聲波的波形聲波的波形 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波型也會(huì)不同。通常有以下三種：(1)縱波 (2) 橫波 (3) 表面波3. 聲波的特性聲波的特性(1) 聲壓聲壓(P) 當(dāng)聲波傳播時(shí)，某處的空氣疏密地變化，使壓強(qiáng)在大氣壓附近上下變化，相當(dāng)于在原來(lái)的大氣壓強(qiáng)上疊加一個(gè)變化的壓強(qiáng)，這個(gè)疊加上去的壓強(qiáng)就叫聲壓。通常所說(shuō)的聲壓，是指一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)聲壓的均方根值(即有效聲壓)，故總是正值

3、。對(duì)于正弦波形，有效聲壓等于瞬時(shí)聲壓最大值Pmax除以，即 一般來(lái)說(shuō)，如未加說(shuō)明，聲壓指有效聲壓。2/maxPP max/2PP第3頁(yè)/共46頁(yè) (2) 聲功率聲功率 聲波是能量傳播的一種形式，因此也常用能量的大小來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱。聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能量叫做聲功率，用符號(hào)W表示，單位為W。(3) 聲強(qiáng)聲強(qiáng) 聲強(qiáng)也是衡量聲波在傳播過(guò)程中聲音強(qiáng)弱的物理量。它是指單位時(shí)間內(nèi)(每秒鐘)，聲波通過(guò)垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，用符號(hào)I表示，單位為W/m2。若聲能通過(guò)的面積為S，則聲強(qiáng)為 在無(wú)反射聲波的自由場(chǎng)中，點(diǎn)聲源發(fā)出的球面波，均勻地向四周輻射聲能，因此，距離聲源中心為r的球面上的聲強(qiáng)

4、為/IW S24WIr第4頁(yè)/共46頁(yè)(4) 聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí) 通常采用按對(duì)數(shù)方式分級(jí)的辦法來(lái)表示聲音大小,這就是聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)。聲壓級(jí)(LP) 聲壓級(jí)Lp指測(cè)量的聲壓P與參考聲壓Pref的比值取常用對(duì)數(shù)，再乘以20, 單位為分貝(dB)，即式中，參考聲壓Pref=210-5 Pa，為1kHz時(shí)的聽(tīng)閾。聲強(qiáng)級(jí)(LI) 聲強(qiáng)級(jí)LI是指測(cè)量的聲強(qiáng)I與參考聲強(qiáng)Iref比值取常用對(duì)數(shù)，再乘以10，單位為分貝(dB)，即20lg()prefPLdBP10lgIrefILI第5頁(yè)/共46頁(yè)聲功率級(jí)(LW) 聲功率級(jí)是指測(cè)量的聲功率W與參考功率Wref的比值取常用對(duì)

5、數(shù)，再乘以10，單位為分貝(dB)，即10lgWrefWLW式中，參考功率Wref =10-12，為1HZ時(shí)聽(tīng)閾聲功率值。 由于在一定條件下，聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)在數(shù)值上是相等的，因此，可將三者統(tǒng)一用聲級(jí)表示。第6頁(yè)/共46頁(yè) 式中，P，I分別為平面波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；P0 ，I0為平面波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；為衰減系數(shù)。5. 聲波的多普勒效應(yīng)聲波的多普勒效應(yīng)0 xPPe20 xII e4. 聲波的衰減聲波的衰減 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，衰減的程度以衰減系數(shù)來(lái)表示。在平面波的情況下，其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下第7頁(yè)/共46頁(yè)第8頁(yè)/共46頁(yè)1. 電阻變換型

6、聲敏傳感器電阻變換型聲敏傳感器 按照轉(zhuǎn)換原理將這類(lèi)傳感器可分為接觸阻抗型和阻抗變換型兩種。接觸阻抗型聲敏傳感器的一個(gè)典型實(shí)例是碳粒式送話(huà)器，其工作原理如圖所示，當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生振動(dòng)，使膜片和電極之間碳粒的接觸電阻發(fā)生變化，從而調(diào)制通過(guò)送話(huà)器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器經(jīng)放大后輸出。阻抗變換型聲敏傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在膜片上構(gòu)成的。當(dāng)聲壓作用在膜片上時(shí)膜片產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變化，檢測(cè)電路將這種變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出從而完成聲-電的轉(zhuǎn)換。第9頁(yè)/共46頁(yè)碳粒式送話(huà)器的工作原理圖 第10頁(yè)/共46頁(yè)2. 壓電聲敏傳感器壓電聲敏傳感器 壓電聲敏傳感

7、器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的。下圖是壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電晶體的一個(gè)極面和膜片相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動(dòng)時(shí)，膜片帶動(dòng)壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，壓電晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生隨聲壓大小變化而變化的電壓，從而完成聲電的轉(zhuǎn)換。壓電聲敏傳感器可廣泛用于水聲器件、微音器和噪聲計(jì)等方面。 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖 第11頁(yè)/共46頁(yè)3. 電容式聲敏傳感器電容式聲敏傳感器(靜電型靜電型) 下圖為電容式送話(huà)器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由膜片、外殼及固定電極等組成，膜片為一片質(zhì)輕而彈性好的金屬薄片，它與固定電極組成一個(gè)間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下振動(dòng)時(shí)，膜片與固定電極間的距離發(fā)生變化，從而引起電容量的變化

8、。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載電阻RL和直流電流極化電壓E，在電容量隨聲波的振動(dòng)變化時(shí)，在RL的兩端就會(huì)產(chǎn)生交變電壓。 電容式聲敏傳感器的輸出阻抗呈容性，由于其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保證低頻時(shí)的靈敏度，必須有一個(gè)輸入阻抗很大的變換器與其相連，經(jīng)阻抗變換后，再由放大器進(jìn)行放大。第12頁(yè)/共46頁(yè)電容式送話(huà)器結(jié)構(gòu)示意圖 第13頁(yè)/共46頁(yè)4. 音響傳感器音響傳感器 音響傳感器包括：將聲音載于通信網(wǎng)的電話(huà)話(huà)筒；將可聽(tīng)頻帶范圍(20Hz20KHz)的聲音真實(shí)地進(jìn)行電變換的放音、錄音話(huà)筒；從媒質(zhì)所記錄的信號(hào)還原成聲音的各種傳感器等。根據(jù)不同的工作原理(有電磁變換、靜電變換、電阻變換、光電變換等

9、)，可制成多種音響傳感器。下面介紹一種音響傳感器水聽(tīng)器。 一般來(lái)說(shuō)，水聲觀測(cè)設(shè)備主要由兩部分組成，一是電子設(shè)備產(chǎn)生、放大、接收和指示電信號(hào)的部分，它具體包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、指示器等；二是水聲換能器它的作用是完成電聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換。下圖是幾種常用的水聲設(shè)備的作用示意圖。第14頁(yè)/共46頁(yè)(a)被動(dòng)式聲吶(b)主動(dòng)式聲吶幾種水聲設(shè)備的工作示意圖 第15頁(yè)/共46頁(yè) 當(dāng)水聲換能器工作在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，它的任務(wù)就是把電的振蕩能轉(zhuǎn)換為機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)能，再推動(dòng)水介質(zhì)向外輻射聲能量。當(dāng)水聲換能器工作在接收狀態(tài)時(shí)，它的任務(wù)和發(fā)射狀態(tài)時(shí)相反，即先把水介質(zhì)中的聲信號(hào)通過(guò)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)耦合到電路中并變成電信號(hào)，然后再把電信號(hào)

10、送到接收或指示設(shè)備上去。(c)水聲通信儀第16頁(yè)/共46頁(yè)9.2 聲表面波傳感器聲表面波傳感器概述概述 聲表面波(SAWSurface Acoustic Wave)是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在1886年研究地震波過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。聲表面波諧振器的核心是叉指換能器?；诼暠砻娌ㄖC振器的頻率特性，配上必要的電路和結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)敏感許多參數(shù)的聲表面波傳感器。 SAW傳感器主要有以下優(yōu)點(diǎn)。1. 高準(zhǔn)確度、高靈敏度。2. 結(jié)構(gòu)工藝性好，便于批量生產(chǎn)。3. 體積小，質(zhì)量小，功耗低，易于集成。4. 與微處理器相連，接口簡(jiǎn)單。第17頁(yè)/共46頁(yè)傳感器的基本原理傳感器的基本原理 SAW傳感器的

11、基本原理是在壓電材料表面形成叉指換能器，構(gòu)成SAW振蕩器或諧振器，適當(dāng)設(shè)計(jì)SAW振蕩器或諧振器，使其對(duì)微細(xì)的待測(cè)量敏感。一般是使被測(cè)量作用SAW的傳播路徑，引起SAW的傳播速度發(fā)生變化，從而使振蕩頻率發(fā)生變化，通過(guò)頻率的變化檢測(cè)被測(cè)量。1. 聲表面波叉指換能器聲表面波叉指換能器 圖7-11所示為叉指換能器的基本結(jié)構(gòu)，它由若干淀積在壓電襯底材料上的金屬膜電極組成，這些電極條互相交叉放置，兩端由匯流條連在一起，其形狀如同交叉平放的兩排手指，故稱(chēng)為均勻(或非色散)叉指換能器。第18頁(yè)/共46頁(yè) 當(dāng)在發(fā)射叉指換能器上施加適當(dāng)頻率的交流電信號(hào)后，在電基片內(nèi)部的電場(chǎng)分布如圖所示。該電場(chǎng)可分解為垂直與水平兩

12、個(gè)分量EV和EH。由于基片的逆壓電效應(yīng)，這個(gè)電場(chǎng)使指條電極間的材料發(fā)生形變，使質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，EH使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生平行于表面的壓縮(膨脹)位移，EV則產(chǎn)生垂直于表面的剪切位移。這種周期性的應(yīng)變就產(chǎn)生沿叉指換能器兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW，其頻率等于所施加電信號(hào)的頻率。第19頁(yè)/共46頁(yè)叉指換能器的基本結(jié)構(gòu) 叉指電極下某一瞬間的電場(chǎng)分布第20頁(yè)/共46頁(yè)2. 聲表面波諧振器聲表面波諧振器 聲表面波諧振器有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一種以聲表面波諧振子(SAWRSurface Acoustic Wave Resonator)為核心，一種以聲表面波延遲線(xiàn)為核心，再配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鹘M成。由SAWR構(gòu)成的聲表面波諧振器是目前

13、在甚高頻和超高頻段實(shí)現(xiàn)高Q值的唯一器件。SAWR由一對(duì)叉指換能器及金屬柵條式反射器構(gòu)成，如圖所示SAWR基本結(jié)構(gòu)第21頁(yè)/共46頁(yè)聲表面波傳感器的應(yīng)用聲表面波傳感器的應(yīng)用1. SAW壓力傳感器壓力傳感器 SAW壓力傳感器通常采用周邊固定的石英膜片為敏感元件。由于敏感膜片受到的壓力與該作用力引起的SAW振蕩器輸出頻率的變化具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此通過(guò)測(cè)量SAW的輸出頻率偏移，即可得知壓力的大小。下面是SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。SAW壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖第22頁(yè)/共46頁(yè)2. SAW氣敏傳感器氣敏傳感器 在SAW氣敏傳感器中，要使SAW器件對(duì)某些特殊氣體敏感，需要在延遲線(xiàn)的兩個(gè)叉指換能器之間，即聲表

14、面波的傳播路徑上敷設(shè)一層具有特殊選擇性的吸附膜，該吸附膜只對(duì)所需敏感的氣體有吸附作用。吸附膜吸收了環(huán)境中的某種特定氣體，使基片表面性氣體成分的含量增多。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度變化的補(bǔ)償，SAW氣敏傳感器大多采用雙通道延遲線(xiàn)結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器的原理結(jié)構(gòu)第23頁(yè)/共46頁(yè)9.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳輸及接收的物理過(guò)程完成的。通常，20kHz以上頻率的高頻聲波稱(chēng)為超聲波。超聲波的應(yīng)用都必須借助于超聲波探頭(換能器或傳感器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部

15、門(mén)的超聲探傷、超聲清洗、超聲焊接、超聲檢測(cè)和超聲醫(yī)療等方面，無(wú)論在使用效果、經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及適用范圍方面，都有著良好的發(fā)展前景。第24頁(yè)/共46頁(yè) 超聲波具有以下四個(gè)基本特性: 1.束射特性 2.吸收特性 3.高功率 4.聲壓作用 上述基本特性使超聲波在媒體中產(chǎn)生如下效應(yīng)：機(jī)械效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)和生物學(xué)效應(yīng)。超聲波的波型、轉(zhuǎn)換方式以及傳輸速度等方面同聲波一致。第25頁(yè)/共46頁(yè)超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器是檢測(cè)伴隨超聲波傳播的聲壓或介質(zhì)形變的裝置。利用壓電效應(yīng)、電應(yīng)變效應(yīng)、磁應(yīng)變效應(yīng)、光彈性效應(yīng)等應(yīng)變與其它物理特性相互作用的方法，或用電磁的、靜電的或光

16、學(xué)的手段等可檢測(cè)由聲壓作用產(chǎn)生的振動(dòng)。超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理通常是利用某種待測(cè)的非聲量(如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、液面、厚度、缺陷等)與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量(如聲速、衰減、聲阻抗等)之間存在著的直接或間接關(guān)系，在探索到這些關(guān)系的規(guī)律之后就可通過(guò)超聲量的測(cè)定來(lái)測(cè)出那些待測(cè)的非聲量。 超聲波傳感器的敏感元件多用壓電晶體，依據(jù)的原理是壓電效應(yīng)。第26頁(yè)/共46頁(yè) 右圖是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖。它采用雙晶振子，即把雙壓電片以相反極化方向黏在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，分別用引線(xiàn)接到兩個(gè)電極上。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由

17、圓弧形凸起部分支撐著，這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，高效率地發(fā)送超聲波。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，產(chǎn)生高頻電壓。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖第27頁(yè)/共46頁(yè) 下圖是雙晶振子超聲波傳感器的工作原理示意圖。若在雙晶振子上施加40kHz的高頻電壓，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片a、b就隨所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，送給超聲波接收器。圖中接收器中也有與發(fā)射器結(jié)構(gòu)相同的雙晶振子，若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，由于壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元

18、件的特定方向上施加壓力，元件就產(chǎn)生壓電效應(yīng)，一面產(chǎn)生正電荷，另一面產(chǎn)生負(fù)電荷；于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓非常小，要用放大器進(jìn)行放大。超聲波傳感器的工作原理示意圖第28頁(yè)/共46頁(yè) 下圖是超聲波傳感器的等效電路與阻抗特性。圖(a)為等效電路，相當(dāng)于L0、C0、R0串聯(lián)與CP并聯(lián)的電路，這些參數(shù)之間關(guān)系如圖所示。圖(b)為阻抗特性，振子阻抗Z隨頻率f而變化，Z最小時(shí)為串聯(lián)諧振頻率fr，最大時(shí)為并聯(lián)諧振頻率fa。然而，傳感器的數(shù)據(jù)表中都沒(méi)有記載這兩種頻率，一般用標(biāo)稱(chēng)頻率來(lái)表示。超聲波傳感器的等效電路與阻抗特性第29頁(yè)/共46頁(yè)超聲波傳感器的選擇性用振子Q值進(jìn)行評(píng)價(jià)，Q值是表

19、示諧振頻率時(shí)振子振動(dòng)特性的尖銳程度。若電容為C，則Q值可按下式進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)的Q用Qm表示，即該式計(jì)算比較復(fù)雜，一般采用下式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，這時(shí)Q用Q0表示，即2222()amrrarfQf Z C ff012rfQff式中， 、 為振幅低于諧振點(diǎn)3dB時(shí)的上下限頻率。1f2f第30頁(yè)/共46頁(yè)超聲波傳感器的分類(lèi)超聲波傳感器的分類(lèi) 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實(shí)際使用中壓電式探頭最為常見(jiàn)。1. 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)和使用的波型不同又可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭和其它專(zhuān)用探頭等。2.

20、磁致超聲波型超聲波傳感器 此外還有電磁型超聲波傳感器，有振動(dòng)板的超聲波傳感器，彈性表面波傳感器，光纖超聲波傳感器等類(lèi)型的超聲波傳感器。第31頁(yè)/共46頁(yè)超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用1. 超聲測(cè)距傳感器超聲測(cè)距傳感器 從發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后沿原路返回接收器所需的時(shí)問(wèn)，即渡越時(shí)間。通過(guò)測(cè)量渡越時(shí)間，利用介質(zhì)中已知的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器的距離。 超聲測(cè)距傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航和避障，其它還有焊縫跟蹤，物體識(shí)別。超聲測(cè)距傳感器探測(cè)距離為15200mm，分辨力為0.1mm。第32頁(yè)/共46頁(yè)2. 超聲波探傷儀超聲波探傷儀 超聲波探傷是無(wú)損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)

21、板材、管材、鍛件和焊接等材料中的缺陷(如裂縫、氣孔、夾渣等)、測(cè)定材料的厚度、檢測(cè)材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)等。超聲波探傷因具有檢測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。第33頁(yè)/共46頁(yè)3. 超聲波診斷儀超聲波診斷儀 超聲波診斷儀是通過(guò)向體內(nèi)發(fā)射超聲波(主要采用縱波)，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來(lái)的超聲波并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異進(jìn)行診斷的。由于超聲波對(duì)人體無(wú)損害、操作簡(jiǎn)便、結(jié)果迅速、受檢查者無(wú)不適感、對(duì)軟組織成像清晰，因此，超聲波診斷儀已成為臨床上重要的現(xiàn)代診斷工具。超聲波診斷儀類(lèi)型較多，最

22、常用的有A型超聲波診斷儀、M型超聲波心電圖儀和B型超聲波斷層顯像儀等。此外還有超聲波測(cè)厚，超聲波物位測(cè)量，超聲波流量測(cè)量等應(yīng)用。第34頁(yè)/共46頁(yè)9.4 微波傳感器微波傳感器微波的性質(zhì)與特點(diǎn)微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 微波是波長(zhǎng)為lmlmm的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無(wú)線(xiàn)電波和光波，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，微波具有下列特點(diǎn)：(1) 空間輻射的裝置容易制造；(2) 遇到各種障礙物易于反射；(3) 繞射能力較差；(4) 傳輸特性良好，傳輸過(guò)程中受煙、火焰、灰塵、強(qiáng)光等的影響很??；(5) 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

23、強(qiáng)。第35頁(yè)/共46頁(yè)1. 微波振蕩器與微波天線(xiàn)微波振蕩器與微波天線(xiàn) 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，頻率很高(300MHz300GHz)，要求振蕩回路具有非常微小的電感與電容，故不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管。 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管(波長(zhǎng)在10cm以上可用同軸線(xiàn))傳輸，并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線(xiàn)具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線(xiàn)有喇叭形天線(xiàn)，拋物面天線(xiàn)，介質(zhì)天線(xiàn)與隙縫天線(xiàn)等。第36頁(yè)/共46頁(yè)2. 微波檢測(cè)器微波檢測(cè)器 電磁波作為空間的微小電場(chǎng)

24、變動(dòng)而傳播，所以要選擇使電流電壓特性呈現(xiàn)非線(xiàn)性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線(xiàn)性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS(Safety-instrumented system)檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬氧化物金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。第37頁(yè)/共46頁(yè)微波傳感器的分類(lèi)與特點(diǎn)微波傳感器的分類(lèi)與特點(diǎn) 根據(jù)微波傳感器的原理，微波檢測(cè)傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。 微波傳感器作為一種新型

25、的非接觸傳感器具有以下特點(diǎn)：1. 有極寬的頻譜(波長(zhǎng)=1.0mm1.0m)可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象 的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率；2. 在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 3. 時(shí)間常數(shù)小，反映速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；4. 測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；5. 微波無(wú)顯著輻射公害。第38頁(yè)/共46頁(yè)微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用1. 微波液位儀微波液位儀 微波液位儀原理如圖7-29所示。相距為S的發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)，相互成一定角度。波長(zhǎng)為的微波信號(hào)從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線(xiàn)。接收天線(xiàn)接收到的微波功率的大小將隨著被測(cè)液面的高低不同而異。微波液位儀第39頁(yè)/共46頁(yè)2. 微波濕度傳感器微波濕度傳感器 水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量(儲(chǔ)能)，又不斷釋放能量(放能)，前者