超聲波傳感器

1、第10章 輻射與波式傳感器10.1 紅外傳感器紅外傳感器10.2 微波傳感器微波傳感器10.3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 10.1 紅外傳感器10.1.1 工作原理工作原理 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見(jiàn)光， 由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.761000 m。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。 電磁波譜圖電磁波譜圖 1 紅外輻射紅外輻射n 紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（273），就會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射這種

2、形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。n 紅外線作為電磁波的一種形式，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長(zhǎng)的乘積 。2 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元顯示單元等組成。 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。按探測(cè)

3、機(jī)理的不同，紅外探測(cè)器可分為熱探測(cè)器熱探測(cè)器和光子探測(cè)光子探測(cè)器器兩大類。 熱探測(cè)器熱探測(cè)器 熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬響應(yīng)波段寬， 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使可以在常溫下工作，使用方便用方便， 應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。型和氣體型。熱釋電型探測(cè)器工作機(jī)理：熱釋電型探測(cè)器工作機(jī)理：電石、水晶、鈦酸鋇等晶體受

4、熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。10.1.2 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用( (一一) ) 紅外熱成像技術(shù)紅外熱成像技術(shù) 任何物體只要溫任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，內(nèi)度高于絕對(duì)零度，內(nèi)部原子就會(huì)作無(wú)規(guī)則部

5、原子就會(huì)作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，并不斷地輻射運(yùn)動(dòng)，并不斷地輻射出熱紅外能量。出熱紅外能量。紅外紅外探測(cè)器可將物體輻射探測(cè)器可將物體輻射的紅外功率信號(hào)轉(zhuǎn)換的紅外功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在計(jì)算機(jī)成電信號(hào)，在計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)的顯示屏上，成像系統(tǒng)的顯示屏上，將得到與物體表面熱將得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖。分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖。 不同的顏色和亮度代表不同的溫度不同的顏色和亮度代表不同的溫度 熱成像儀的使用熱成像儀的使用 各種熱像各種熱像變電站的熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過(guò)熱位置從熱像中可以判斷過(guò)熱位置人的人的熱像熱像 熱成像傳感器熱成像傳感器 熱成像儀能透過(guò)煙熱成像儀能透過(guò)煙塵、云霧、小雨及樹(shù)叢塵、云霧、

6、小雨及樹(shù)叢等許多自然或人為的偽等許多自然或人為的偽裝來(lái)看清目標(biāo)。裝來(lái)看清目標(biāo)。手持式手持式及安裝于輕武器上的熱及安裝于輕武器上的熱成像儀可以讓使用者看成像儀可以讓使用者看清清800m800m或更遠(yuǎn)的人體大或更遠(yuǎn)的人體大小的目標(biāo)。小的目標(biāo)。帶夜視儀的自動(dòng)步槍帶夜視儀的自動(dòng)步槍 配備熱成像傳感器的自動(dòng)步槍配備熱成像傳感器的自動(dòng)步槍軍用熱成像傳感器的效果軍用熱成像傳感器的效果白亮處有一輛坦克白亮處有一輛坦克用熱像儀判斷機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量用熱像儀判斷機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量用熱像儀判斷電子產(chǎn)品用熱像儀判斷電子產(chǎn)品的工作狀態(tài)的工作狀態(tài)線路板上的各點(diǎn)溫度線路板上的各點(diǎn)溫度IC的溫度的溫度醫(yī)療用的熱像儀醫(yī)療用的熱

7、像儀 用熱像儀判斷皮膚腫瘤的用熱像儀判斷皮膚腫瘤的位置及范圍位置及范圍10.3 超聲波傳感器超聲波傳感器 振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)波動(dòng)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱波波。162104 Hz ，能為人耳所聞的機(jī)械波，能為人耳所聞的機(jī)械波聲波聲波低于低于16 Hz的機(jī)械波的機(jī)械波次聲波次聲波高于高于2104 Hz的機(jī)械波的機(jī)械波超聲波超聲波310831011 Hz之間之間的波的波微波微波 圖圖10-14 聲波的頻率范圍圖聲波的頻率范圍圖 聲波的分類聲波的分類1.1.次聲次聲波 次聲波是頻率低于次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與赫茲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與人體器官發(fā)生

8、共振，人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。2.2.可聞聲波可聞聲波 美妙的音樂(lè)可使人陶醉。美妙的音樂(lè)可使人陶醉。3.3.超聲波超聲波蝙蝠依靠超聲波捕食蝙蝠依靠超聲波捕食 超聲波與可聞聲波不同，超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。超聲波霧化器超聲波霧化器超聲波加濕器超聲波加濕器 超聲波被聚焦后超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象質(zhì)的分界面時(shí)，能

9、產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。類似于光波。10.1.1 超聲波的超聲波的波型波型及其及其傳播速度傳播速度1、 根據(jù)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，分為： 縱波：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、液體和氣體介質(zhì)固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播； 橫波：橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中固體介質(zhì)中傳播； 表面波：表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的固體的表面?zhèn)鞑ァ?（1）在固體中）在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系： 橫波聲速為縱波的一半，表面波

10、聲速為橫波聲速的90%；（2）氣體中氣體中縱波聲速為344 m/s；（3）液體中液體中縱波聲速在9001900m/s。 2、 超聲波的傳播速度 蒸餾水溫度在蒸餾水溫度在0100范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化。在而變化。在74時(shí)達(dá)到最大值。時(shí)達(dá)到最大值。表表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化化 表表10-1 0100范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化化 10.1.2 超聲波的超聲波的反射和折射反射和折射 聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)， 在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射反射, 另一部分折射折射過(guò)界面，在另一種

11、介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。反射：反射： 折射：折射：入射角入射角的正弦與折射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在的正弦之比，等于入射波在第一介第一介質(zhì)中的波速質(zhì)中的波速c1與在第二介質(zhì)中的波速與在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即之比，即 21sinsincc10.1.3 超聲波的衰減超聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減衰減。聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 axxaxxeIIePP200式中：式中：Px、Ix 距聲源距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)； x 聲波與聲源間的距離；聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)，單位為衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培（奈培/厘米）。厘米）。 是頻率

12、是頻率的函數(shù)的函數(shù) 電平取電平取自然對(duì)自然對(duì)數(shù)數(shù)時(shí)的單位。時(shí)的單位。常用常用n表示。常表示。常用于電信網(wǎng)絡(luò)，用于電信網(wǎng)絡(luò)，作為放大或衰作為放大或衰減的單位。減的單位。 10.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器超聲波換能器、探測(cè)器探測(cè)器或傳感器傳感器。 超聲波探頭的分類分類： 按其工作原理可分為壓電式壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。 u超聲波壓電晶體 （1 1）壓電式超聲波發(fā)生器）壓電式超聲波發(fā)生器 -利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成超聲頻電信號(hào)超聲頻電信號(hào)換換能能器器2cnf 壓電材料

13、的壓電材料的固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度固有頻率與壓電材料晶體切片的厚度有關(guān)有關(guān) n n為諧波級(jí)數(shù)，取為諧波級(jí)數(shù)，取1 1，2 2，3 3，； 壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十壓電式超聲波發(fā)送傳感器可以產(chǎn)生幾十kHzkHz到幾十到幾十MHzMHz的的超聲波。超聲波。c c為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與壓電材料的密度有關(guān)。為超聲波在壓電材料里的傳播速度，與壓電材料的密度有關(guān)。 (2)(2)磁致伸縮超聲波發(fā)生器磁致伸縮超聲波發(fā)生器 -利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成利用某些鐵磁材料的磁致伸縮現(xiàn)象制成 磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬(wàn)磁致伸縮超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率只能在幾萬(wàn)Hz以

14、內(nèi)，但聲強(qiáng)可以內(nèi)，但聲強(qiáng)可達(dá)幾千達(dá)幾千W/cm2。它與壓電式的發(fā)送器比較，所產(chǎn)生的超聲波的頻率較。它與壓電式的發(fā)送器比較，所產(chǎn)生的超聲波的頻率較低，而強(qiáng)度則大許多。低，而強(qiáng)度則大許多。鎳、鐵鈷釩合金等鎳、鐵鈷釩合金等T/R40-16超聲波傳感器超聲波傳感器 當(dāng)當(dāng)40KH的脈沖電信號(hào)輸入后，由壓電陶瓷激勵(lì)的脈沖電信號(hào)輸入后，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)錐形輻射器將信號(hào)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)錐形輻射器將信號(hào)向外發(fā)射。向外發(fā)射。 傳感器外形傳感器外形高頻電源放大電路顯示發(fā)射探頭接收探頭工件1.1.超聲波探傷超聲波探傷 主要用于檢測(cè)板材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可主要用于檢測(cè)板

15、材、鍛件和焊接縫等材料中缺陷，也可以測(cè)量材料的厚度以測(cè)量材料的厚度。 穿透法探傷穿透法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部有當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，在缺陷缺陷時(shí)，在缺陷處能量被反射，處能量被反射，到達(dá)接收探頭的到達(dá)接收探頭的能量損失了一部能量損失了一部分。分。10.3 超聲波傳感器應(yīng)用超聲波傳感器應(yīng)用 BF工件探頭T高頻電源放大電路TFB反射法探傷反射法探傷 當(dāng)工件內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí)，當(dāng)工件內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí)，超聲波傳到工件底面再超聲波傳到工件底面再反射回來(lái)；反射回來(lái)； 當(dāng)工件內(nèi)部當(dāng)工件內(nèi)部有缺陷時(shí)，超聲波傳到有缺陷時(shí)，超聲波傳到缺陷就反射回來(lái)；缺陷就反射回來(lái)； 不同不同缺陷會(huì)造成不同的接收缺陷會(huì)造成不同的接收波幅度和周期。波幅

16、度和周期。 2.2.超聲波測(cè)厚度超聲波測(cè)厚度 工件探頭高頻電源放大電路T測(cè)厚儀ct21t 只要測(cè)量出超聲波脈沖通過(guò)工件的時(shí)間只要測(cè)量出超聲波脈沖通過(guò)工件的時(shí)間t,t,經(jīng)過(guò)信號(hào)處經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路就可以直接讀出工件的厚度。理電路就可以直接讀出工件的厚度。厚度計(jì)算厚度計(jì)算:手持式超聲波測(cè)手持式超聲波測(cè)厚儀厚儀超聲波手持式測(cè)厚超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴小提琴 木料測(cè)厚木料測(cè)厚3.超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器 超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔時(shí)間間隔為已知，就

17、可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。傳感器分類：?jiǎn)螕Q能器單換能器和雙換能器雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一和接收超聲波使用同一個(gè)換能器。個(gè)換能器。傳感器發(fā)射和接傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能收各由一個(gè)換能器擔(dān)任。器擔(dān)任。 超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播。 由于超聲波在液體中衰減比較小衰減比較小， 所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。 超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣空氣中傳播。這種方式便于安裝和維修， 但超聲波在空氣中的衰減衰減比較厲害比較厲害。 衰減小衰減小衰減

18、大衰減大(b) 超聲波在空氣中傳播超聲波在空氣中傳播(a) 超聲波在液體中傳播超聲波在液體中傳播 對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)， 超聲波從發(fā)射器到接收的超聲波從發(fā)射器到接收的時(shí)間時(shí)間為為 22cthcht式中：式中：h換能器距液面的距離；換能器距液面的距離； c超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 22cthcht 對(duì)于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的對(duì)于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為路程為2s，2cts 22ash式中：式中：s超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離； a兩換能器間距之半。兩換能器間距之半。 10.3.2 超聲波超聲波流量

19、流量傳感器傳感器 超聲波流量傳感器的測(cè)定方法很多， 如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法等。目前應(yīng)用較廣的是超聲波傳播時(shí)間差超聲波傳播時(shí)間差法。法。 原理：原理：超聲波在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度速度，再根據(jù)管道流體的截面積截面積， 可以計(jì)算出流體的流量流量。 設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間，逆流方向的傳播時(shí)間為為t2，流體靜止時(shí)的超聲，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為波傳播速度為c，流體流，流體流動(dòng)速動(dòng)速度為度為v，vcLtvcLt2122122vcLvttt由于由于cv, 則則 tLcv22忽略忽略超聲波傳感器安裝位置一超聲波傳感器安裝位置一 超聲波傳感器安裝位置二超聲波傳感器安裝位置二 超聲波的傳輸時(shí)間：超聲波的傳輸時(shí)間： sincossincos21vcDtvcDt12ttt 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)不阻礙流體流動(dòng)的特點(diǎn)，可測(cè)的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、 高粘度的流體，還是漿狀流體， 只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測(cè)量。 超聲波流量計(jì)可用來(lái)對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、 農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。 還適用于下水道、 農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測(cè)量。 超聲波捕魚(yú)機(jī)超聲波捕魚(yú)機(jī)工作原理：利用超聲波對(duì)魚(yú)、鱉等水中一切冷血?jiǎng)游锏墓ぷ髟恚豪贸暡▽?duì)魚(yú)、鱉等水中一切冷血?jiǎng)游锏?/p>