傳感器技術(shù)與應(yīng)用第九章課件

1、2022/7/241第9章 波式傳感器2022/7/242引言超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。2022/7/2439.1超聲波及其物理性質(zhì)1超聲波的概念和波形機(jī)械振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的

2、傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng) 9.1.1 超聲波的基本概念 2022/7/244聲波頻率的界限劃分2022/7/245聲波的分類1.次聲波 次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，78Hz的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動。2022/7/2462.可聞聲波 美妙的音樂可使人陶醉。2022/7/2473.超聲波 蝙蝠

3、能發(fā)出和聽見超聲波。2022/7/248 超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。超聲波霧化器超聲波加濕器2022/7/249聲波的波型 （1）縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波。（2）橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波。（3）表面波質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。 2022/7/2410縱波2022/7/2411橫波 2022/7/2412表面波2022/7/24132.聲速、波長與指向性 （1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)

4、的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗 。介質(zhì)的聲阻抗Z 等于介質(zhì)的密度和聲速c的乘積，即Z=c 2022/7/2414常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0） 材 料密度(103kgm-1)聲阻抗Z（103MPas -1）縱波聲速cL（km/ s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空氣0.00130.00040.342022/7/2415（2）波長超聲波的波長與頻率f乘積恒等于聲速c，即 f =c 2022/

5、7/2416（3）指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。 1超聲源 2軸線 3指向角 4等強(qiáng)度線2022/7/2417指向角與超聲源的直徑D、以及波長之間的關(guān)系為sin= 1.22/D 設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)式（可得=4o，可見該超聲波的指向性是十分尖銳的。2022/7/24183.超聲波的反射和折射 超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射波，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射波。這樣的兩種

6、情況分別稱之為聲波的反射和折射， 2022/7/2419波的反射和折射 2022/7/2420（1）反射定律入射角 的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時，入射角 等于反射角。（2）折射定律入射角 的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波所處介質(zhì)的波速c1與在折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即sin / sin = c1 / c2 2022/7/24214.超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與超聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。 超聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，在理想介質(zhì)中，聲波的

7、衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 2022/7/24229.2 微波傳感器 微波傳感器的基本原理是根據(jù)微波的傳播特性（反射、透射、散射、干涉等）以及被測材料的電磁特性(介電常數(shù)和損耗角正切)，通過對微波基本參數(shù)的測量，實現(xiàn)對物理量的感知。因此在學(xué)習(xí)微波傳感器之前，先對微波的相關(guān)知識作一個簡單的介紹，以更好地掌握和使用微波傳感器來檢測相應(yīng)的物理量。2022/7/24239.2.1 微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 1、微波頻段的劃分波 段頻率范

8、圍/GHz在真空中波長/cmL0.3901.55076.919.3S1.5505.20019.35.77X5.20010.9005.772.75K10.90036.0002.750.834Q36.00046.0000.8340.652V46.00056.0000.6520.536W56.000100.0000.5360.300微波以波的形式向四周輻射，當(dāng)波長遠(yuǎn)小于物體尺寸時，微波具有似光性；當(dāng)波長和物體尺寸有相同數(shù)量級時，微波又有近于聲學(xué)的特性。 2022/7/24249.2.1 微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 2、微波的傳播特性在電磁性能不同的兩介質(zhì)界面處，微波的反射和折射定律本質(zhì)上與可見光的反射和折射相

9、同。 2022/7/24259.2.1 微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 3、介質(zhì)的電磁特性(1)、微波的頻率較高，傳播指向性強(qiáng)；(2)、微波的波長短，因此遇到各種障礙物容易被反射；(3)、微波的穿透力較強(qiáng)，不易受環(huán)境因素影響，例如煙霧、灰塵、強(qiáng)光等；(4)、介質(zhì)對微波的吸收作用與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，其中水對微波的吸收作用最強(qiáng)。 2022/7/24269.2.2 微波振蕩器與微波天線 微波的產(chǎn)生也來自于振蕩器。組成振蕩器中振蕩回路中的電子元器件主要有速調(diào)管、磁控管、某些固態(tài)器件以及一些量值很小的電感、電容等。 2022/7/24279.2.2 微波振蕩器與微波天線 常見微波天線結(jié)構(gòu)示意圖 2022/7/242

10、89.2.3 微波傳感器及其分類類別測量參數(shù)特點(diǎn)空間波式微波在自由空間的反射、吸收、衍射等參數(shù)的變化結(jié)構(gòu)簡單波導(dǎo)式微波在波導(dǎo)中傳輸時的反射、吸收特性以及介質(zhì)變化等對傳導(dǎo)波的影響靈敏度高，體積小 諧振腔式諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)隨腔體尺寸或腔中填充物的變化精度高2022/7/24299.2.3 微波傳感器及其分類微波傳感器的基本構(gòu)成框圖 2022/7/24309.2.3 微波傳感器及其分類微波傳感器的基本構(gòu)成框圖 2022/7/2431各種微波探頭 （以下參考常州市常超檢測設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：0.510MHz，常見晶片直徑：530mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)） 外殼用金屬制作，

11、保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。 保護(hù)膜接插件2022/7/2432超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片 將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。2022/7/24331.單晶直探頭 用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭），壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護(hù)膜用于防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜可以用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼

12、吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。2022/7/2434 超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意 1接插件 2外殼 3阻尼吸收塊 4引線 5壓電晶體 6保護(hù)膜7隔離層 8延遲塊 9有機(jī)玻璃斜楔塊 10試件 11耦合劑2022/7/2435超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。 2022/7/24362.雙晶直探頭 由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)

13、玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。 2022/7/2437各種雙晶直探頭 焦距范圍：540mm, 頻率范圍：2.55MHz，鋼中折射角：45 70 2022/7/24383.斜探頭 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。 2022/7/2439

14、接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭） 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件2022/7/2440各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：15MHz2022/7/2441接觸法雙晶斜探頭（續(xù)）2022/7/24424.聚焦探頭 分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，還可利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超

15、聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。 2022/7/24435.箔式探頭 利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細(xì)聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。2022/7/24446.空氣傳導(dǎo)型探頭 超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同， 發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率。空氣傳導(dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達(dá)幾米至幾十米。2022/7/2445空氣傳導(dǎo)型超

16、聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)示意圖 1外殼 2金屬絲網(wǎng)罩 3錐形共振盤 4壓電晶體片5引腳 6阻抗匹配器 7超聲波束2022/7/2446空氣超聲探頭（續(xù)） 2022/7/2447空氣超聲探頭外形2022/7/2448空氣超聲探頭外形（續(xù)）2022/7/24499.2.5 微波傳感器的應(yīng)用微波測濕技術(shù)的主要方法是單參量衰減法及反射法。即在自由空間中，根據(jù)被測材料吸收微波能量的大小與被測材料含水量間的關(guān)系，利用電磁波穿透或反射的測量方法，測得接收端微波的信號的衰減量或相移，進(jìn)而可得被測材料的含水量。1.微波濕度(水分)傳感器2022/7/24509.2.5 微波傳感器的應(yīng)用1）測試方法1：穿透式微波測濕傳

17、感器1.微波濕度(水分)傳感器2022/7/24519.2.5 微波傳感器的應(yīng)用2）測試方法2：反射式微波測濕傳感器1.微波濕度(水分)傳感器2022/7/24529.2.5 微波傳感器的應(yīng)用微波液位計的原理 2.微波液位計2022/7/24539.2.5 微波傳感器的應(yīng)用微波物位計的原理如圖所示。當(dāng)被測物體位置較低時，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收。經(jīng)檢波、放大與設(shè)定電壓比較后。發(fā)出物位正常信號。當(dāng)被測物位升高到天線所在高度時，微波信號能量的一部分將被物體吸收。另一部分將被反射，因此接收天線接收到的微波功率將相應(yīng)減弱，這樣接受到的信號在與設(shè)定電壓比較時，將會低于設(shè)定電壓值，因此電壓比較器將會發(fā)出被測物體位置