檢測與傳感第十章演示文稿

現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期四檢測與傳感第十章現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期四6.色敏傳感器工作原理和測量步驟

不同的結深區(qū)域對不同波長的光具有不同的靈敏度來識別入射光的波長（顏色）的。Step1:對該色敏器件進行標定Step2:根據(jù)標定的曲線，實測出某一單色光時的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。7.應用氣敏傳感器——實用酒精測試儀濕敏傳感器——直讀式濕度計色敏傳感器——彩色信號處理電路上節(jié)內(nèi)容復習聲波的頻率范圍(16~2×104Hz)次聲波、超聲波第10章超聲波傳感器2.分類：縱波、橫波、表面波（橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%）3.超聲波反射系數(shù)R與折射系數(shù)T(超聲波在兩種特性阻抗差別較大的界面時，將發(fā)生全反射)4.超聲波的衰減：聲壓、聲強5.引起衰減的原因：擴散衰減、散射衰減、吸收衰減現(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期四10.1超聲波及其物理性質10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應用1.物位傳感器2.流量傳感器1.定義2.分類(結構)第10章超聲波傳感器3.超聲波測厚4.超聲波探傷5.倒車雷達6.便攜式超聲波探魚器7.超聲波在醫(yī)學檢查中的應用8.超聲波清洗原理及清洗器現(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期四10.2超聲波傳感器1.定義

利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應而研制的裝置。（超聲波換能器、探測器）2.超聲波的分類

按工作原理壓電式磁致伸縮式電磁式

按結構分為單晶直探頭、雙晶直探頭、斜探頭、雙探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等?，F(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期四

壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

正壓電效應是將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭；逆壓電效應將高頻電信號轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭

（1）壓電式現(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期四

超聲波探頭結構如圖所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電式超聲波傳感器結構保護膜的作用：是為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片；可用三氧化二鋁（鋼玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼塊的作用：是降低晶片的機械品質，吸收超聲波的能量。（如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差）；阻尼吸收塊用鎢粉、環(huán)氧樹脂等澆注。現(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期四

磁致伸縮波導絲，作為磁致伸縮傳感器中的核心部件，其飽和磁化強度較高，力學性能好，具有應變值高、電（磁）-----機械波轉換能力強的優(yōu)點，能將微小的磁場向量變化轉變?yōu)闄C械波，在液位測量中起著關鍵的作用。理論上，可對材料居里點100℃以下范圍內(nèi)的液體液位進行精確測量。（2）磁致伸縮式【注】主要用于液位的測量（磁致伸縮液位計）現(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期四液位測量精度達0.1mm扭轉波脈沖（機械波）

工作時，傳感器電路部分將在波導絲上激勵出脈沖電流，該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產(chǎn)生脈沖電流磁場。磁致伸縮液位計測桿外配有一浮子，此浮子可以沿測桿隨液位的變化而上下移動，在浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。

當脈沖電流磁場與浮子磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相遇時，浮子周圍的磁場發(fā)生改變，從而使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產(chǎn)生一個扭轉波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置?，F(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期四

應用領域主要有：工業(yè)現(xiàn)場液位測量與控制，油罐藥罐液位測量，食品飲料液罐控制，大壩水位監(jiān)控，飲用水和污水處理等?，F(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期四（3）單晶直探頭單晶是指超聲波的發(fā)射和接收均是利用同一塊晶片

雖然超聲波的發(fā)射和接收利用同一塊晶片，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)，必須用電子開關來切換這兩種不同的狀態(tài)。

直探頭是指波垂直入射到被檢介質現(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期四各種超聲波單晶直探頭

外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損保護膜接插件常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（波垂直入射到被檢介質）現(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期四（4）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、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。

雙晶探頭的結構雖然復雜些，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。與單晶直探頭對比：現(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期四各種雙晶直探頭直徑范圍：5~40mm頻率范圍：2.5~5MHz現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期四

壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機玻璃斜楔塊上，當斜楔塊與不同材料的被測介質（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，而傳播到較遠處去。底部耐磨材料接插件（5）斜探頭現(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期四各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz現(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期四（6）聚焦探頭（7）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。

聚焦探頭可以分辨試件中細小的缺陷，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波?，F(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期四（8）空氣傳導型探頭

空氣傳導型超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設置的，對兩者的技術要求不同：發(fā)射器的發(fā)射效率高，方向性好；接收器需要接收效率高，抗噪性能好?？諝鈧鲗У某暟l(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達幾米至幾十米?？諝獬曁筋^外形現(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期四【注】超聲波探頭耦合劑

一般不能直接將超聲波傳感器放在被測介質（特別是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損。空氣的密度很小，將引起3個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減。常用的耦合劑有水、機油、甘油、羧甲基纖維素鈉、水玻璃、膠水、化學漿糊等。耦合劑的厚度應盡量薄一些，以減小耦合損耗。耦合劑現(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期四10.3超聲波傳感器應用（2）分類根據(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：單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器；雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。1超聲波物位傳感器（1）原理利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量?，F(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期四

左圖給出了幾種超聲物位傳感器的結構示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體介質中，讓超聲波在液體介質中傳播，如圖（a）所示。

幾種超聲物位傳感器的結構原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播

超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖（b）所示。這種方式便于安裝和維修。超聲波在空氣中的衰減比液體中嚴重（超聲波在空氣中的衰減系數(shù)大）eg：頻率為106Hz的超聲波在離開聲源以后，在空氣中經(jīng)過0.5m距離，其強度就要減弱一半；在水中傳播，要經(jīng)過500m的距離后才使強度減弱一半?，F(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期四

對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則h——換能器距液面的距離； c——超聲波在介質中傳播的速度

對于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而因此液位高度為S——超聲波從反射點到換能器的距離；a——兩探頭間距離的一半只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，便可求得待測的物位現(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期四

精度高，使用壽命長；受液體中氣泡或液面波動影響嚴重（一般下，測量誤差為±0.1%，檢測物位的范圍為10-2~104m）超聲波物位傳感器的特點：現(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期四2超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定方法有很多，最常用的是傳播時間差法。

原理：由于超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點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。現(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期四F1發(fā)射的超聲波到達

F2的時間較短現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期四

發(fā)射、接收探頭安裝在管道同一側現(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期四

如果在流體中設置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖所示。設順流方向的傳播時間為t1，逆流方向的傳播時間為t2，流體靜止時的超聲波傳播速度為c。假設管道內(nèi)流體的流動速度為v，則則超聲波傳播時間差為：由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即現(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期四超聲波傳感器安裝位置

若超聲波探頭的安裝位置上右圖所示，則超聲波的傳輸時間將由下式確定：現(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期四同側式超聲波流量計的使用現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期四超聲波流量計現(xiàn)場使用現(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期四

超聲波測厚常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，經(jīng)放大后激勵壓電式探頭，產(chǎn)生重復的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速υ是已知的，設工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為：3．超聲波測厚δ=υt/2現(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期四

從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時間間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表?，F(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期四手持式超聲波測厚儀現(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期四手持式超聲波測厚儀（續(xù)）現(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期四金屬構件測厚現(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期四某超聲波測厚儀指標

顯示方法∶128×32LCD點陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測量周期：2次/s

自動關機時間：90s

電源：二節(jié)七號（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72h

使用溫度：-10~40℃

存儲溫度：-20~70℃

外形尺寸：108×61×25mm

重量：230g（含電池）現(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期四混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚石料測厚現(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期四利用空氣傳導的超聲波發(fā)射器向下發(fā)射一個短時脈沖，另一個空氣傳導的超聲波探頭接收到反射波后并經(jīng)放大后，立即響應中斷，處理中斷子程序。計算出發(fā)射到接收的時間t，按右式計算出探頭與人體頭部之間的距離x，就可以得到人的身高h。應變傳感器安裝在腳底部的踏板上。超聲波非接觸式測量人體身高xh現(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期四踏板內(nèi)安裝有壓力傳感器壓板內(nèi)安裝有壓電傳感器，以判斷是否觸及頭部測量柱內(nèi)安裝有電動機位移傳感器身高；1.6m體重：70kg

超重！和這個原理一樣嗎？現(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期四4.超聲波探傷穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質量。

反射法探傷反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期四（1）穿透法探傷

優(yōu)點：適用于自動探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測薄板。缺點：探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對兩探頭的相對位置要求較高。穿透法探傷原理

現(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期四（2）脈沖反射法

脈沖反射法探傷原理現(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期四反射法超聲波探傷原理動畫起始波缺陷反射波底波工件缺陷現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期四手推鋼軌探傷車現(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期四手推鋼軌探傷車（續(xù)）現(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期四高速鋼軌探傷車

超聲波鋼軌探傷車是聯(lián)邦德國克勞特克萊默公司于1956年試制成功的。這種車輛利用超聲波法進行鋼軌傷損探測，能夠探測鋼軌的疲勞缺陷和焊接缺陷，有的還能檢測擦傷、軌頭壓潰和波浪形磨耗。這種車輛裝有自動記錄設備，能把鋼軌傷損信號、里程信號和線路特征信號記錄在同一紙帶或膠片上。根據(jù)記錄可分析確定傷損的大小和在鋼軌內(nèi)的位置，也可確定傷損所在的線路里程。此外，根據(jù)連續(xù)二次的記錄還可確定鋼軌傷損的發(fā)展速度和發(fā)展規(guī)律。

常用的檢測行車速度：每小時30～50公里最佳靈敏度：直徑3毫米的鉆孔現(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期四

構件的超聲探傷裂紋現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期四構件的超聲探傷現(xiàn)在是48頁\一共有54頁\編輯于星期四例題:已知超聲波在鋼中的傳播速度為5900m/s，顯示器的X