波式和射線式傳感器

波式和射線式傳感器第1頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一基本原理：利用某種待測(cè)的非聲量與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量之間存在著的直接或間接的關(guān)系。測(cè)量對(duì)象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意圖

一、概述第一節(jié)超聲波傳感器2第2頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、超聲波及其基本特性波（動(dòng)）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。

頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波

次聲波：低于16Hz的機(jī)械波；聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波；微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波；3第3頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換和波速縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向。（固）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面）L1界面介質(zhì)1介質(zhì)22L1L2S1S2L—入射縱波；L1

—反射縱波；L2

—折射縱波

S1

—反射橫波；S2—折射橫波。

4第4頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，與自身頻率無(wú)關(guān)。在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為E—楊氏模量；—泊松比；G—剪切彈性模量。

5第5頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、超聲波的反射和折射當(dāng)波速一致時(shí)入射波′界面介質(zhì)1介質(zhì)2反射波折射波（2）折射定律c1—入射聲波速；c2—折射聲波速

（1）反射定律6第6頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、聲波的衰減

超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為P0、I0—聲波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；P、I—聲波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；—衰減系數(shù)。應(yīng)用：工件的厚度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿的濃度等。

7第7頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、超聲波與介質(zhì)的相互作用機(jī)械效應(yīng)超聲波可以引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)空化效應(yīng)一般表現(xiàn)在液體中微氣泡的振動(dòng)熱效應(yīng)

介質(zhì)吸收超聲波的能量

8第8頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、超聲波傳感器1、定義：

能夠完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。應(yīng)用：超聲波傳播時(shí)間傳感器、目標(biāo)探測(cè)、流量測(cè)量、液位測(cè)量、超聲清洗、超聲醫(yī)療等。特點(diǎn)：精度高，被測(cè)物體不受影響。

9第9頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、分類結(jié)構(gòu)：直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式

10第10頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、壓電式探頭超聲波傳感器大多數(shù)利用壓電材料制成，逆壓電效應(yīng)將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，作為接收探頭。壓電探頭主要通過(guò)壓電晶片將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

11第11頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

12第12頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、超聲波傳感器的應(yīng)用1、超聲波測(cè)厚脈沖回波法：

13第13頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一續(xù)：超聲波測(cè)厚主控制器脈沖發(fā)送電路接收電路探頭標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路計(jì)數(shù)電路

14第14頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、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(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)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(lái)探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。TRTRTR15第15頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）穿透法探傷

優(yōu)點(diǎn)：指示簡(jiǎn)單，適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測(cè)薄板。缺點(diǎn)：探測(cè)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(wú)缺陷，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。穿透法探傷原理

16第16頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）一次脈沖反射法

一次脈沖反射法探傷原理

17第17頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）多次脈沖反射法

多次脈沖反射法探傷原理

18第18頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、超聲流量計(jì)理論基礎(chǔ)：超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動(dòng)速度有關(guān)。特點(diǎn)：超聲非接觸測(cè)量；無(wú)壓力損失；適合于大型管道等。工作原理：傳播時(shí)間法、多普勒（效應(yīng)）法；波束偏移法、相關(guān)法等。

19第19頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(1)脈沖時(shí)差法測(cè)流量θvLT1T2T1、T2：皆為具有發(fā)射與接收功能的雙探頭流體流速：v超聲波速：c20第20頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一θvLT1T221第21頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)多普勒效應(yīng)法測(cè)流量**多普勒效應(yīng)：在聲源與接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，所接收到的聲信號(hào)頻率與聲源有差別，即：多普勒效應(yīng)。頻率之差，稱為多普勒頻移fd。相應(yīng)的差頻信號(hào)，稱為多普勒信號(hào)。如圖，發(fā)射頭發(fā)射頻率為f1時(shí)，超聲波經(jīng)粒子反射產(chǎn)生多普勒頻移，接收頻率為：θv發(fā)收22第22頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一θv發(fā)收23第23頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、超聲波液位計(jì)（1）自發(fā)自收式單換能器cTRLcTRL24第24頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）一發(fā)一收式雙換能器cLcTLR2aSTR2aS25第25頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液位計(jì)

26第26頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(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～1mm的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通的無(wú)線電波和光波。微波相對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波具有下列特點(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、灰塵、強(qiáng)光等的影響很?。虎萁橘|(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)。27第27頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、微波傳感器

微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。

1.反射式傳感器這種傳感器通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔來(lái)表達(dá)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。

2.遮斷式傳感器這種傳感器通過(guò)檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小，來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線間有無(wú)被測(cè)物或被測(cè)物的位置等參數(shù)。28第28頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、微波傳感器的應(yīng)用1.微波液位計(jì)

29第29頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一接收天線接收的功率Pr可表示為

d——兩天線與被測(cè)液面間的垂直距離；s——兩天線間的水平距離；

Pt、Gt——發(fā)射天線發(fā)射的功率和增益；

Gr——接收天線的增益。

30第30頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.微波物位計(jì)微波開關(guān)式物位計(jì)示意圖

31第31頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一當(dāng)被測(cè)物位低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收的功率為被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率為

32第32頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖MSA1A2T1T2PTATDD含水酒精不含水酒精3、微波濕度（水分）傳感器MS：微波源A1、A2：衰減器T1、T2：轉(zhuǎn)換器，作用是使被測(cè)量包含于微波場(chǎng)內(nèi)。PT、AT：相位與衰減測(cè)定儀33第33頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)射線式傳感器一、核輻射的物理基礎(chǔ)

1.放射性同位素凡原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表中占同一位置故稱之為同位素。原子如果不是由于外來(lái)的原因，而自發(fā)的產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化稱為核衰變，具有核衰變性質(zhì)的同位素，叫做放射性同位素。

放射性元素從N0個(gè)原子衰變到N0/2個(gè)原子所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為半衰期。

34第34頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.核輻射

放射性同位素在衰變過(guò)程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。其放出的粒子或射線有

(1)α粒子

(2)β粒子

(3)γ射線35第35頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.核輻射與物質(zhì)的相互作用

核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離、吸收和反射。電離是帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式。一個(gè)粒子在每厘米路徑上生成離子對(duì)的數(shù)目，稱為比電離。帶電粒子在物質(zhì)中穿行，其能量逐漸耗盡而停止，其穿行的一段直線距離叫粒子的射程。36第36頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

輻射在穿過(guò)物質(zhì)層后，其能量強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，可表示為I0——入射到吸收體的輻射通量的強(qiáng)度；I——穿過(guò)厚度為h(單位為cm)的吸收層后的輻射通量強(qiáng)度；

——線性吸收系數(shù)。

比值μ/ρ(ρ是密度)叫做質(zhì)量吸收系數(shù)，常用表示。

37第37頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二、射線式傳感器射線式傳感器主要由放射源和探測(cè)器組成。

1.放射源

利用射線式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要有可發(fā)射出α、β粒子或γ射線放射源（也稱輻射源）。選擇射線源應(yīng)以盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差為原則。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。

38第38頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一放射源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量方向射出，而其他方向則必須使射線的劑量盡可能小，以減少對(duì)人體的危害。β放射源一般為圓盤狀，γ射線輻射源一般為絲狀、圓柱狀或圓片狀。β厚度計(jì)放射源容器如圖放射源容器圖39第39頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.探測(cè)器

探測(cè)器就是核輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)管。

(1)電離室圖為電離室工作原理圖

40第40頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器的示意圖如下41第41頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

它由閃爍晶體（簡(jiǎn)稱閃爍體）和光電倍增管組成。當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，使閃爍晶體的原子受激發(fā)光，光透過(guò)閃爍晶體射到光電倍增管用的光陰極上打出光電子并在倍增管中倍增，在陽(yáng)極上形成電流脈沖，最后被電子儀器記錄下來(lái)，這就是閃爍計(jì)數(shù)器記錄粒子的基本過(guò)程。42第42頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)蓋革計(jì)數(shù)管

蓋革計(jì)數(shù)管結(jié)構(gòu)如圖

它是一個(gè)密封玻璃管1，中間一條鎢絲2為工作陽(yáng)極，在玻璃管內(nèi)壁涂上一層導(dǎo)電物質(zhì)或另放一金屬圓筒3作為陰極。管內(nèi)抽空后充氣，充入氣體由兩部分組成，主要是惰性氣體如氬、氖等，另一部分是加入有機(jī)物(如乙醚、乙醇等)。充進(jìn)有機(jī)物的叫有機(jī)物計(jì)數(shù)管；充入鹵素的叫鹵素計(jì)數(shù)管。由于鹵素計(jì)數(shù)管壽命長(zhǎng)，工作電壓低，因而應(yīng)用較廣泛。

43第