檢測與傳感第十章

上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)1.色敏傳感器的定義基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的探測器件第9章半導(dǎo)體傳感器光敏：檢測光的強度；色敏：測量光的波長2.色敏與光敏的區(qū)別3.分類：可見光傳感器、單色彩傳感器、集成性全色彩傳感器4.光電二極管的兩幅特性圖吸收系數(shù)隨光波長變化曲線：量子效率隨波長的變化曲線紫外部分吸收系數(shù)大，穿透深度??；紅外部分吸收系數(shù)小，穿透深度大淺的PN結(jié)有較好的紫光靈敏度深的PN結(jié)有較好的紅外靈敏度目前一頁\總數(shù)五十五頁\編于二點6.色敏傳感器工作原理和測量步驟不同的結(jié)深區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL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(biāo)定Step2:根據(jù)標(biāo)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(yīng)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(fù)習(xí)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、吸收衰減目前二頁\總數(shù)五十五頁\編于二點10.1超聲波及其物理性質(zhì)10.2超聲波傳感器10.3超聲波傳感器應(yīng)用1.物位傳感器2.流量傳感器1.定義2.分類(結(jié)構(gòu))第10章超聲波傳感器3.超聲波測厚4.超聲波探傷5.倒車?yán)走_6.便攜式超聲波探魚器7.超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用8.超聲波清洗原理及清洗器目前三頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)探頭以及其他專用探頭等。目前四頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(yīng)來工作的。超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片正壓電效應(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭；逆壓電效應(yīng)將高頻電信號轉(zhuǎn)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）壓電式目前五頁\總數(shù)五十五頁\編于二點超聲波探頭結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)，吸收超聲波的能量。（如果沒有阻尼塊，當(dāng)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。目前六頁\總數(shù)五十五頁\編于二點

磁致伸縮波導(dǎo)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(xué)性能好，具有應(yīng)變值高、電（磁）-----機械波轉(zhuǎn)換能力強的優(yōu)點，能將微小的磁場向量變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械波，在液位測量中起著關(guān)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）目前七頁\總數(shù)五十五頁\編于二點液位測量精度達0.1mm扭轉(zhuǎn)波脈沖（機械波）工作時，傳感器電路部分將在波導(dǎo)絲上激勵出脈沖電流，該電流沿波導(dǎo)絲傳播時會在波導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)絲在浮子所在的位置產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回并由檢出機構(gòu)檢出。通過測量脈沖電流與扭轉(zhuǎn)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。目前八頁\總數(shù)五十五頁\編于二點應(yīng)用領(lǐng)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。目前九頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（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(guān)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(zhì)目前十頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(zhì)）目前十一頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（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(jié)構(gòu)雖然復(fù)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：目前十二頁\總數(shù)五十五頁\編于二點各種雙晶直探頭直徑范圍：5~40mm頻率范圍：2.5~5MHz目前十三頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(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（5）斜探頭目前十四頁\總數(shù)五十五頁\編于二點各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz目前十五頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（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(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。聚焦探頭可以分辨試件中細(xì)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(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。目前十六頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（8）空氣傳導(dǎo)型探頭空氣傳導(dǎo)型超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，對兩者的技術(shù)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?dǎo)的超聲發(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^外形目前十七頁\總數(shù)五十五頁\編于二點【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(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動，以防磨損?？諝獾拿芏群苄?，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(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。耦合劑目前十八頁\總數(shù)五十五頁\編于二點10.3超聲波傳感器應(yīng)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(dān)任。1超聲波物位傳感器（1）原理利用超聲波在兩種介質(zhì)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。目前十九頁\總數(shù)五十五頁\編于二點左圖給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖（a）所示。

幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)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(yán)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。目前二十頁\總數(shù)五十五頁\編于二點對于單換能器來說，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(zhì)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目前二十一頁\總數(shù)五十五頁\編于二點精度高，使用壽命長；受液體中氣泡或液面波動影響嚴(yán)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：目前二十二頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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。目前二十三頁\總數(shù)五十五頁\編于二點F1發(fā)射的超聲波到達F2的時間較短目前二十四頁\總數(shù)五十五頁\編于二點發(fā)射、接收探頭安裝在管道同一側(cè)目前二十五頁\總數(shù)五十五頁\編于二點如果在流體中設(shè)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(shè)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(shè)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，即目前二十六頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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：目前二十七頁\總數(shù)五十五頁\編于二點同側(cè)式超聲波流量計的使用目前二十八頁\總數(shù)五十五頁\編于二點超聲波流量計現(xiàn)場使用目前二十九頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(fù)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(shè)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目前三十頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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。目前三十一頁\總數(shù)五十五頁\編于二點手持式超聲波測厚儀目前三十二頁\總數(shù)五十五頁\編于二點手持式超聲波測厚儀（續(xù)）目前三十三頁\總數(shù)五十五頁\編于二點金屬構(gòu)件測厚目前三十四頁\總數(shù)五十五頁\編于二點某超聲波測厚儀指標(biāo)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(guān)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）目前三十五頁\總數(shù)五十五頁\編于二點混凝土測厚木材測厚小提琴木料測厚石料測厚目前三十六頁\總數(shù)五十五頁\編于二點利用空氣傳導(dǎo)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(dǎo)的超聲波探頭接收到反射波后并經(jīng)放大后，立即響應(yīng)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(yuǎn)。應(yīng)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目前三十七頁\總數(shù)五十五頁\編于二點踏板內(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？目前三十八頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(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探測工件內(nèi)部是否有缺陷。目前三十九頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（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

目前四十頁\總數(shù)五十五頁\編于二點（2）脈沖反射法

脈沖反射法探傷原理目前四十一頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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目前四十二頁\總數(shù)五十五頁\編于二點手推鋼軌探傷車目前四十三頁\總數(shù)五十五頁\編于二點手推鋼軌探傷車（續(xù)）目前四十四頁\總數(shù)五十五頁\編于二點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(shè)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毫米的鉆孔目前四十五頁\總數(shù)五十五頁\編于二點構(gòu)件的超聲探傷裂紋目前四十六頁\總數(shù)五十五頁\編于二點構(gòu)件的超聲探傷目前四十七頁\總數(shù)五十五頁\編于二點例題:已知超聲波在鋼中的傳播速度為5900m/s，顯示器的X軸為10s/div(格)?，F(xiàn)測得B波與T波的距離為6格，F(xiàn)波與T波的距離為2格。求：1）t

及tF；2）鋼板的厚度

及缺陷與表面的距離xF。目前四十八頁\總數(shù)五十五頁\編于二點解：1)B波與T波的時間間隔為tδ=6×10s=60s；tF=2×10s=20s2)鋼板的厚度