檢測(cè)與傳感第十章

第1頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上節(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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的探測(cè)器件第9章半導(dǎo)體傳感器光敏：檢測(cè)光的強(qiáng)度；色敏：測(cè)量光的波長(zhǎng)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(zhǎng)變化曲線：量子效率隨波長(zhǎng)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第2頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.色敏傳感器工作原理和測(cè)量步驟

不同的結(jié)深區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)的光具有不同的靈敏度來識(shí)別入射光的波長(zhǎng)（顏色）的。Step1:對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定Step2:根據(jù)標(biāo)定的曲線，實(shí)測(cè)出某一單色光時(shí)的短路電流比值，即可確定該單色光的波長(zhǎng)。7.應(yīng)用氣敏傳感器——實(shí)用酒精測(cè)試儀濕敏傳感器——直讀式濕度計(jì)色敏傳感器——彩色信號(hào)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(shí)，將發(fā)生全反射)4.超聲波的衰減：聲壓、聲強(qiáng)5.引起衰減的原因：擴(kuò)散衰減、散射衰減、吸收衰減第3頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)厚4.超聲波探傷5.倒車?yán)走_(dá)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第4頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10.2超聲波傳感器1.定義

利用超聲波在超聲場(chǎng)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(cè)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。第5頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭；逆壓電效應(yīng)將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭

（1）壓電式第6頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(hù)膜、引線等組成。壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)保護(hù)膜的作用：是為了避免傳感器與被測(cè)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(jī)械品質(zhì)，吸收超聲波的能量。（如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號(hào)停止時(shí)，晶片將會(huì)繼續(xù)振蕩，加長(zhǎng)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。第7頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(qiáng)度較高，力學(xué)性能好，具有應(yīng)變值高、電（磁）-----機(jī)械波轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能將微小的磁場(chǎng)向量變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械波，在液位測(cè)量中起著關(guān)鍵的作用。理論上，可對(duì)材料居里點(diǎn)100℃以下范圍內(nèi)的液體液位進(jìn)行精確測(cè)量。（2）磁致伸縮式【注】主要用于液位的測(cè)量（磁致伸縮液位計(jì)）第8頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液位測(cè)量精度達(dá)0.1mm扭轉(zhuǎn)波脈沖（機(jī)械波）

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

當(dāng)脈沖電流磁場(chǎng)與浮子磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相遇時(shí)，浮子周圍的磁場(chǎng)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(gè)扭轉(zhuǎn)波脈沖，這個(gè)脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回并由檢出機(jī)構(gòu)檢出。通過測(cè)量脈沖電流與扭轉(zhuǎn)波的時(shí)間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。第9頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)用領(lǐng)域主要有：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位測(cè)量與控制，油罐藥罐液位測(cè)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。第10頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)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)第11頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種超聲波單晶直探頭

外殼用金屬制作，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)）第12頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）雙晶直探頭

由兩個(gè)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。

雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲波信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。與單晶直探頭對(duì)比：第13頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種雙晶直探頭直徑范圍：5~40mm頻率范圍：2.5~5MHz第14頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，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）斜探頭第15頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種接觸式斜探頭常用頻率范圍：1~5MHz第16頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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。第17頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)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(dá)幾米至幾十米?？諝獬曁筋^外形第18頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【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(cè)介質(zhì)（特別是粗糙金屬）表面來回移動(dòng)，以防磨損?？諝獾拿芏群苄?，將引起3個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對(duì)超聲波造成很大的衰減。常用的耦合劑有水、機(jī)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。耦合劑第19頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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：?jiǎn)螕Q能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器；雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)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(gè)時(shí)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(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。第20頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(qiáng)度就要減弱一半；在水中傳播，要經(jīng)過500m的距離后才使強(qiáng)度減弱一半。第21頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)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(shí)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(duì)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(diǎn)到換能器的距離；a——兩探頭間距離的一半只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可求得待測(cè)的物位第22頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

精度高，使用壽命長(zhǎng)；受液體中氣泡或液面波動(dòng)影響嚴(yán)重（一般下，測(cè)量誤差為±0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10-2~104m）超聲波物位傳感器的特點(diǎn)：第23頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定方法有很多，最常用的是傳播時(shí)間差法。

原理：由于超聲波在流體中傳播時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)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。第24頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月F1發(fā)射的超聲波到達(dá)

F2的時(shí)間較短第25頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)射、接收探頭安裝在管道同一側(cè)第26頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

如果在流體中設(shè)置兩個(gè)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(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，其距離為L(zhǎng),如圖所示。設(shè)順流方向的傳播時(shí)間為t1，逆流方向的傳播時(shí)間為t2，流體靜止時(shí)的超聲波傳播速度為c。假設(shè)管道內(nèi)流體的流動(dòng)速度為v，則則超聲波傳播時(shí)間差為：由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即第27頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)間將由下式確定：第28頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同側(cè)式超聲波流量計(jì)的使用第29頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用第30頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后激勵(lì)壓電式探頭，產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測(cè)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(shí)間間隔t可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為：3．超聲波測(cè)厚δ=υt/2第31頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時(shí)間間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。第32頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月手持式超聲波測(cè)厚儀第33頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月手持式超聲波測(cè)厚儀（續(xù)）第34頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬構(gòu)件測(cè)厚第35頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月某超聲波測(cè)厚儀指標(biāo)

顯示方法∶128×32LCD點(diǎn)陣液晶顯示（帶背光）

顯示位數(shù)：四位

測(cè)量范圍：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

聲速范圍：1000~9999m/s

測(cè)量周期：2次/s

自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間：90s

電源：二節(jié)七號(hào)（AAA）電池，可連續(xù)工作不少于72h

使用溫度：-10~40℃

存儲(chǔ)溫度：-20~70℃

外形尺寸：108×61×25mm

重量：230g（含電池）第36頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴木料測(cè)厚石料測(cè)厚第37頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月利用空氣傳導(dǎo)的超聲波發(fā)射器向下發(fā)射一個(gè)短時(shí)脈沖，另一個(gè)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(jì)算出發(fā)射到接收的時(shí)間t，按右式計(jì)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(cè)量人體身高xh第38頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月踏板內(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(cè)量柱內(nèi)安裝有電動(dòng)機(jī)位移傳感器身高；1.6m體重：70kg

超重！和這個(gè)原理一樣嗎？第39頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。第40頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）穿透法探傷

優(yōu)點(diǎn)：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

第41頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）脈沖反射法

脈沖反射法探傷原理第42頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反射法超聲波探傷原理動(dòng)畫起始波缺陷反射波底波工件缺陷第43頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月手推鋼軌探傷車第44頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月手推鋼軌探傷車（續(xù)）第45頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高速鋼軌探傷車

超聲波鋼軌探傷車是聯(lián)邦德國(guó)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(jìn)行鋼軌傷損探測(cè)，能夠探測(cè)鋼軌的疲勞缺陷和焊接缺陷，有的還能檢測(cè)擦傷、軌頭壓潰和波浪形磨耗。這種車輛裝有自動(dòng)記錄設(shè)備，能把鋼軌傷損信號(hào)、里程信號(hào)和線路特征信號(hào)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(cè)行車速度：每小時(shí)30～50公里最佳靈敏度：直徑3毫米的鉆孔第46頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

構(gòu)件的超聲探傷裂紋第47頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件的超聲探傷第48頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題: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(cè)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。第49頁(yè)，課件共56頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解：1)B波與T波的時(shí)間間隔為tδ=6×10s=60s；tF=2×10s=20s