傳感檢測技術

傳感技術與智能儀器SensingTechnologyandIntelligentInstrument

朱啟兵zhuqib@163.com傳感技術與智能儀器第13章傳感檢測技術紅外檢測1.2超聲檢測13.113.2激光檢測13.3微波檢測13.413.1.1超聲波傳感器的工作原理

13.1.2超聲波傳感器的應用

第13章傳感檢測技術超聲波傳感器13.1.1超聲波傳感器的工作原理第13章傳感檢測技術1.超聲波及其物理性質波動（簡稱波）：振動在彈性介質內的傳播聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波次聲波：低于16Hz的機械波超聲波：高于2×104Hz的機械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波圖13.1聲波的頻率界限圖

第13章傳感檢測技術超聲波的波型超聲波的傳播速度超聲波的反射和折射超聲波的衰減

第13章傳感檢測技術2.超聲波的波形及其轉換縱波-——質點振動方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播；

橫波——質點振動方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播；

表面波——質點的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質點振動的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

第13章傳感檢測技術超聲波的波型

縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質的彈性常數(shù)及介質密度。氣體和液體中只能傳播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900～1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關系，通?？烧J為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90％。

第13章傳感檢測技術超聲波的傳播速度氣體和液體固體圖13.2超聲波的反射和折射

第13章傳感檢測技術超聲波的反射和折射和波形轉換

聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關系：式中:

、

——聲波在距聲源x處的聲壓和聲強；

、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù)。

超聲波的衰減和超聲波的頻率和材料的介質密度有關。第13章傳感檢測技術固體和液體的介質密度大，故衰減也大。頻率高，衰減也大壓電式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器13.1.2超聲波傳感器的工作原理第13章傳感檢測技術

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

壓電式超聲波傳感器第13章傳感檢測技術圖13.3壓電式超聲波傳感器結構圖

第13章傳感檢測技術壓電式超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強可達幾十W／cm2。

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應原理來工作的。磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機械尺寸的交替變化即機械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當超聲波作用在磁致伸縮材料上時，引起材料伸縮，從而導致它的內部磁場（即導磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應電動勢。此電勢送到測量電路，最后記錄或顯示出來。磁致伸縮式超聲波傳感器第13章傳感檢測技術磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內，但功率可達十萬W，聲強可達幾千W／cm2，能耐較高的溫度。超聲波測厚超聲波測物位超聲波測流量超聲波探傷

第13章傳感檢測技術13.1.2超聲波傳感器的應用圖13.4脈沖回波法檢測厚度工作原理第13章傳感檢測技術(d)

(c)

(b)

(a)

圖13.5幾種超聲波檢測物位工作原理

超聲波測物位液體中有其他成分的存在及溫度的不均勻都會使超聲波速度發(fā)生變化，引起測量的誤差，故在精密測量時，要考慮采取補償措施第13章傳感檢測技術

超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點，從而求得流體的流速和流量。時差法測流量

相位差法測流量

頻率差法測流量

圖13.6超聲波測流體流量工作原理

超聲波測流量第13章傳感檢測技術穿透法探傷：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。超聲波探傷第13章傳感檢測技術優(yōu)點：指示簡單，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。圖13.7穿透法探傷原理

穿透法探傷第13章傳感檢測技術當工件內有缺陷時，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化，就可以把工件內部缺陷檢測出來。圖13.8一次脈沖反射法探傷原理一次脈沖反射法第13章傳感檢測技術由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大小；由缺陷波的形狀，可分析缺陷的性質。當缺陷面積大于聲束截面時，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當工件無缺陷時，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。圖13.9多次脈沖反射法探傷原理第13章傳感檢測技術多次脈沖反射法第13章傳感檢測技術13.2紅外傳感器紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內部分子的轉動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16℃)時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。紅外輻射本質上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度（－273℃），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉化成熱能。溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長，就可以達到測量的目的。

紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積。一、紅外輻射第13章傳感檢測技術第13章傳感檢測技術物體溫度與輻射功率的關系斯蒂芬-玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律即：物體輻射強度W與其熱力學溫度的四次方成正比

式中：W——單位面積輻射功率，W·mσ；

σ——斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T——熱力學溫度，K；

ε——比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。第13章傳感檢測技術任何溫度下能全部吸收任何波長輻射的物體稱為黑體，即ε＝1黑體的熱輻射能力比其他物體強一般物體的ε<1，即：不能全部吸收投射到它表面的輻射功率，發(fā)射熱輻射的能力也小于黑體，稱為灰體黑體是理想物體一般物體雖不等于黑體，但輻射強度與熱力學溫度的四次方成正比物體輻射強度隨溫度升高而明顯地增強第13章傳感檢測技術維恩維移定律

紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。第13章傳感檢測技術

二、紅外探測器

1.熱探測器

熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。

第13章傳感檢測技術熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應時間長，約10-3s量級。任何波長的紅外輻射，只要功率相同，對物體的加熱效果也相同熱敏探測器對各種輻射波長有基本相同的響應，光譜響應曲線平坦，響應波段寬測量波長范圍內靈敏度基本不變，且能在常溫下工作——也稱“無選擇性紅外探測器”熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。第13章傳感檢測技術光子探測器是一種半導體器件，其核心是光敏元件光子投射到光敏元件上時，促使電子-空穴對分離產(chǎn)生電信號光電效應產(chǎn)生速度很快光電探測器對紅外輻射的響應時間要比熱敏探測器快得多最短可達納秒

2.光子探測器第13章傳感檢測技術第13章傳感檢測技術光子探測器的波長范圍一般不變對波長的響應率存在峰值λp，超過λp時響應曲線迅速截止

圖中曲線2

原因是在大于一定波長的范圍內，光子儲量不足以激發(fā)電子的釋出，電活性消失光子探測器以光子為單元起作用光子探測器必須在低溫下才能工作第13章傳感檢測技術3.紅外檢測應用運用斯蒂芬-玻爾茨曼定律可進行輻射溫度測量被測物的輻射線經(jīng)物鏡聚焦在受熱板——人造黑體上人造黑體通常采用涂黑的鉑片，吸熱后溫度升高該溫度被裝在受熱板上的熱敏電阻或熱電偶所測到被測物通常為ε<1的灰體以黑體輻射作為定標基準，已知被測物ε值，就可求出被測物溫度(1)輻射溫度計

第13章傳感檢測技術若灰體輻射的總能量全部被黑體吸收，則它們的總能量相等，即：

式中：ε——被測物的比輻射率；

ε0——黑體的比輻射率，ε0=1；

T——被測物溫度；

T0——黑體溫度；

σ——斯蒂芬—玻爾茨曼常數(shù)。由此可得第13章傳感檢測技術(2)紅外測溫

輻射溫度計多用于800℃以上的高溫測量紅外測溫是指低溫及紅外光范圍的測溫第13章傳感檢測技術熱敏電阻接在電橋的一個橋臂上信號經(jīng)電橋轉換為交流電壓信號輸出，放大后進行顯示或記錄光柵盤是兩塊扇形的光柵片——定片和動片動片受光柵調制電路控制

按一定的頻率雙向轉動，實現(xiàn)開(光透過)和關(光不透過)，使入射光被調制成具有一定頻率的輻射信號作用于光敏探測器上紅外測溫裝置的測溫范圍為0～700℃，時間常數(shù)為4ms~8ms(2)紅外測溫

被測物的熱輻射經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦在光柵盤上，被調制成一定頻率的光能入射到熱敏電阻探測器上第13章傳感檢測技術被動式人體移動檢測儀第13章傳感檢測技術