第十章 波式和射線(xiàn)式傳感器課件

第十章波式和射線(xiàn)式

傳感器超聲波傳感器微波傳感器射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器引言超聲波技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個(gè)物理過(guò)程來(lái)完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無(wú)損探傷、厚度測(cè)量、流速測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像等。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波及其物理性質(zhì)1超聲波傳感器的原理2超聲波傳感器應(yīng)用3第十章波式和射線(xiàn)式傳感器10.1超聲波及其物理性質(zhì)1、超聲波的概念和波形機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱(chēng)為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為波。人能聽(tīng)見(jiàn)聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱(chēng)為次聲波，20kHz以上的聲音稱(chēng)為超聲波，一般說(shuō)話(huà)的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)10.1.1超聲波的基本概念第十章波式和射線(xiàn)式傳感器圖10-1聲波的頻率界限圖

當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：

①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；

②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；

③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時(shí)，由于不存在剪切應(yīng)力，所以?xún)H有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；

Ba——絕對(duì)壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器0～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

從表可見(jiàn)，蒸餾水溫度在0～100℃范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化，在74℃時(shí)達(dá)到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強(qiáng)也會(huì)引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波的反射和折射

聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射,另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱(chēng)之為聲波的反射和折射。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí)，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即第十章波式和射線(xiàn)式傳感器聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

z1、z2——分別為兩介質(zhì)的聲阻抗。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器當(dāng)超聲波垂直入射界面，即α=β=0時(shí)，則可知，若z2≈zc1，則反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時(shí)聲波幾乎沒(méi)有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若z2>>z1,反射系數(shù)R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當(dāng)z1>>z2時(shí)，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時(shí)，水的特性阻抗為z1=1.48×106kg/(m2·s),空氣的特性阻抗為z2=0.000429×106kg/(m2·s),z1>>z2,故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時(shí)，將發(fā)生全反射。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波的聲速和波長(zhǎng)（1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度ρ和聲速c的乘積，即Z=ρc

（2）波長(zhǎng)超聲波的波長(zhǎng)λ與頻率f乘積恒等于聲速c，即λ

f=c

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器常用材料的密度、聲阻抗與聲速（0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)聲阻抗Z（103MPa·s-1）縱波聲速cL（km/s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空氣0.00130.00040.34—第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波的指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散。在聲束橫截面的中心軸線(xiàn)上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。1—超聲源2—軸線(xiàn)3—指向角4—等強(qiáng)度線(xiàn)第十章波式和射線(xiàn)式傳感器指向角θ與超聲源的直徑D、以及波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系為

sinθ=1.22λ/D

設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)式（可得θ=4o，可見(jiàn)該超聲波的指向性是十分尖銳的。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

超聲波的衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散衰減，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。

散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來(lái)傳播方向運(yùn)動(dòng)，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。

吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)造成質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器10.2超聲波傳感器

利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱(chēng)為超聲波換能器、探測(cè)器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱(chēng)為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)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；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

超聲波探頭主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線(xiàn)等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒(méi)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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器雙晶直探頭由兩個(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。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹(shù)脂制作，能使超聲波延遲一段時(shí)間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器斜探頭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，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過(guò)計(jì)算求得。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器聚焦探頭分辨試件中細(xì)小的缺陷，這種探頭稱(chēng)為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來(lái)發(fā)出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來(lái)制作聲透鏡，還可利用類(lèi)似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來(lái)聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器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(chēng)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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器空氣傳導(dǎo)型探頭超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開(kāi)設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同，發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤(pán)，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤(pán)上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤(pán)4—壓電晶體片

5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波探頭耦合劑一般不能直接將其放在被測(cè)介質(zhì)表面來(lái)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、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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器10.3超聲波傳感器應(yīng)用超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)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。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(gè)換能器，而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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器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第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

對(duì)于單換能器來(lái)說(shuō)，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為則式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

對(duì)于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過(guò)的路程為2s，而因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動(dòng)法、多卜勒效應(yīng)法、流動(dòng)聽(tīng)聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時(shí)間差法。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。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波測(cè)厚傳感器

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)，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵(lì)壓電式探頭，以產(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(lái)，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δ=υt/2第十章波式和射線(xiàn)式傳感器環(huán)境考慮因素氣流外部噪音溫度作用傳感器被污染目標(biāo)物體第十章波式和射線(xiàn)式傳感器氣流氣流會(huì)造成聲波的偏轉(zhuǎn)折射目標(biāo)物體Sensor第十章波式和射線(xiàn)式傳感器外部噪音第十章波式和射線(xiàn)式傳感器溫度作用冷低溫環(huán)境會(huì)降低聲波的傳播速度高溫環(huán)境會(huì)提高聲波的傳播速度3cm3cm3cm3cm熱第十章波式和射線(xiàn)式傳感器傳感器被污染異物的聚集作用*導(dǎo)致弱信號(hào)輸出*導(dǎo)致無(wú)反射信號(hào)注意: 盡管傳感器被污染也是一個(gè)需要考慮的因素，但超聲波傳感器仍然能夠在充滿(mǎn)異物的操作環(huán)境中，卓越的完成傳感監(jiān)測(cè)工作。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器目標(biāo)物體材料目標(biāo)表面粗糙的目標(biāo)表面會(huì)對(duì)聲波有散射作用如目標(biāo)物體是柔軟或海面狀的，反射信號(hào)是最小值。33cm3cm3第十章波式和射線(xiàn)式傳感器目標(biāo)形狀-目標(biāo)物體上的突起會(huì)對(duì)聲波有散射作用33cm3cm3第十章波式和射線(xiàn)式傳感器目標(biāo)大小小型目標(biāo)物體只能反射部分聲波1cm13cm第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

由于超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x等。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用的是反射式檢測(cè)方式。即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波后就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。即：s=340·t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

(1)如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。

(2)工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的換能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辯識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。(3)從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波測(cè)距儀的總體設(shè)計(jì)方案超聲波發(fā)射頭超聲波接收頭振蕩電路驅(qū)動(dòng)電路波形變換放大電路控制處理單元顯示電源部分發(fā)射電路接收電路控制部分電源部分第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

超聲波發(fā)射電路主要由振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路和超聲波發(fā)射頭組成。振蕩電路產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40kHz頻率信號(hào)。由于超聲波振子也有約2000PF的電容，有充放電電流流通，因此，采用驅(qū)動(dòng)電路增大驅(qū)動(dòng)電流，有效驅(qū)動(dòng)超聲波振子發(fā)送超聲波。使用方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于振子的諧振作用，也變?yōu)檎也ㄟM(jìn)行發(fā)送。振蕩電路可用555產(chǎn)生占空比可調(diào)的40kHz方波信號(hào)。超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅(qū)動(dòng)電路第十章波式和射線(xiàn)式傳感器振蕩電路部分驅(qū)動(dòng)電路部分控制電路部分第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

本電路中采用555定時(shí)器構(gòu)成振蕩電路，2腳（6腳）及地之間的電容不斷的進(jìn)行充、放電，導(dǎo)致555時(shí)基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高電平與低電平，輸出波形為近似矩形波，此電路也稱(chēng)為自激多諧振蕩器。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器555多諧振蕩器的基本電路如圖所示。電路初次通電時(shí)，由于電容C兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，555時(shí)基電路置位，即3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時(shí)正電源VDD通過(guò)電阻R1、R2向電容C充電，使C兩端電壓不斷升高，約經(jīng)時(shí)間tH，C兩端電壓即閾值端（6腳）電平升至2VCC/3時(shí)，555時(shí)基電路翻轉(zhuǎn)復(fù)位，3腳輸出低電平，同時(shí)內(nèi)部放電晶體管導(dǎo)通，7腳也為低電平，此時(shí)電容C儲(chǔ)存電荷將通過(guò)R2向7腳放電，使C兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng)tL時(shí)間，電壓降至VCC/3時(shí)，555時(shí)基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳又輸出高電平，7腳再次被懸空，正電源又通過(guò)R1,R2向C充電，如此周而復(fù)始，電容C不斷處于充電與放電狀態(tài)，電路引起振蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

555多諧振蕩電路的脈沖寬度TL由電容C的放電時(shí)間來(lái)決定：

TL≈0.7R2CTH由電容C的充電時(shí)間來(lái)決定：

TH≈0.7（R1+R2）C輸出振蕩信號(hào)的周期為：

T=TL+TH頻率為：輸出脈沖占空比為：占空比：正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器若調(diào)整可調(diào)電阻VR1，可改變輸出矩形波的頻率和占空比。當(dāng)調(diào)整VR1使得輸出為40kHz時(shí)，由于（VR1+R2）>>R3，輸出波形占空比約為50%，為近似理想對(duì)稱(chēng)方波。555的強(qiáng)制復(fù)位端4腳由另一個(gè)555低頻振蕩器的輸出取反后控制。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器ControlIC2組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號(hào)控制，輸出約1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止約70ms。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

本電路采用CMOS六反相器CD4069構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，為了增大驅(qū)動(dòng)電流，可以采用CD4069中兩個(gè)甚至三個(gè)方向器并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器CD4069由于超聲波傳感器具有高阻特性，其正常工作時(shí)需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，而每個(gè)反相器的輸出電流（負(fù)載能力）是一定的。兩個(gè)并聯(lián)，輸出電流加倍，驅(qū)動(dòng)能力提高。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波接收電路的基本工作原理

超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。由于經(jīng)接收頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號(hào)需要變換為直流信號(hào)以判斷是否有回波及回波的大小。

超聲波接收頭波形變換放大電路第十章波式和射線(xiàn)式傳感器超聲波接收電路圖放大電路1檢波電路放大電路2接收部分比較輸出第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)IC4的2級(jí)放大1000倍（60dB），第1級(jí)放大100倍（40dB），第2級(jí)放大10倍（20dB）。

用R10和R11進(jìn)行分壓，這時(shí)在IC4的同相端有4.5V的中點(diǎn)電壓，這樣可以保證放大的交流信號(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

倍壓檢波電路取出反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖信號(hào)送至IC5進(jìn)行處理。檢波電路作用：檢出反射脈沖信號(hào)的直流電壓以判斷有無(wú)反射信號(hào)。

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器電容的作用1）旁路旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器2）去耦去耦，又稱(chēng)解耦。從電路來(lái)說(shuō)，總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。

去耦電容就是起到一個(gè)電池的作用，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來(lái)將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器3）濾波從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)，電容越小高頻越容易通過(guò)。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在300～300000MHz(相應(yīng)的波長(zhǎng)為100～0．1cm)在300MHz至300GHz之間．它具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量為199×l0-25～1．99×10-22j．它與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。微波能夠透射到生物組織內(nèi)部使偶極分子和蛋白質(zhì)的極性側(cè)鏈以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。微波還能夠?qū)滏I、疏水鍵和范德華產(chǎn)生作用，使其重新分配，從而改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象與活性。生物體的非熱特性一生物效應(yīng)是微波的重要特性之一，它已成為醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)等方面研究的一個(gè)重要方面，同時(shí)它也能為微波理療或微波手術(shù)等方面提供理論依據(jù)隨著人們對(duì)微波加熱技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入，它已引起了許多科學(xué)工作者的關(guān)注，并在一些方面進(jìn)行了深入而廣泛的研究。微波傳感器第十章波式和射線(xiàn)式傳感器概述：微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些物理量的器件。包括感應(yīng)物體的存在，運(yùn)動(dòng)速度，距離，角度信息。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器微波傳感器--原理：

由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線(xiàn)接收通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由測(cè)量電路處理，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

微波傳感器主要由微波振蕩器和微波天線(xiàn)組成。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需用波導(dǎo)管傳輸，并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有一致的方向性，天線(xiàn)應(yīng)具有特殊的構(gòu)造和形狀。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器二、微波傳感器及其分類(lèi)微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線(xiàn)，接收到通過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，即可顯示出被測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)微波檢測(cè)過(guò)程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類(lèi)。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器1、反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)物的位置、位移、厚度等參數(shù)。2、遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線(xiàn)接收到的微波功率大小，來(lái)判斷發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)之間有無(wú)被測(cè)物或被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題1、優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量測(cè)量速度、靈敏度高能在惡劣環(huán)境條件下檢測(cè)輸出信號(hào)可以調(diào)制在載頻信號(hào)上進(jìn)行發(fā)射與接收，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙測(cè)2、微波傳感器存在的問(wèn)題微波傳感器的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定問(wèn)題，這尚未得到很好的解決。其次，使用的時(shí)候外界因素影響比較多，如溫度、氣壓，取樣位置等。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器微波傳感器的應(yīng)用1、微波濕度（水分）傳感器酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖

MS

A1

A2

T1

T2

PT

AT

DD

含水酒精不含水酒精第十章波式和射線(xiàn)式傳感器授課教師：王翥2、微波液位計(jì)

微波液位計(jì)

微波發(fā)射天線(xiàn)

微波接收天線(xiàn)

l

d

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器3、微波物位計(jì)微波發(fā)射天線(xiàn)

微波接收天線(xiàn)

振蕩器

電源

被測(cè)對(duì)象

前置放大器

放大器

電壓比較器

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器射線(xiàn)式傳感器

測(cè)量原理利用核輻射粒子的電離作用、穿透能力、物體吸收、散射和反射等物理特性工作的傳感器?？捎脕?lái)測(cè)量物質(zhì)的密度、厚度，分析氣體成分，探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，它是現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的重要部分。

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器1、核輻射源—放射性同位素

在核輻射傳感器中，常采用α、β、γ和X射線(xiàn)的核輻射源，產(chǎn)生這些射線(xiàn)的物質(zhì)通常是放射性同位素。

放射性同位素的特點(diǎn)：在沒(méi)有外力作用下能自動(dòng)發(fā)生衰變，并釋放出上述射線(xiàn)。其衰減規(guī)律為：式中J、J0分別為t和t0時(shí)刻的輻射強(qiáng)度，λ為衰變常數(shù)。核輻射檢測(cè)要采用半衰期比較長(zhǎng)的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間又稱(chēng)為放射性同位素的壽命。核輻射檢測(cè)除了要求使用半衰期比較長(zhǎng)的同位素外，還要求放射出來(lái)的射線(xiàn)要有一定的輻射能量。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器2）核輻射與物質(zhì)的相互作用——

核輻射線(xiàn)的吸收、散射和反射

α、β、γ射線(xiàn)穿透過(guò)物質(zhì)程中，一部分粒子能量被物質(zhì)吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰減規(guī)律為式中J、J0分別為射線(xiàn)穿透物質(zhì)前、后的輻射強(qiáng)度，h為穿透物質(zhì)的厚度，ρ為物質(zhì)的密度，am為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。三種射線(xiàn)中，γ射線(xiàn)穿透能力最強(qiáng)，β射線(xiàn)次之，α射線(xiàn)最弱，γ射線(xiàn)的穿透厚度比α、β要大得多。β射線(xiàn)穿透物質(zhì)時(shí)容易產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生相反方向散射時(shí)，即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。反射的大小與反射物質(zhì)的厚度關(guān)系為：

式中：Jh—反射物質(zhì)厚度為h(mm)時(shí)，放射線(xiàn)被反射的強(qiáng)度；

Jm—當(dāng)h趨向無(wú)窮大時(shí)的反射強(qiáng)度，Jm與原子序數(shù)有關(guān)；

μh—輻射能量的常數(shù)。當(dāng)J0、am、Jm、μh、ρ等已知后，只要測(cè)出J或Jh就可求出其穿透厚度h。第十章波式和射線(xiàn)式傳感器

電離作用當(dāng)具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)時(shí)，在它們經(jīng)過(guò)的路程上就會(huì)產(chǎn)生電離作用，形成許多離子對(duì)，電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。

α粒子（射線(xiàn)）由于能量、質(zhì)量和帶電量大，故電離作用最強(qiáng)，但射程(帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)、能量耗盡前所經(jīng)過(guò)的直線(xiàn)距離)較短。

β粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。

γ粒子幾乎沒(méi)有直接的電離作用。

第十章波式和射線(xiàn)式傳感器核輻射傳感器

核輻射與物質(zhì)的相互作用是核輻射傳感器檢測(cè)物理量的基礎(chǔ)。利用電離、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射線(xiàn)的特性可以檢測(cè)多種物理量。常用電離室、氣體放電計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體檢測(cè)核輻射強(qiáng)度，分析氣體，鑒別各種粒子等。

1)電離室如圖，在電離室兩側(cè)的互相絕緣的電極上，施加極化電壓，使兩極板間形成電場(chǎng)。在射線(xiàn)作用下，兩極板間的氣體被電離，形成正離子和電子，帶電粒子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流I，在外接電阻上便形成壓降。電流I與氣體電離程度成正比，電離程度又正比于射線(xiàn)輻射強(qiáng)度，因此，測(cè)量電阻R上的電壓值就可