传感器与检测技术ppt课件第九章

*1 第9章 波式传感器 *2 引言 n超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料 学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一 。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物 理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减 很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体， 超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种 介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中 的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折 射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它 在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无 损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及 超声成像等。 *3 9.1超声波及其物理性质 n1超声波的概念和波形 n机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称 为波。人能听见声音的频率为20Hz20kHz ，即为声波，超出此频率范围的声音，即 20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的 声音称为超声波，一般说话的频率范围为 100Hz8kHz。 n超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强 9.1.1 超声波的基本概念 *4 声波频率的界限划分 *5 声波的分类 1.次声波 次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到， 但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人 的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。 *6 2.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。 *7 3.超声波 蝙蝠 能发出和 听见超声 波。 *8 超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中 的特点。 超声波雾化器 超声波加湿器 *9 声波的波型 n（1）纵波质点振动方向与波的传播方 向一致的波。 n（2）横波质点振动方向垂直于传播方 向的波。 n（3）表面波质点的振动介于横波与纵 波之间，沿着表面传播的波。 n横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表 面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采 用纵波。 *10 纵 波 *11 横波 *12 表面波 *13 2.声速、波长与指向性 n（1）声速 n纵波、横波及表面波的传播速度取决于 介质的弹性系数、介质的密度以及声阻 抗 。 n介质的声阻抗Z 等于介质的密度和声速 c的乘积，即 nZ=c *14 常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0） 材 料 密度 (103kgm- 1) 声阻抗 Z（ 103MPas - 1） 纵波声速 cL（km/ s ） 横波声速 cs（km/s） 钢7.8465.93.23 铝2.7176.323.08 铜8.9424.72.05 有机玻璃1.183.22.731.43 甘油1.262.41.92 水（20）1.01.481.48 油0.91.281.4 空气0.00130.00040.34 *15 （2）波长 n超声波的波长与频率f乘积恒等于声速c ，即 n f =c *16 （3）指向性 n超声波声源发出的超声波束以一定的角 度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心 轴线上，超声波最强，且随着扩散角度 的增大而减小。 1超声源 2轴线 3指向角 4等强度线 *17 n指向角与超声源的直径D、以及波长 之间的关系为 nsin= 1.22/D n设超声源的直径D=20mm，射入钢板的 超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式 （可得=4o，可见该超声波的指向性是 十分尖锐的。 *18 3.超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质，在 两个介质的分界面上一部分能量被反射 回原介质，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射， *19 波的反射和折射 *20 n（1）反射定律 n入射角 的正弦与反射角的正弦之比等于波 速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速 相等时，入射角 等于反射角。 n（2）折射定律 n入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即 nsin / sin = c1 / c2 *21 4.超声波的衰减 n超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加 ，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩 散、散射及吸收等因素有关。 n超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声 波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波 的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距 离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介 质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声 波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性 及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热 能。 *22 9.2 微波传感器 n微波传感器的基本原理是根据微波的传播特 性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测 材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)， 通过对微波基本参数的测量，实现对物理量 的感知。因此在学习微波传感器之前，先对 微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好 地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理 量。 *23 9.2.1 微波的性质与特点 n1、微波频段的划分 波 段频率范围/GHz在真空中波长/cm L0.3901.55076.919.3 S1.5505.20019.35.77 X5.20010.9005.772.75 K10.90036.0002.750.834 Q36.00046.0000.8340.652 V46.00056.0000.6520.536 W56.000100.0000.5360.300 微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性； 当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。 *24 9.2.1 微波的性质与特点 n2、微波的传播特性 n在电磁性能不同的两介质界面处，微波 的反射和折射定律本质上与可见光的反 射和折射相同。 *25 9.2.1 微波的性质与特点 n3、介质的电磁特性 n(1)、微波的频率较高，传播指向性强； n(2)、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容 易被反射； n(3)、微波的穿透力较强，不易受环境因素影 响，例如烟雾、灰尘、强光等； n(4)、介质对微波的吸收作用与介质的介电常 数有关，其中水对微波的吸收作用最强。 *26 9.2.2 微波振荡器与微波天线 n微波的产生也来自于振荡器。组成振荡 器中振荡回路中的电子元器件主要有速 调管、磁控管、某些固态器件以及一些 量值很小的电感、电容等。 *27 9.2.2 微波振荡器与微波天线 n常见微波天线结构示意图 *28 9.2.3 微波传感器及其分类 类别测量参数特点 空间波 式 微波在自由空间的反射、吸 收、衍射等参数的变化 结构简单 波导式 微波在波导中传输时 的反 射、吸收特性以及介质变 化等对传导 波的影响 灵敏度高， 体积小 谐振 腔式 谐振频率、品质因数随腔 体尺寸或腔中填充物的变化 精度高 *29 9.2.3 微波传感器及其分类 微波传感器的基本构成框图 *30 9.2.3 微波传感器及其分类 微波传感器的基本构成框图 *31 各种微波探头 （以下参考常州市常超 检测设备有限公司资料） 常用频率范围：0.510MHz， 常见晶片直径：530mm 接触式直探头（ 纵波垂直入射到 被检介质） 外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。 保护膜 接插件 *32 超声波探头中的压电陶瓷芯片 将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用 逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振 动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利 用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电 荷和电压。 *33 1.单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。 *34 超声波探头结构示意 1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜 7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10试件 11耦合剂 *35 n超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。 *36 2.双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内 。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收 超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘 性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接 收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟 块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声 波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试 件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探 头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探 头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路 较单晶直探头简单。 *37 各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围： 2.55MHz，钢中折射角：45 70 *38 3.斜探头 n压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如 30、45等）的有机玻璃斜楔块上，压 电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块 覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质 （试件）接触时，超声波产生一定角度 的折射，倾斜入射到试件中去，折射角 可通过计算求得。 *39 接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如 30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔 块与不同材料的被测介质（试件）接触时 ，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入 射到试件中去，可产生多次反射，而传播 到较远处去。 底部耐磨材料 接插件 *40 各种接触式斜探头 常用频率范围：15MHz *41 接触法双晶斜探头（续） *42 4.聚焦探头 n分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为 聚焦探头，是一种很有发展前途的新型 探头。 n聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超 声波，也可以采用两种不同声速的塑料 来制作声透镜，还可利用类似光学反射 镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 如果将双晶直探头的延迟块按上述方法 加工，也可具有聚焦功能。 *43 5.箔式探头 n利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高 分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔 式探头，可以获得0.2mm直径的超细声 束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很 高清晰度的图像。 *44 6.空气传导型探头 n超声探头的发射换能器和接收换能器一 般是分开设置的，两者结构也略有不同 ， n发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。 *45 空气传导型超声发生、接收器结 构示意图 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶体片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束 *46 空气超声探头（续） *47 空气超声探头外形 *48 空气超声探头外形（续） *49 9.2.5 微波传感器的应用 n微波测湿技术的主要方法是单参量衰减 法及反射法。即在自由空间中，根据被 测材料吸收微波能量的大小与被测材料 含水量间的关系，利用电磁波穿透或反 射的测量方法，测得接收端微波的信号 的衰减量或相移，进而可得被测材料的 含水量。 1.微波湿度(水分)传感器 *50 9.2.5 微波传感器的应用 1）测试方法1：穿透式微波测湿传感器 1.微波湿度(水分)传感器 *51 9.2.5 微波传感器的应用 2）测试方法2：反射式微波测湿传感器 1.微波湿度(水分)传感器 *52 9.2.5 微波传感器的应用 微波液位计的原理 2.微波液位计 *53 9.2.5 微波传感器的应用 微波物位计的原理如图所示。当被测物体位置较低时，发射 天线发出的微波束全部由接收天线接收。经检波、放大与 设定电压比较后。发出物位正常信号。当被测物位升高到 天线所在高度时，微波信号能量的一部分将被物体吸收。 另一部分将被反射，因此接收天线接收到的微波功率将相 应减弱，这样接受到的信号在与设定电压比较时，将会低 于设定电压值，因此电压比较