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第9章新型传感器 2020 3 22 2 一 教学目标 1 了解光纤传感器和超声波传感器的概念 2 掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的物理性质 3 熟悉两种新型传感器在工程上的应用 二 教学重点和难点 1 重点 超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理 2 难点 超声波的物理性质 三 教学学时6学时 9 1光纤传感器及其应用 光纤传感器具有灵敏度高 电绝缘性能好 抗电磁干扰 频带宽 动态范围大 结构简单 体积小 质量轻以及耗能少等优点 光的全反射实验 各种装饰性光导纤维 发光二极管产生多种颜色的光线 通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面 在计算机控制下 可产生动态图案 上海东方明珠 9 1 1光纤的基本概念 1 光纤的结构 a 光纤的截面图 b 光纤的外观图图9 1光纤的结构1 纤芯 2 包层 3 缓冲层 4 加强层 5 PVC护套 光缆的外形及光纤的拉制 光纤拉制塔 拉制速度 600 1000m min石英预制棒 直径为40 60mm 长约1m连续拉制成直径为125 m 长为100 200km的光纤 光的反射 折射 当一束光线以一定的入射角 1从介质1射到介质2的分界面上时 一部分能量反射回原介质 另一部分能量则透过分界面 在另一介质内继续传播 光的全反射 当减小入射角 c时 进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小 将导致折射波只能在介质分界面上传播 对这个极限值时的入射角 定义为临界角 c 当入射角小于 c时 入射光线将发生全反射 光在光纤中的全反射 光纤的类型 阶跃型 光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致 称为多模光纤 梯度型 梯度型光纤的的折射率呈聚焦型 即在轴线上折射率最大 离开轴线则逐步降低 至纤芯区的边沿时 降低到与包层区一样 单孔型光纤的纤芯直径较小 数微米 接近于被传输光波的波长 光以电磁场 模 的原理在纤芯中传导 能量损失很小 适宜于远距离传输 9 1 2光纤传感器的结构原理 a 传统传感器 b 光纤传感器 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器 使待测参数与进入调制区的光相互作用后 导致光的光学性质 如光的强度 波长 频率 相位 偏正态等 发生变化 称为被调制的信号光 在经过光纤送入光探测器 经解调后 获得被测参数 9 1 3光纤传感器的分类 1 根据光纤在传感器中的作用进行分类分为功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器 a 功能型 1 功能型光纤传感器 光纤水听器 光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播 噪声 混响 海底声学特性 目标声学特性等的监测 它既可用于海洋 陆地石油天然气勘探 也可用于海洋 陆地地震波检测以及海洋环境检测 它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段 b 非功能型 2 非功能型光纤传感器 光纤传感器外形 3 拾光型光纤传感器 c 拾光型 光纤温度传感器 2 根据光受被测对象的调制形式进行分类 强度调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 1 强度调制型光纤传感器 强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变化而引起敏感元件参数的变化 从而导致光强度的变化来实现测量的传感器 这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗 振动膜或者液晶的反射光强度的变化 以及物质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力 振动 温度 位移等各种强度调制型光纤传感器 2 偏振调制型光纤传感器 偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变化来传递被测信号的传感器 这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流或磁场传感器 它可以避免光源强度的变化对其产生的影响 因此 灵敏度较高 3 频率调制型光纤传感器 频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变化来进行监测的一种传感器 4 相位调制型传感器 相位调制型传感器是利用被测量对敏感元件的作用 使敏感元件的折射率或者传播常数发生变化 从而导致光的相位发生变化 通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量 从而得到被测量的信息 9 1 4光纤传感器的应用 1 反射式光纤位移传感器 非功能 图9 6反射式光纤位移传感器的工作原理 2 光纤压力传感器 图9 7膜片反射式光纤压力传感器的原理图1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片 3 光纤温度传感器 图9 8光纤温度传感器示意图1 感温黑色壳体2 彩色液晶3 入射光纤 4 出射光纤 适用于远距离防爆场所的温度测量 保护管 光纤温度传感器 4 热双金属式光纤温度开关 图9 9热双金属式光纤温度开关的原理图1 遮光板 2 双金属片测温范围 10 50摄氏度缺点 反应慢 5 球面光纤液位传感器 a 不接触液体的工况 b 浸在液体中的工况图9 10球面光纤液位传感器的原理图1 入射光纤 2 透明球形端面 3 包层 4 出射光纤 6 斜端面光纤液位传感器 a 在空气中 b 在液体中图9 11反射式斜端面光纤液位传感器的原理图1 2 光纤 3 棱镜 7 单光纤液位传感器 图9 12单光纤液位传感器的结构1 光纤 2 耦合器 a 尖顶磨平镀反射膜的探头 b 尖顶磨平并粘上突出物的探头图9 13改进的光纤液位探头 探头离开液面 有液体附着 不能立即响应 9 2超声波传感器及其应用 主要学习超声波的物理特性 着重了解超声波在检测技术中的一些应用 也涉及无损探伤的设备及方法 声波频率的界限划分 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 7 8Hz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 在自然界中 海上风暴 火山爆发 大陨石落地 海啸 电闪雷鸣 波浪击岸 水中漩涡 空中湍流 龙卷风 磁暴 极光等都可能伴有次声波的发生 在人类活动中 诸如核爆炸 导弹飞行 火炮发射 轮船航行 汽车争驰 高楼和大桥摇晃 甚至像鼓风机 搅拌机 扩音喇叭等在发声的同时也都能产生次声波 据研究称 著名的 杀人乐曲 黑色星期天 所弹奏的旋律也是属于次声波 2 可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉 3 超声波 蝙蝠能发出和听见超声波 9 2 1超声波的物理性质 1 超声波的本质高于20KHz的声波具有指向性好 能量集中 穿透本领大等特点 2020 3 22 49 蝙蝠依靠超声波捕食 2020 3 22 50 压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下 可得到较大功率的超声波 可以被聚焦 能用于集成电路及塑料的焊接 超声波塑料焊接机 2020 3 22 51 2 超声波的传播方式 超声波的传播方式主要可分为纵波 横波 表面波等几种 2020 3 22 52 纵波 2020 3 22 53 横波 2020 3 22 54 表面波 3 声速和波长 1声速取决于介质2波长 f c 2020 3 22 55 弹性系数密度声阻抗ZZ c 4 超声波的反射与折射 当超声波从一种介质向另一种介质传播时 如果两者的声阻抗不同 就会在其分界面上产生反射和透射现象 使一部分能量返回第一种介质 另一部分能量穿过分界面进入第二种介质 当两种不同的介质声阻抗相差较大时 便会产生超声波反射 9 2 2超声波传感器的应用 2020 3 22 58 超声波可以被聚焦 具有能量集中的特点 超声波雾化器 超声波加湿器 2020 3 22 59 超声波被聚焦后 具有较好的方向性 在遇到两种介质的分界面时 能产生明显的反射和折射现象 这一现象类似于光波 便携式超声波探鱼器 2020 3 22 60 超声波测厚 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲 超声脉冲到达试件底面时 被反射回来 并被另一只压电晶片所接收 只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t 再乘以被测体的声速常数c 就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离 再除以2 就得到厚度 2020 3 22 61 手持式超声波测厚仪 2020 3 22 62 超声波测厚 石料测厚 2020 3 22 63 超声波手持式测厚 混凝土测厚 木材测厚 小提琴木料测厚 2020 3 22 64 双晶超声波测厚探头 2020 3 22 65 双晶超声波测厚探头 续 2020 3 22 66 超声波用于高效清洗 当弱的声波信号作用于液体中时 会对液体产生一定的负压 即液体体积增加 液体中分子空隙加大 形成许多微小的气泡 而当强的声波信号作用于液体时 则会对液体产生一定的正压 即液体体积被压缩减小 液体中形成的微小气泡被压碎 经研究证明 超声波作用于液体中时 液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波 相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力 这种现象被称之为 空化作用 超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用 超声清洗多用于半导体 机械 玻璃 医疗仪器等行业 2020 3 22 68 超声波清洗原理及清洗器 参考湖南省浏阳市医用仪具厂 北京德泰隆科技发展有限责任公司资料 超声换能器 气泡 波浪 清洗物 2020 3 22 69 超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器 根据超声波的往返时间 就可测得液体的液面 2020 3 22 70 超声波测量液位和物位 喇叭形超声发生器 2020 3 22 71 超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路 下面为接收电路 发射器发射出频率f 40kHz左右的超声波 如果有人进入信号的有效区域 相对速度为v 从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应 而发生频率偏移 f 2020 3 22 72 超声波多普勒测量车速 2020 3 22 73 多普勒效应 如果波源和观察者之间有相对运动 那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了 这种现象叫做多普勒效应 测出 f就可得到运动速度 2020 3 22 74 超声波多普勒测量风速 风 风引起超声波的频率变大或变小 2020 3 22 75 A型超声波探伤 起始波缺陷反射波底波 工件 缺陷 2020 3 22 76 钢轨探伤车 滑板式探头 2020 3 22 77 高速钢轨探伤车 铁路钢轨探测用的滚轴式探头 也称做轮式探头 2020 3 22 78 构件的超声探伤 续 B超 胎儿的B超影像 超声波流量计 9 3微波传感器 9 3 1微波的物理特性1 微波的特性微波是波长为1 1000mm 频率为300MHz 3000GHz的电磁波 它既有电磁波的特性 具有波粒二象性 又与普通的无线电波及和光波不同 2 微波的特点 可定向辐射 空间直线传输 遇到各种障碍物易于反射 绕射能力差 传输特性好 传输过程中受烟雾 火焰 灰尘 强光灯影响很小 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例 水对微波的吸收作用最强 9 3 2微波传感器的工作原理微波传感器由微波振荡器和微波天线组成 微波振荡器是产生微波的装置 微波振荡器由速调管 磁控管或某些固体元件组成 由微波振荡器产生的振荡信号需要使用波导管传输 然后通过天线发射出去 为了使发射的微波具有较好的方向性 微波的发射天线应该具有特殊的构造和形状 9 3 3微波传感器的分类1 反射式反射式微波传感器是利用被测物体反射回来的微波信号来检测被测物体的位置 厚度等参数 2 遮断式遮断式微波传感器是利用接收天线接收到微波的信号 来判断发射天线和接收天线之间有无被测物体 被测物体的位置 被测物体的水分含量等参数 9 3 4微波传感器的应用