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传感器原理与应用 13 传感检测技术 13传感检测技术 传感检测技术 13 1超声检测 13 1 1超声检测的物理基础 2 104Hz 当超声波由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 在异质界面上会产生反射 折射和波型转换等现象 1 波的反射和折射 由物理学知 当波在界面上产生折射时 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两波速之比 2 超声波的波型及其转换 纵波 质点振动方向与传播方向一致 固体 液体 气体 横波 质点振动方向垂直于传播方向 仅固体 表面波 质点振动介于纵波和横波之间 振幅随着深度的增加而迅速衰减的波 只在固体的表面 传感检测技术 当声波以某一角度入射到第二介质 固体 的界面上时 纵波有反射 折射 横波也会反射和折射 在一定条件下 还能产生表面波 符合几何光学中的反射定律 如果介质为液体或气体 则仅有纵波 入射角 折射介质内的纵波速度 反射介质的纵波速度 入射介质的纵波速度 反射介质的横波速度 折射介质内的横波速度 传感检测技术 3 声波的衰减 声波在介质中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 其衰减的程度与声波的扩散 散射 吸收等因素有关 在平面波的情况下 距离声源处的声压和声强的衰减规律如下 距声源处的声压和声强 自然对数的底 衰减系数 单位为 奈培 厘米 级差单位 传感检测技术 13 1 2超声波探头 超声波探头 实现声 电转换的装置 又称超声换能器或传感器 这种装置能发射超声波和接收超声回波 并转换成相应的电信号 压电式磁致伸缩式电磁式等 传感检测技术 传感检测技术 13 1 3超声波检测技术的应用 13 1 3 1超声波测厚度 方法 共振法 干涉法 脉冲回波法等 脉冲回波法检测厚度的工作原理 传感检测技术 13 1 3 2超声波测液位 单探头液介式 双探头液介式 单探头气介式 单探头固介式 传感检测技术 13 1 3 3超声波测流量 利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力 测量结果不受流体物理和化学性质的影响 超声波在静止和流动流体中的传播速度是不同的 进而形成传播时间和相位上的变化 1 时差法2 相位差法3 频率差法 传感检测技术 时差法测流量 顺流传播时间 逆流传播时间 测量精度取决于 注意这里不是常数 而是温度的函数 传感检测技术 相位差法测流量 A发射B接收 接收信号相对与发射信号的相位角 超声波的角频率 B发射A接收 接收信号相对与发射信号的相位角 相位差 流体的平均速度 传感检测技术 频率差法测流量 A发射B接收 超声波的重复频率 B发射A接收 超声波的重复频率 频率差 流体的平均速度 与无关 可获得更高的测量精度 传感检测技术 传感检测技术 13 2声表面波检测 传感检测技术 13 2 1声表面波检测的物理基础 在固体表面存在的一种沿表面传播 能量集中于表面附近的弹性波 声学和电子学相结合的一门边缘学科 声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍 而且在它的传播路径上容易取样和进行处理 因此 用声表面波去模拟电子学的各种功能 能使电子器件实现超小型化和多功能化 同时 由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能 因此 声表面波技术在雷达 通信和电子对抗中得到了广泛的应用 基本结构和工作原理 传感检测技术 声表面波器件是在压电基片上制作两个声 电换能器 叉指换能器 声表面波器件的工作原理 基片左端的换能器 输入换能器 通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号 此声信号沿基片表面传播 最终由基片右边的换能器 输出换能器 将声信号转变成电信号输出 整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理 并利用声一电换能器的特性来完成的 13 3红外检测 13 3 1红外检测的物理基础 红外辐射又称红外光 从紫光到红光热效应逐渐增大 而热效应最大的为红外光 在自然界中只要物体本身具有一定温度 只要高于绝对零度 都能辐射红外光 红外光和所有电磁波一样 具有反射 折射 散射 干涉 吸收等特性 黑体 能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体 镜体 能全部反射的物体 透明体 能全部透过的物体 灰体 能部分反射 部分吸收的物体 在自然界中 不存在黑体 镜体与透明体 传感检测技术 1 基尔霍夫定律 物体向周围发射红外辐射能时 同时也吸收周围物体发射的红外辐射能 即 2 斯忒藩 玻尔兹曼定律 物体温度越高 发射的红外辐射能越多 在单位时间内其单位面积辐射的总能量为 物体的绝对温度 K 传感检测技术 3 维恩位移定律 红外辐射的电磁波中 包含着各种波长 其峰值辐射波长与物体自身的绝对温度成反比 即 传感检测技术 13 3 2红外探测器 1 热探测器 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高 引起某种物理性质的变化 这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系 常用的物理现象有温差热电现象 金属或半导体电阻阻值变化现象 热释电现象 气体压强变化现象 金属热膨胀现象 液体薄膜蒸发现象等 因此 只要检测出上述变化 即可确定被吸收的红外辐射能大小 从而得到被测非电量值 用这些物理现象制成的热电探测器 在理论上对一切波长的红外辐射具有相同的响应 但实际上仍存在差异 其响应速度取决于热探测器的热容量和热扩散率的大小 传感检测技术 2 光子探测器 利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器 常用的光子效应有光电效应 光生伏特效应 光电磁效应 光电导效应 热探测器与光子探测器比较 热探测器对各种波长都能响应 光子探测器只对一段波长区间有响应 热探测器不需要冷却 光子探测器多数需要冷却 热探测器响应时间比光子探测器长 热探测器性能与器件尺寸 形状 工艺等有关 光子探测器容易实现规格化 传感检测技术 13 3 3红外辐射检测技术的应用 1 红外测温 双通道光电比色温度计 传感检测技术 2 红外气体分析 只要在红外波段范围内存在吸收带的任何气体 都可用红外辐射进行分析 该法的特点是 灵敏度高 反应速度快 精度高 可连续分析和长期观察气体浓度的瞬时变化 3 红外遥测 运用红外光电探测器和光学机械扫描成像技术构成的现代遥测装置 可代替空中照相技术 从空中获取地球环境的各种图像资料 在气象卫星上采用的 双通道扫描仪 装有可见光探测器和红外探测器 红外探测还可用于森林资源 矿产资源 水文地质 地图绘制等勘测工作 传感检测技术 13 5激光检测 13 5 1激光检测的物理基础 1 激光的形成 激光的形成必须具备三个条件 具有能形成粒子数反转状态的工作物质 增益介质 具有供给能量的激励源 具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔 2 激光的特性 方向性强 亮度高单色性好相干性好 传感检测技术 工业YAG固体激光器内部构造 13 5 2激光器及其特点 固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器 传感检测技术 磷酸氧钛钾 掺钕钒酸钇 13 5 3激光检测技术的应用 激光检测技术具有精度高 测量范围大 检测时间短 非接触式等优点 常用于测量长度 位移 速度 振动等参数 精度取决于测时精度 由于它利用的是脉冲激光束 为提高精度 要求激光脉冲宽度窄 光接收器响应速度快 所以 远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源 近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源 传感检测技术 传感检测技术 2 激光测流速 激光测量流速用得较多的是多普