传感器与检测技术_ppt课件第九章[1].

1、第9章波式传感器2013-8引言料一理番爲射 材之物减，种中折它无及 及体一质、使齧 囊这中固从介声微 机用波种一显、通接固光声两生些如声子的及、透超在产这，超 电用以体不当于会的用 、第液对。由上波应量 理聶在是度，面声的测 物业、波别厚时涯 以各生声篇质介。广淤 门行产超，杀在象了、 一離。强十种Is 是，声的力几一同等获测 术的超成能透另不换翟0 技础过完透舊WK曙 波基通審能射養技、像 声竇程，波入播波测伤成 曇匕过小声质传和纂声«*»=2013-82丄9：L超声波及其物理性质 g.i.i超声波的基本概念1超声波的概念和波形cS机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简

2、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lOOH疋8kHZo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2013-8-e声波频率的界限划分次用波声波w微波超声波2013-8-e5I o' IO- IO- 10， io' 10“ io" "Hzdfe的分尖1.次声波暑r* :叙次声波是频率低于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

3、。2013-B-e54可闻声波o美妙的音乐可使人陶醉。2013-B-e62013-8-e9电普声波 X蝙蝠 能发出和 听见超声 ；£uSt O2013-8-e超声波与可闻声波不同, 以被衆fe,貝右能M傑冲 的特点。 -r111超声波加湿器超声波雾化器声波的波型(1) 纵波一质点振动方向与波的传播方 向一致的波。(2) 横波一质点振动方向垂直于传播方 向的波。(3) 表面波一质点的振动介于横波与纵 波之间，沿着表面传播的波。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*,多采 用纵波.92013-6-eIAaI/vaaAz

4、2013-6-e11横波2013-8-e114表面波2013-8-e132声速、波长与指向性(1)声速纵波.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。介质的声阻抗N等于介质的密度囲声速啲乘积，即Z=pc132013-6-e常用材料的密度、声阻抗与声速 (环境温度为09)材料密度 p(10、kgm ')声阻抗 Z ( lO'MPas >)纵波声速 C| < km/ s >横波声速 J (km/s)7.846593.23俐2.7176323X)K&9424.72.05仃机玻璃IJ83.22.731.43甘油L262.4L92水(2

5、0X?1.()1481.48油0.91-281-4空气*201310.00130.00040.34M(2)波长超声波的波长 与频率凍积恒等于声速G 即 A f=cIS2013-6-e(3)指向性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 大而减小。2013-6-e16指向角8与超声源的直径0、以及波长1 之间的关系为sm&= 1.22A/D设超声源的直径Q=20nim,射入钢板的 超声波（纵波）频率为5MHz,则根据 式（可得40,可见该超声波的指向性 是十分尖锐的。172013-6-e3 超声波的反射和折射超声波从一种介

6、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，2013-6-e18波的反射和折射2013-6-e20192013-6-e(1) 反射定律入射角a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a等于反射角a'。(2) 折射定律入射角a的正弦与折射角卿正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速d与在折射波中 介质的波速c2之比，即sina/ sm“= cl / c24超声波的衰减超声波在介质中传播时

7、，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、 射及吸用舍庆1素着来。-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。212013-8-e9.2微波传感器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

8、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。2013-8-e22波段频车范IH/GHz在貞空中波K/cmL0390 I 55()769193S1.55O-5.2OO19.35.77X5.200-10.9005.77-2.75K1090036()(X)2.75-0.834Q36000 460000.834-0.652V46.00056,0000,652-0.536W56.000-100.0000.53603002.1微波的性质与特点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S级时，

9、微波又有近于声学的特性232013-8-e占92：L微波的性质与特点 2、微波的传播特性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。2013-8-e249.2.1微波的性质与特点3、介质的电磁特性(丄)、微波的频率较高，传播指向性强；(2) 、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容 易被反射；(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；(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。2S2013-8-e9.2.2微波振荡器与微波天线1=1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

10、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。2013-8-e26士 922微波振荡器与微波天线-常见微波天线结构示意图<jy32013-8-e28272013-8-e9.2.3微波传感器及其分类类别测量参数特点空间波 式微波在白由空间的反射、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， 休积小谐振腔 式谐振频率、晶质W数随腔体 尺寸或腔中填充物的变化稻度高9.2.3微波传感器及其分类2013-8-e30微波传感器的基本构成框图292013-8-e9.2.3微波传感器及其分类微波传感器的基本构

11、成框图各勺中微波探头圳州巾常曲常用频率范围；0. 5-lOMHz, 常见晶片直径：530mm接触式直探头（纵波垂直入射 到被检介质）一-保护膜外壳用金属制宅W接插件312013-8-e超声波探头中的压电陶瓷芯片将数口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问很短的超声振 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 荷和牺T"221 单晶直探头1=11-J用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片釆用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）、

12、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 铸粉、环氧树脂等浇注。332013-6-e超声波探头结构示意2013-6-e35（b）以品貫擇头<a）GiUi农擇头2；：W：；：鸟（C）和头2X95 4 3 r%!=«件2外壳3阻尼吸收块4一引线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1丄一耦合剂i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。352013-6-e2 双晶直探头直探头

13、简单。.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2013-6-e36各种双晶直探头|5频率范用:5 m焦距范伟1； 5-40mm,25hMHz,钢中折射角：45。70。2013-6-e372013-6-e393斜探头

14、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。扌式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）接插件底部耐磨材料倾斜入射 而传播到39压电晶片粘贴在与底面成一左角度（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， 到试件中去，可产竺多次反射， 较遷楚LL。中接触式斜探头A常用频率范围:J皆'1 5WIZ2013-6-e4020

15、13-6-e右接触法双晶斜探头（续）II4a©414聚焦探头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。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超 声波，也可以釆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。2013-6-e425 箔式探头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0.2inm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。432013-6-e6 空气传导型探头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,cn Cj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 可达几米至几十米。2013-6-e44空冬传导型超声发生、接收器结-je构不意图/ XX XT£1sbha_2013-8-e46（b制声搔收湍543<)tt声发生8丄一外壳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