检测与传感第十章

上节内容复习1.色敏传感器的定义基于内光电效应将光信号转换为电信号的探测器件第9章半导体传感器光敏：检测光的强度；色敏：测量光的波长2.色敏与光敏的区别3.分类：可见光传感器、单色彩传感器、集成性全色彩传感器4.光电二极管的两幅特性图吸收系数随光波长变化曲线：量子效率随波长的变化曲线紫外部分吸收系数大，穿透深度小；红外部分吸收系数小，穿透深度大浅的PN结有较好的紫光灵敏度深的PN结有较好的红外灵敏度当前第1页\共有55页\编于星期三\3点6.色敏传感器工作原理和测量步骤不同的结深区域对不同波长的光具有不同的灵敏度来识别入射光的波长（颜色）的。Step1:对该色敏器件进行标定Step2:根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。7.应用气敏传感器——实用酒精测试仪湿敏传感器——直读式湿度计色敏传感器——彩色信号处理电路上节内容复习声波的频率范围(16~2×104Hz)次声波、超声波第10章超声波传感器2.分类：纵波、横波、表面波（横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%）3.超声波反射系数R与折射系数T(超声波在两种特性阻抗差别较大的界面时，将发生全反射)4.超声波的衰减：声压、声强5.引起衰减的原因：扩散衰减、散射衰减、吸收衰减当前第2页\共有55页\编于星期三\3点10.1超声波及其物理性质10.2超声波传感器10.3超声波传感器应用1.物位传感器2.流量传感器1.定义2.分类(结构)第10章超声波传感器3.超声波测厚4.超声波探伤5.倒车雷达6.便携式超声波探鱼器7.超声波在医学检查中的应用8.超声波清洗原理及清洗器当前第3页\共有55页\编于星期三\3点10.2超声波传感器1.定义利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置。（超声波换能器、探测器）2.超声波的分类按工作原理压电式磁致伸缩式电磁式按结构分为单晶直探头、双晶直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、空气传导探头以及其他专用探头等。当前第4页\共有55页\编于星期三\3点压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的。超声波探头中的压电陶瓷芯片正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头；逆压电效应将高频电信号转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头

（1）压电式当前第5页\共有55页\编于星期三\3点超声波探头结构如图所示，它主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电式超声波传感器结构保护膜的作用：是为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片；可用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼块的作用：是降低晶片的机械品质，吸收超声波的能量。（如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差）；阻尼吸收块用钨粉、环氧树脂等浇注。当前第6页\共有55页\编于星期三\3点

磁致伸缩波导丝，作为磁致伸缩传感器中的核心部件，其饱和磁化强度较高，力学性能好，具有应变值高、电（磁）-----机械波转换能力强的优点，能将微小的磁场向量变化转变为机械波，在液位测量中起着关键的作用。理论上，可对材料居里点100℃以下范围内的液体液位进行精确测量。（2）磁致伸缩式【注】主要用于液位的测量（磁致伸缩液位计）当前第7页\共有55页\编于星期三\3点液位测量精度达0.1mm扭转波脉冲（机械波）工作时，传感器电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。磁致伸缩液位计测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动，在浮子内部有一组永久磁环。当脉冲电流磁场与浮子磁环产生的磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变，从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。当前第8页\共有55页\编于星期三\3点应用领域主要有：工业现场液位测量与控制，油罐药罐液位测量，食品饮料液罐控制，大坝水位监控，饮用水和污水处理等。当前第9页\共有55页\编于星期三\3点（3）单晶直探头单晶是指超声波的发射和接收均是利用同一块晶片虽然超声波的发射和接收利用同一块晶片，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。

直探头是指波垂直入射到被检介质当前第10页\共有55页\编于星期三\3点各种超声波单晶直探头外壳用金属制作，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常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（波垂直入射到被检介质）当前第11页\共有55页\编于星期三\3点（4）双晶直探头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。

双晶探头的结构虽然复杂些，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。与单晶直探头对比：当前第12页\共有55页\编于星期三\3点各种双晶直探头直径范围：5~40mm频率范围：2.5~5MHz当前第13页\共有55页\编于星期三\3点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（5）斜探头当前第14页\共有55页\编于星期三\3点各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz当前第15页\共有55页\编于星期三\3点（6）聚焦探头（7）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0.2mm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。聚焦探头可以分辨试件中细小的缺陷，是一种很有发展前途的新型探头。利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。当前第16页\共有55页\编于星期三\3点（8）空气传导型探头空气传导型超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，对两者的技术要求不同：发射器的发射效率高，方向性好；接收器需要接收效率高，抗噪性能好。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。空气超声探头外形当前第17页\共有55页\编于星期三\3点【注】超声波探头耦合剂一般不能直接将超声波传感器放在被测介质（特别是粗糙金属）表面来回移动，以防磨损。空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。常用的耦合剂有水、机油、甘油、羧甲基纤维素钠、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。耦合剂当前第18页\共有55页\编于星期三\3点10.3超声波传感器应用（2）分类根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器：单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器；双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。1超声波物位传感器（1）原理利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。当前第19页\共有55页\编于星期三\3点左图给出了几种超声物位传感器的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图（a）所示。

几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图（b）所示。这种方式便于安装和维修。超声波在空气中的衰减比液体中严重（超声波在空气中的衰减系数大）eg：频率为106Hz的超声波在离开声源以后，在空气中经过0.5m距离，其强度就要减弱一半；在水中传播，要经过500m的距离后才使强度减弱一半。当前第20页\共有55页\编于星期三\3点对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为则h——换能器距液面的距离； c——超声波在介质中传播的速度对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而因此液位高度为S——超声波从反射点到换能器的距离；a——两探头间距离的一半只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可求得待测的物位当前第21页\共有55页\编于星期三\3点精度高，使用寿命长；受液体中气泡或液面波动影响严重（一般下，测量误差为±0.1%，检测物位的范围为10-2~104m）超声波物位传感器的特点：当前第22页\共有55页\编于星期三\3点2超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法有很多，最常用的是传播时间差法。

原理：由于超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。当前第23页\共有55页\编于星期三\3点F1发射的超声波到达F2的时间较短当前第24页\共有55页\编于星期三\3点发射、接收探头安装在管道同一侧当前第25页\共有55页\编于星期三\3点如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L,如图所示。设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c。假设管道内流体的流动速度为v，则则超声波传播时间差为：由于c>>v,从上式便可得到流体的流速，即当前第26页\共有55页\编于星期三\3点超声波传感器安装位置若超声波探头的安装位置上右图所示，则超声波的传输时间将由下式确定：当前第27页\共有55页\编于星期三\3点同侧式超声波流量计的使用当前第28页\共有55页\编于星期三\3点超声波流量计现场使用当前第29页\共有55页\编于星期三\3点超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，经放大后激励压电式探头，产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为：3．超声波测厚δ=υt/2当前第30页\共有55页\编于星期三\3点从显示器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t，从而做成厚度数字显示仪表。当前第31页\共有55页\编于星期三\3点手持式超声波测厚仪当前第32页\共有55页\编于星期三\3点手持式超声波测厚仪（续）当前第33页\共有55页\编于星期三\3点金属构件测厚当前第34页\共有55页\编于星期三\3点某超声波测厚仪指标显示方法∶128×32LCD点阵液晶显示（带背光）

显示位数：四位

测量范围：0.8~200mm

示值精度：0.1mm

声速范围：1000~9999m/s

测量周期：2次/s

自动关机时间：90s

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72h

使用温度：-10~40℃

存储温度：-20~70℃

外形尺寸：108×61×25mm

重量：230g（含电池）当前第35页\共有55页\编于星期三\3点混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚石料测厚当前第36页\共有55页\编于星期三\3点利用空气传导的超声波发射器向下发射一个短时脉冲，另一个空气传导的超声波探头接收到反射波后并经放大后，立即响应中断，处理中断子程序。计算出发射到接收的时间t，按右式计算出探头与人体头部之间的距离x，就可以得到人的身高h。应变传感器安装在脚底部的踏板上。超声波非接触式测量人体身高xh当前第37页\共有55页\编于星期三\3点踏板内安装有压力传感器压板内安装有压电传感器，以判断是否触及头部测量柱内安装有电动机位移传感器身高；1.6m体重：70kg超重！和这个原理一样吗？当前第38页\共有55页\编于星期三\3点4.超声波探伤穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。

反射法探伤反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。当前第39页\共有55页\编于星期三\3点（1）穿透法探伤

优点：适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。穿透法探伤原理

当前第40页\共有55页\编于星期三\3点（2）脉冲反射法

脉冲反射法探伤原理当前第41页\共有55页\编于星期三\3点反射法超声波探伤原理动画起始波缺陷反射波底波工件缺陷当前第42页\共有55页\编于星期三\3点手推钢轨探伤车当前第43页\共有55页\编于星期三\3点手推钢轨探伤车（续）当前第44页\共有55页\编于星期三\3点高速钢轨探伤车超声波钢轨探伤车是联邦德国克劳特克莱默公司于1956年试制成功的。这种车辆利用超声波法进行钢轨伤损探测，能够探测钢轨的疲劳缺陷和焊接缺陷，有的还能检测擦伤、轨头压溃和波浪形磨耗。这种车辆装有自动记录设备，能把钢轨伤损信号、里程信号和线路特征信号记录在同一纸带或胶片上。根据记录可分析确定伤损的大小和在钢轨内的位置，也可确定伤损所在的线路里程。此外，根据连续二次的记录还可确定钢轨伤损的发展速度和发展规律。常用的检测行车速度：每小时30～50公里最佳灵敏度：直径3毫米的钻孔当前第45页\共有55页\编于星期三\3点构件的超声探伤裂纹当前第46页\共有55页\编于星期三\3点构件的超声探伤当前第47页\共有55页\编于星期三\3点例题:已知超声波在钢中的传播速度为5900m/s，显示器的X轴为10s/div(格)。现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t

及tF；2）钢板的厚度

及缺陷与表面的距离xF。当前第48页\共有55页\编于星期三\3点解：1)B波与T波的时间间隔为tδ=6×10s=60s；tF=2×10s=20s2)钢板的厚度