《传感器与检测技术》课件 第十一章 辐射与波式传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第十一章辐射与波式传感器RADIOACTIVITY辐射传感器11.1红外传感器11.2超声波传感器11.3长波辐射传感器超声波模块超声波液位传感器漫反射红外传感器第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.1定义概述辐射传感器是利用放射性同位素发出射线，根据被测物质对射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发作用，将辐射的全部或部分能量转化为可观测的电流、电压信号的装置，用以对厚度、物位、密度等进行检测。当放射物通过被测物时会伴随着能量的损失，只要测得确切的损失量，就可以准确的了解到被测物的特征。辐射传感器的应用领域非常宽泛，如现场无损检测、元素定量分析、环境监测、CT断层扫描、探伤、太空探测等。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理1.辐射的分类辐射可分为非电离辐射和电离辐射：①非电离辐射如微波等，能量在几个电子伏特（~eV）量级，这些粒子虽能够同物质发生一定作用，但都不能使物质发生电离效应，如移动电话的频率为800~1800MHz，而能量（<0.01eV）较小，所以没有电离作用。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理1.辐射的分类②电离辐射直接或间接使介质发生电离效应的（能量>keV）带电或不带电的射线或粒子称为电离辐射，如射线、射线、介子等，其来源主要有放射性物质（人造、天然）、加速器、反应堆、宇宙射线、地球环境等。核辐射就是一种电离辐射。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理2.放射性同位素核素：具有确定质子数和中子数的原子核。同位素：具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素。核衰变：原子核自发射出某种粒子而变为另一种核的过程称为核衰变。放射性同位素：具有核衰变性质的同位素，在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”。根据实验可得出放射性衰减规律呈指数变化。式中，是初始时的原于核数；是时刻原子核数；是衰减常数。不同同位素值不同，元素衰变的速度决定于的量值，愈大则衰变愈快。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理2.放射性同位素由式可知，放射性同位素的原子核数随时间按指数规律衰减，习惯上常用一个常数即半衰期表示原子核数衰减速度。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰减到一半时所经历的时间，一般用半衰期表示同位素的寿命，可求出半衰期为可见，半衰期和衰减常数是不受外界影响并与时间无关的恒量，不同的放射性元素具有不同的半衰期。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用放射性同位素衰变时放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称放射性，这些放射出带有一定能量的粒子或射线称为核辐射。放射性同位素在衰变过程中能放出、、三种射线，其中射线由带正电粒子组成（如氦核）；射线由带负电的粒子组成，粒子就是高速运动的电子；射线是一种电磁波，由中性不带电高速光子流组成。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用放射性的强弱称为放射性强度，一股用单位时间内发生衰变的次数来表示，也称核辐射强度。放射性强度随时间按指数规律而减小，可表示为放射性强度式中，是衰减常数；是初始的放射性强度；是经过时间后的放射性强度。放射性强度单位用（贝可）表示（次核衰变）/秒第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用（居里）与（贝可）有如下关系（发生核衰变次数）/秒（毫居）第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用核辐射与物质间的相互作用主要是电离、吸收、散射与反射作用。①电离具有一定能量的带电粒子在穿透物质时会产生电离作用，在经过的路程上电离后形成许多离子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。其中：粒子由于能量、质量、电荷大，电离作用最强，但射程较短，射程是带电粒子在物质中穿行的直线距离；粒子质量小，电离能力较同样能量的粒子弱，因为粒子容易产生散射，所以穿过物质的路径是弯曲的折线；粒子几乎没有直接电离作用。核辐射与物质的相互作用第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用②吸收、散射和反射在、、三种射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子会产生共振，振动的电子在其周围形成散射的电磁波源，在穿透物质的过程中，一部分粒子和射线能量被吸收和衰减，一部分粒子能量被散射和反射。粒子或射线的能量随穿过物质的厚度呈指数规律衰减，可用吸收系数表示为式中，、分别是射线穿过吸收体前、后的辐射强度；是穿过物质厚度，单位为cm；是物质的线性吸收系数。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用比值（为物质密度）称质量吸收系数，常用表示。实验证明，质量吸收系数几乎与吸收体的化学成分无关，设质量厚度，式子可改写为此式是核辐射仪器设计的基础。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.2核辐射物理基础及原理3.核辐射与物质间的相互作用下图为1MeV粒子穿透物质能力的示意图。可见三种射线中射线穿透能力最弱；射线次之，穿行时易改变方向产生散射形成反射；射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中可穿透几百米，因此射线广泛用于金属探伤。1MeV粒子穿透物质能力的示意图第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成1.探测方式辐射传感器应用非常广泛，种类和形式也很多。用于现场快速测量的辐射传感器有两种主要探测方式，一种方式是测量天然或自然的放射线，如图(a)所示；另一种方式如图(b)所示，它是利用放射性测量技术来检测非放射性物质，根据被测物质对射线的吸收、反射或散射进行检测。后一种方式的探测器结构主要由放射源和射线探测器组成。辐射传感器探测方式第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成利用放射线进行测量时，必须有放射源放射出、、等射线。放射源的种类很多，图(a)为放射源结构示意图，图(b)为不同形状结构的同位素源。为防止灰尘进入，并防止放射源污染对人体造成损伤，放射源密封在铅容器中。放射源放射源测量面有耐辐射薄膜（源用铍窗或铅窗）覆盖、放射源的结构应使射线从测量方向射出，其他方向应尽量减少剂量以减少对人体的危害。其他方向可以用铅进行屏蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成放射源半衰期（年）射线种类能量137C（铯）33.2β、γ0.6614MeV241Am（镅）470α、γ5.48MeV27keV238P（钚）86X12~21keV60C（钴）5.26β、γ0.31，1.17，1.33MeV90Sr（锶）19.9β0.54，2.24MeV55F（铁）2.7X5.9keV几种放射源特征第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成核辐射探测器是辐射的接收器，常用的有气体探测器、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器等，设计时可根据不同要求和测量对象进行选择。下面主要讲解盖格计数管和半导体探测器。核辐射探测器①盖格计数管盖格计数管也称气体放电计数器。其结构原理如右图所示，一密封玻璃管中间是由钨丝材料制作的阳极，管内壁是导电阴极，内部充惰性气体、卤族气体。盖格计数管结构原理示意图第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成辐射会引起管内气体电离，负离子移向阳极时与其他气体分子碰撞产生次级电子，接近阳极时次级电子急剧倍增，引起雪崩现象发生放电，放电后电子被中和，剩余正离子包围阳极形成正离子鞘。正离子鞘和阳极间的电场因正离子的存在而减弱，不再产生离子增殖，原始电离的放大过程停止。盖格计数管结构原理示意图第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成在电场作用下，正离子鞘向阴极移动形成电流，该电流在负载电阻上产生电压脉冲，正离子打到阴极时会打出电子，电子被电场加速又引起计数管放电产生正离子鞘，这一过程循环出现，从而形成连续脉冲放电。盖格计数管的坪曲线右图为盖格计数管的坪曲线，、代表射线强度。计数管上电压一定时，入射射线越强电流越大，输出脉冲数N越多，a~b段称“坪”，计数管工作在这个电压范围时输出与外加电压无关，只与入射射线强度成比例。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成②半导体探测器半导体探测器是利用半导体材料制成的辐射传感器，主要类型有：结型、面垒型、锂漂移型等。右图为结型半导体探测器结构示意图，它实质是一个大体积的晶体二极管，设置有一个阴极（P+层）和一个阳极（N+层）。结型半导体探测器结构示意图射线入射到半导体探测器时会产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在电场作用下形成正比于入射射线能量的电流。在探测器两端施加3000V以上高压使电子-空穴对加速移动，形成高速二次电子产生更多电子-空穴对，使电流倍增放大。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成右图是P-N结区（势垒区）的形成的过程。多数载流子扩散时，空间电荷形成内电场并形成高电阻率结区，结区内为耗尽层。在P-N结上加反向电压，反向电压形成的电场与内电场方向一致，使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽，同时反向电流增大。P-N结半导体势垒形成第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.3辐射传感器探测方式和组成2.组成半导体探测器的输出电路如右图所示，P-N结可等效为电流源，，为测量电路的等效输入电阻和电容。前置电路将电荷转换为电脉冲信号输出，脉冲的幅值反映入射射线的能量（代表元素），脉冲数目代表含量多少。半导体探测器特点是输出信号小、分辨率高。半导体探测器的等效输出回路第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.4辐射传感器的应用1.厚度测量下图为透射式测厚原理示意图，透射式测厚时放射源S与探测器在被测材料的两侧。探测器将透射后的放射线强度转换为电压信号，先后经分压电阻、前置放大器、程控主放大器，最终经转换与显示电路获得被测物件的厚度信息。透射式测厚结构原理示意图透射式测厚第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.4辐射传感器的应用1.厚度测量透射式测厚常用电离室做探测器，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分能量，能量的强度随厚度按指数规律变化。由式即可求出被测物体厚度。实际测量时，在检测未知厚度之前用标准厚度进行标定，由工作曲线求出待测厚度。透射式测厚结构原理示意图第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.4辐射传感器的应用1.厚度测量下图为散射式测厚结构原理示意图。散射测厚时放射源S与探测器在被测材料同一侧，利用核辐射被物体后向散射的效应。其散射强度与被测距离、物质成分、密度、厚度表面状态等因素有关散射式测厚结构原理示意图散射测厚式中，是质量系数；是与射线能量有关的常数；是被测物体厚度。根据测量的散热强度大小，即可求出被测材料厚度。这种方式可用于测薄板厚度、镀层厚度等。第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.4辐射传感器的应用2.CT技术射线CT工作原理如下图所示，并排着的射线源发射一定强度的X线或射线，把通过物体的射线用与射线源平行排列的探测器接收。测量时射线源和探测器以体轴为中心一点点步进旋转，在扫描一次结束后机器转动一个角度再进行下一次扫描，反复进行同样的操作。这样求得在各个角度上的投影数据，再由计算机处理，即可重建得到剖面和立体图像。射线CT工作原理示意图第十一章11.1辐射传感器1.1.1什么是传感器11.1.4辐射传感器的应用2.CT技术CT技术首先在医学领域得到应用，并获得诺贝尔奖。目前英、美、日、德等发达国家竞相开发研究工业CT装置，20世纪80年代末期已完成第五代CT的开发，研制出近千种CT产品，适用于航空航天、材料科学、核科学与工程、生物医学、控制工程、机械工业等领域。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.1红外线及其工作原理1.电磁波波谱与红外线可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同。将各种不同的电磁波按照波长（或频率）排成如右图所示的波谱图，称之为电磁波谱。可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76~600μm之间（称为红外区）。而红外区通常又可分为近红外（0.73~3μm）、中红外（3~6μm）、远红外（6μm~15μm）和极远红外（15μm以上）。电磁波波谱图第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.1红外线及其工作原理2.红外线的产生及其性质红外线是由于物体（固体、液体和气体）内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度（-273.15℃）时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物包括人体等都是红外辐射源。红外线的产生第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.1红外线及其工作原理2.红外线的产生及其性质红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质。红外线在真空中传播的速度，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律式中，、分别是射线穿过吸收前后的辐射强度；是与介质性质有关常数。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.1红外线及其工作原理2.红外线的产生及其性质红外线经过金属后的衰减非常大，因此一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如薄至1mm的水对红外线的透明度很小，当厚至1cm时水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气层（含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等）对波长为1~5μm，8~14μm之间的红外线具有比较大的“透明度”，即这些波长的红外光能较好地穿透大气层，而对其他波长的透明度较差。红外线的性质第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.1红外线及其工作原理2.红外线的产生及其性质而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一定范围的波长，就可以达到测量的目的。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成1.红外传感器的分类热敏探测器热敏探测器是利用红外线引起元件温升而制成，它的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。热敏探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。红外线传感器是利用物体产生红外线的特性，实现自动检测的传感器，也称红外探测器，它是一种能探测红外线的器件。按工作原理，红外线传感器可分为两类：热敏探测器和光子探测器。定义第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成1.红外传感器的分类光子探测器光子探测器是利用半导体材料在红外线照射下产生光电子效应制成。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快（最快可达毫微秒数量级），具有较高的响应频率，但探测波段较窄，需在低温下工作光子探测器主要是采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光生伏特元件等几类。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成1.红外传感器的分类要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大、频率必须大于某一值，即能引起光电效应的辐射存在一个最长的波长限度。由于这类探测器是以光子为单元起作用的，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此这类探测器被称为“光子探测器”。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成2.红外探测器的组成透射式红外探测器如下图所示，透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的，根据所用红外波长选择光学材料。红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。按光学系统的结构来分，可分为透射式和反射式两类。透射式红外探测器光学系统结构图第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成2.红外探测器的组成测700℃以上高温用波段在0.76~3μm的近红外区，可用光学玻璃和石英等材料；测量100~700℃的中温度时，用波段在3~6μm的中红外区，多数采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料；测100℃以下低温度时，用波段在6~15μm的远红外区，多数采用锗、硅等材料。透射式红外探测器光学系统结构图第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成2.红外探测器的组成反射式红外探测器反射式红外探测器其光学系统结构图如下图所示。采用反射式光学系统主要是因为获得透射红外波段的光学玻璃材料比较困难，此外反射系统还可以做成大口径的镜子。但是在加工方面，反射式比透射式要困难得多。反射式红外探测器光学系统第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.2红外传感器的分类与组成2.红外探测器的组成反射式光学系统是多凹面玻璃反射镜，其表面镀金、铝或镍铬等对红外波段反射率很高的材料。为了减小光学像差或为了使用上的方便，通常再加一片次反射镜，使目标辐射经二次反射聚焦到接收元件上。反射式红外探测器光学系统第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.3红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度。当物体温度低于1000℃时，它向外辐射的是红外光，可用红外探测器检测温度；如采用可分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。目前已有带单片机的智能红外测温仪，简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性和准确性。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.3红外传感器的应用1.红外测温仪下图是红外测温仪原理框图，红外线经过透镜和滤光片之后，经红外探测器转化为电压信号。对电压信号进行前置放大，提高信噪比。再经过选频放大，对需要的频率信号进行筛选放大，滤除杂波。再经过具有环境温度补偿功能的模数转换模块，输出数字信号并传输至单片机。单片机对数据进行处理后，把测得的温度值显示出来。红外测温仪原理框图第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.3红外传感器的应用1.红外测温仪在锻造厂，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900℃，其误差不得超过±5℃，控制锻件的温度是关键问题。采用红外测温仪，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度，如右图所示。当锻件加热到900℃时，红外探测器输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。红外测温仪测量工件温度第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.3红外传感器的应用2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收特性来对气体成分进行分析，不同气体的吸收波段（吸收带）不同，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。第十一章11.2

红外传感器1.1.1什么是传感器11.2.3红外传感器的应用2.红外线气体分析仪右图是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。它由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电加热发出3~10μm的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。气体分析仪结构原理图第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.1定义概述超声波传感器是一种利用超声波（频率高于人类听觉范围的声波，通常指频率在20kHz以上的声波）进行测量和检测的传感器，广泛应用于冶金、船舶、机械等各个工业部门的超声探测、超声清洗、超声焊接，医院的超声医疗和汽车的倒车雷达等方面。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质声波是一种机械振动波。介质中的质点以弹性力互相联系。某质点在介质中振动，能激起周围质点的振动。质点振动在弹性介质内的传播形成机械波。声波频率界限如右图所示，当它的振动频率在20Hz~20kHz的范围内时，可为人耳所感觉，被称为声波；低于20Hz的波人耳不可感觉到，被称为次声波；高于20kHz的波被称为超声波。超声波的概念声波频率界限图第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质超声波波长短、频率高、绕射小、方向性好，频率越高，声场指向性就越好，某些特性与光波越相近。超声波在空气中衰减快，但在液体、固体（尤其是在不透光的固体）中衰减很小，穿透力强。超声波碰到介质分界面时，会在界面上产生反射、折射和波形转换。声波频率界限图第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质①超声波的传播波形根据声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的传播波形主要可以分为纵波（P-wave）、横波（S-wave）、表面波（Surfacewave）等几种。超声波的物理性质纵波纵波——质点振动方向与波的传播方向一致，又称为压缩波，如右图所示。它能在固体、液体和气体中传播。人讲话时产生的声波就是纵波的一种。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质横波——质点振动方向垂直于传播方向，如右图所示。它是固体介质受到交变剪切应力作用时产生的剪切形变，所以又称为剪切波，只能在固体中传播。表面波——质点的振动介于纵波与横波之间，在固体表面的平衡位置附近作椭圆轨迹的振动，振动波只沿着固体表面向前传播，其振幅随深度增加而迅速衰减，又称为瑞利波。如右图所示。超声波传播波形示意图第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质②超声波的传播速度声波的传播速度取决于介质的弹性系数、密度以及声阻抗。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播。气体中超声波的传播速度为344m/s，液体中根据介质不同传播速度从900m/s～1900m/s不等。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系：通常横波声速为纵波声速的一半，表面波声速为横波声速的90%。此外，介质中的声速受温度影响较大，在实际应用时应注意控制温度变化或采取补偿措施。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质③超声波的波长超声波波长与在介质中的传播速度成正比，与波的频率成反比④超声波的衰减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的声能减弱。散射衰减是指超声波由于在固体介质中的颗粒界面上散射或在流体介质中的悬浮粒子或气泡上散射而造成的衰减（严重时可能接收不到反射回波，因此超声波不能精确探测表面为泡沫状的液体）。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质吸收衰减是由于介质的粘滞性使得超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换导致声能的损耗。声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减，其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系式中，分别是距声源处的超声波压强和声强；，分别是声源处的超声波压强和声强；是距声源处的距离；是衰减系数。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理1.超声波及其物理性质衰减系数因介质材料的性质而异，通常以dB/cm或dB/mm为单位来表示，一般晶粒越粗，衰减系数越大。在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百dB/mm之间。例如衰减系数为1dB/mm的材料，表示超声波每穿透1mm衰减1dB。衰减系数往往会限制最大探测厚度。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理超声波检测包含超声波的发生和接收两个环节，执行这两个环节的装置就是超声波传感器，通常也被称为超声波换能器或超声波探头。按照工作原理可以被分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，以压电式最为常用。下面以压电式和磁致伸缩式超声波传感器为例介绍其工作原理。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应来工作。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器又分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理，将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。压电式超声波传感器第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理压电元件可以等效为一个RLC串并联谐振电路，其等效电路如图(a)所示。图(b)为其电抗特性。由图可见，元件随频率变化的输出特性在与之间呈电感性，大于及小于则表现为电容性，这是超声波传感器所特有的，其中在频率处为RLC串联谐振频率，频率处为LCC并联谐振频率，超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。超声波传感器等效电路与电抗特性第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理压电式超声波接收器是利用正压电效应的原理，将超声波机械振动转换为电信号。压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时同一个传感器可以兼作发生器和接收器两种用途。超声波传感器主要结构由压电晶片、吸收块（阻尼）、保护膜、引线、金属外壳组成，几种常见类型的结构如下图所示。常见超声波传感器结构第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理压电晶片多为圆形薄片，超声波频率与压电晶片厚度成反比。压电晶片两面镀银，作为导电的极板，底面接地，上面用导线引出。保护膜一般被粘在压电晶片下，避免传感器与被测件直接接触对压电晶片产生磨损。阻尼块吸收声能降低机械品质，避免无阻尼时电脉冲停止后晶片继续振荡，导致的脉冲宽度加长，分辨率变差。常见超声波传感器结构第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理铁磁材料在交变的磁场中沿着磁场方向产生伸缩的现象，被称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应的强弱即材料伸长缩短的程度，因铁磁材料的不同而异。镍的磁致伸缩效应最大，如果先加一定的直流磁场，再通以交变电流时，它可以工作在特性最好的区域。磁致伸缩传感器的材料除镍外，还有铁钴钒合金和含锌、镍的铁氧体。它们的工作频率范围较窄，仅在几万赫兹以内，但功率可达100kW，声强可达几千瓦每平方毫米，且能耐较高的温度。磁致伸缩式超声波传感器第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理磁致伸缩式超声波发生器的工作原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。它是用几个厚为0.1~0.4mm的镍片叠加而成，片间绝缘以减少涡流损失，其结构形状有矩形、窗形等，如下图所示。磁致伸缩式超声波传感器的结构第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.2工作原理2.超声波传感器工作原理磁致伸缩式超声波接收器的工作原理是：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导磁特性）发生改变。根据电磁感应原理，磁致伸缩材料上所绕的线圈里便获得感应电动势。此电动势被送入测量电路，被记录或显示出来。磁致伸缩式超声波接收器的结构与超声波发生器基本相同。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用1.超声波传感器分类根据超声波的发射器与接收器的安装方向的不同，其应用可以分为透射型和反射型两种基本类型，如右图所示。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，称为透射型。当超声发射器与接收器置于被测物同侧时，属于反射型。超声波应用的两种基本类型1—超声波发射器2—被测物3—超声波接收器第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用1.超声波传感器分类被测物体大小直接影响超声波传感器的检测范围，传感器必须探测到一定声级的超声波才会有输出。体积大的物体能反射大部分发出的超声波，而体积小的物体仅能反射少部分超声波，导致检测范围大大缩小。超声波传感器探测的理想物体为体积大、平整、密度高，并且与传感器表面垂直的物体；最难探测的物体是体积小、由吸波材料制成的物体，或者与传感器表面成非90°角的物体。超声波应用的两种基本类型1—超声波发射器2—被测物3—超声波接收器第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用2.超声波测厚测量试件厚度的方法很多，超声波传感器测量金属零件厚度（测量范围为0.1~10mm，信号频率为5MHz）具有测量精度高、操作安全简单、易于读数、能实现连续自动检测、测量仪器轻便等众多优点。脉冲回波法检测厚度工作原理但对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状极不规则的零件，利用超声波实现厚度测量比较困难。此外，测量的准确度也与温度及材料特性之间存在一定的关系。超声波测量厚度常采用脉冲回波法。右图为脉冲回波法检测厚度的工作原理。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用2.超声波测厚在用脉冲回波法测量试件厚度时，超声波探头与被测试件某一表面相接触。由主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后加在超声波探头上，从而激励超声波探头产生重复的超声波脉冲。脉冲回波法检测厚度工作原理脉冲波传到被测试件另一表面后反射回来，被同一探头接收。若已知被测体的声速常数，只需要测出脉冲波从发射到接收的时间间隔，即可求出被测试件厚度为第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量超声波测量流体流量是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，求得流体的流速和流量。相应的传感器称为超声波流量计。超声波流量计的测定方法众多，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、互相干法等，目前应用最广泛的主要是时间差法和多普勒法。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量超声波测流体流量工作原理右图为超声波测流体流量的工作原理图。图中，为被测流体的平均流速，为超声波在静止流体中的传播速度，为超声波传播方向与流体流动方向的夹角（必须不等于90°），A、B为两个超声波换能器，为两者之间距离。下面主要介绍几个测量方法。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量采用时间差法测流量的超声波传感器称为时差式超声波流量计。当A为发射换能器，B为接收换能器时，超声波为顺流方向传播，传播速度为，所以顺流传播时间为时间差法测流量当B为发射换能器，A为接收换能器时，超声波为逆流方向传播，速度为，所以逆流传播时间为第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量时间差为由于超声波在流体中的传播速度远远大于流体的流速，即≫，上式可近似为第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量流体平均流速为测得流速后，再根据管道流体的截面积，即可求得被测流体的流量。该方法的测量精度取决于的测量精度。同时，由于被测流量与超声波传播速度有关，而声速一般随介质的温度变化而变化，因此测量存在温度漂移。时差式超声波流量计测量精度高、换能器简单，不影响流体流动形态，适用于测量较洁净的均质流体，被广泛应用在天然气、水务、石油化工、冶金、造纸、制药、发电、热电等行业。第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量采用时间差法需要得到准确的声速，否则会引入误差，而使用频率差法可以有效的避免这个问题。当A为发射换能器，B为接收换能器时，超声波的传播频率为频率差法测流量当B为发射换能器，A为接收换能器时，超声波的传播频率为第十一章11.3

超声波传感器1.1.1什么是传感器11.3.3超声波传感器的应用3.超声波测流量频率差为流体的平均流速为当管道尺寸和探头安装位置固定时，流体流速直接与频率差有关，而与声速无关，从而克服温度影响，获得较高的测量精度。