《传感器与测试技术》课件-模块七流量传感器及其应用

传感器与测试技术知识储备：湿度与声波任务7.1气敏传感器与烟雾传感器任务7.2湿度与水分传感器任务7.3声敏传感器及超声波传感器*项目7环境量的检测湿度的基本概念

露点：是指在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态而凝结成露珠，该现象称为结露，这一特定温度称为露点。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点。湿度的基本概念

霜：当露点低于零摄氏度时。雾：当温度急剧下降到露点以下,空气中的水分迅速凝结为小水珠,就形成了雾。

露点不受温度影响,但受压力影响。1.湿度的基本概念降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。测量露点的仪器声波的分类

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。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。任务7.1气敏传感器与烟雾传感器

气敏传感器应用原理气敏传感器分类特性定义1.气敏传感器的定义气敏传感器气体及其浓度电信号2.气敏传感器分类气敏传感器半导体型表面控制型体电阻控制型非电阻型接触燃烧式固体电解质式电化学式离子电极型加伐尼电池式定位电解法式集成型2.气敏传感器分类气敏传感器还原性气体检测石油蒸汽酒精蒸气甲烷乙烷煤气天然气氢气氧浓度检测2.气敏传感器分类气敏传感器爆炸性气体检测液化气甲烷煤气有毒气体检测一氧化碳硫化氢氨气卤化物环境气体检测氧气二氧化碳水蒸气大气污染工业气体检测一氧化碳氧气水蒸气乙醇气体检测乙醇3.气敏传感器原理3.反射式烟雾报警器原理3.二氧化钛氧浓度传感器原理

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

1.外壳（接地）2.安装螺栓3.连接线4.保护管5.补偿电阻6.陶瓷片7.TiO2氧敏电阻8.进气口9.引脚

结构测量电路氧气浓度→U0→RTiO2阻值↑↑↓环境温度↑↓↓4.酒精传感器的选择性4.气敏半导体的灵敏度特性曲线5.气敏电阻外形酒精传感器可燃性气体传感器5.一氧化碳传感器5.其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器氧气传感器5.气敏传感器应用汽车尾气分析有毒气体检测5.气敏传感器应用呼气管酒精测试仪家庭用液化气报警器休息一下任务7.2湿度与水分传感器

湿度与水分传感器

湿度传感器湿度电信号湿度：大气中水蒸气的含量，表明大气的干、湿程度绝对湿度相对湿度露点1.湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。2.传统的干湿球湿度计

干湿球湿度计外形及原理干球湿球

用干湿球湿度计测量相对湿度的原理左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计3.湿度传感器的分类4.湿敏电阻的原理

水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。5.湿度传感器外形5.露点传感器外形5.湿度变送器模块5.各式温湿度计陶瓷湿度传感器特性曲线DHT11温湿度传感器DHT11是已校准数字信号输出的温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件响应速度快、抗干扰能力强、体积小、功耗低、性价比高等优点。信号传输距离可达20米以上DHT11温湿度传感器►智慧农业►测试及检测设备►汽车►数据记录器►自动控制►气象站►家电►湿度调节器►医疗►除湿器DHT11温湿度传感器引脚Pin名称注释1VDD供电3－5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极DHT11实物图DHT11封装图DHT11引脚说明DHT11典型电路ArduinoDHT11GNDVDDVDD1Pin2Pin4PinDATAD2电路原理图硬件接线图休息一下任务7.3声敏传感器及超声波传感器

声音传感器声音检测的应用领域声音及声音传感器的基本概念声音传感器的种类与基本原理声音传感器的原理与分类一、声音检测的应用领域医疗领域工业应用领域农副食品加工领域…1、医疗领域利用语音检测新冠病毒2、工业应用领域3、农副食品加工业/video/BV1xx411C7CY?p=1&share_medium=android&share_plat=android&share_source=COPY&share_tag=s_i×tamp=1611716968&unique_k=dRDQOw截取3’29开始一小段至语音结束二、声音和声音传感器声音：是由物体振动产生的声波，是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。声音传感器声音信号电信号常用的声音传感器按换能原理的不同，大体可分为3种类型：压电式：压电驻极体电声器件电动式：动圈式传声器电容式：驻极体电容式传声器三、声音传感器的原理与分类：蝙蝠依靠超声波捕食

超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波雾化器

超声波加湿器

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。

超声波塑料焊接机超声波金丝焊接机

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超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B超影像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。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1、超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的波型分类

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

纵波横波

表面波

2、超声波换能器及耦合技术

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。各种超声波探头

（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

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。

保护膜接插件接触式直探头原理超声脉冲电压输入端

接地端接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）

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各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。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。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片各种双晶直探头

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

接触法双晶斜探头（续）

水浸探头

（可用自来水作为耦合剂）

选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。聚焦探头

由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百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间很短的超声振动波。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电压。压电陶瓷的主要性能指标

1)介电常数：1000~60002)压电灵敏度D33

：300~600pC/N3)机械品质因素Q：100~20004)居里温度：300~400

C5）静电容：1000~100000pF（与面积有关）

6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz

用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz

用于雾化器：1~2MHz耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。

空气超声探头

a）

超声发射器

b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

空气超声探头（续）

空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器超声波传感器的应用

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

超声波传感器应用举例

超声波传感器应用举例（续）

超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制机械手定位超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测超声波传感器

应用举例（续）平整度测量超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超声波传感器

应用举例（续）流水线计数超声波传感器

应用举例（续）超声波流量计

F1发射的超声波先到达

T1测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差

t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达

F2的时间较短

频率差法测量流量原理：

F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F1

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧同侧式超声波流量计的使用

（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计现场使用超声波多普勒测量车速多普勒效应

前进方向的频率升高

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。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超声波测距

空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

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

：

手持式超声波测厚仪某超声波测厚仪指标

（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）

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/秒

自动关机时间：90秒

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时

使用温度：-10°C~40°C

存储温度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）超声波测厚石料测厚超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）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。

超声波液位计原理1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器超声防盗报警器

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。

第四节无损探伤

一、无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。

路轨断裂事故无损探伤的方法

对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。

磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪

将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。X光探伤

将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。计算机断层成像技术(CT)探伤（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）

计算机断层成像技术(CT)

是一种重要的无损检测技术(NDT)

，是物理学与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统x射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）超声波探伤

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹A型超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷钢轨探伤车滑板式探头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）铁路钢轨探头铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝

管道环焊缝

超声波检测装置

管道环焊缝超声波检测装置原理超声探伤仪构件的超声探伤

构件的超声探伤（续）构件的超声探伤探头回波脉冲形状和频谱包络超声探伤的计算

设：显示器的x轴为10

s/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。机械工业出版社休息一下7.4同步技能训练

环境量检测传感器7.4同步技能训练7.4.1火灾自动报警电路实训7.4.2实用酒精检测报警器7.4.3超声波倒车防撞报警电路7.4.1火灾自动报警电路实训

1.项目描述设计制作一个由三端稳压块LM317构成的火灾自动报警电路。适用于单位、机关或易燃处等进行火灾报警或控制。2.方案设计火灾自动报警电路由三端可调稳压集成块IC1(LM317T)、IC2(NE555)时基电路等组成。传感器采用UD-02型离子感烟传感器。2.方案设计(1)供电电路：220V交流电源经变压、整流、滤波，得到的直流电压电(2)平时状态：S感烟传感器③脚输出高电平，VD1齐纳击穿，VT1导通，等效于将IC1①脚接地，输出端低，KAJ1与IC2不工作。(3)发生火灾时：S传感器感受到烟火③脚输出低压，VD1截止，VT1截止，IC1①脚呈高阻抗，其输出端Vo高，使IC2、KAJ1均得电工作，扬声器BL发出报警声，KAJ1得电吸合，使其触点控制相关设备。3.项目实施画出电路原理方框图，并用箭头表明信号流程。有条件的可组装该电路，并进行实训当有烟雾施加到UD-02型传感器上时，看KAJ继电器是否动作。撰写实训报告，对观察到的现象进行讨论和解释。7.4.2实用酒精检测报警器1.项目描述设计制作一个酒精检测报警器，当驾驶员饮酒上车后，发出响亮而又连续不断的“酒后别开车”的语音报警声并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。2.方案设计采用QM—NJ9型酒精传感器探测空气中酒精，当酒精浓度足够高时驱动语音报警电路IC得电发出报警声，同时，继电器J动作，其常闭触点断开，切断车辆点火电路，强制发动机熄火。酒精检测报警器电路QM—NJ9型酒精传感器技术指标：

适用范围：检测空气中散发的酒精

加热电压：5V±0.2V

消耗功率：<0.75w

响应时间：<10秒；恢复时间≤60秒

环境条件：-20℃～+50℃3.项目实施读懂电路原理图;列写元器件清单;测试酒精传感器;电路搭试;设计印制电路板，完成报警器制作与调试。传感器的测试电路图7.4.3超声波倒车防撞报警电路1.项目描述制作超声波倒车防撞报警电路2.方案设计采用LM1812作为发送和接收超声波的集成电路，采用时基电路来控制LM1812的发送与接收。报警距离用5kΩ的电位器来调节。超声波倒车防撞报警电路3.项目实施读懂电路原理图；列写元器件清单；完成电路搭试；设计印制电路板，完成报警器制作与调试。数字温湿度传感器DHT11拓展阅读DHT11是已校准数字信号输出的温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件响应速度快、抗干扰能力强、体积小、功耗低、性价比高等优点。信号传输距离可达20米以上Pin名称注释1VDD供电3－5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极DHT11实物图DHT11封装图DHT11引脚说明DHT11引脚拓展阅读1234ArduinoDHT11GNDVDDVDD1Pin2Pin4PinDATAD2电路原理图硬件接线图DHT11应用电路拓展阅读湿度的基本概念

露点：是指在一定大气压下，将含有水蒸气的空气冷却，当温度降到某一特定值时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态而凝结成露珠，该现象称为结露，这一特定温度称为露点。形象地说,就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点。湿度的基本概念

霜：当露点低于零摄氏度时。雾：当温度急剧下降到露点以下,空气中的水分迅速凝结为小水珠,就形成了雾。

露点不受温度影响,但受压力影响。1.湿度的基本概念降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。测量露点的仪器声波的分类

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。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。任务7.1气敏传感器与烟雾传感器

气敏传感器应用原理气敏传感器分类特性定义1.气敏传感器的定义气敏传感器气体及其浓度电信号2.气敏传感器分类气敏传感器半导体型表面控制型体电阻控制型非电阻型接触燃烧式固体电解质式电化学式离子电极型加伐尼电池式定位电解法式集成型2.气敏传感器分类气敏传感器还原性气体检测石油蒸汽酒精蒸气甲烷乙烷煤气天然气氢气氧浓度检测2.气敏传感器分类气敏传感器爆炸性气体检测液化气甲烷煤气有毒气体检测一氧化碳硫化氢氨气卤化物环境气体检测氧气二氧化碳水蒸气大气污染工业气体检测一氧化碳氧气水蒸气乙醇气体检测乙醇3.气敏传感器原理3.反射式烟雾报警器原理3.二氧化钛氧浓度传感器原理

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

1.外壳（接地）2.安装螺栓3.连接线4.保护管5.补偿电阻6.陶瓷片7.TiO2氧敏电阻8.进气口9.引脚

结构测量电路氧气浓度→U0→RTiO2阻值↑↑↓环境温度↑↓↓4.酒精传感器的选择性4.气敏半导体的灵敏度特性曲线5.气敏电阻外形酒精传感器可燃性气体传感器5.一氧化碳传感器5.其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器氧气传感器5.气敏传感器应用汽车尾气分析有毒气体检测5.气敏传感器应用呼气管酒精测试仪家庭用液化气报警器休息一下任务7.2湿度与水分传感器

湿度与水分传感器

湿度传感器湿度电信号湿度：大气中水蒸气的含量，表明大气的干、湿程度绝对湿度相对湿度露点1.湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。2.传统的干湿球湿度计

干湿球湿度计外形及原理干球湿球

用干湿球湿度计测量相对湿度的原理左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计3.湿度传感器的分类4.湿敏电阻的原理

水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。5.湿度传感器外形5.露点传感器外形5.湿度变送器模块5.各式温湿度计陶瓷湿度传感器特性曲线DHT11温湿度传感器DHT11是已校准数字信号输出的温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿度传感技术包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件响应速度快、抗干扰能力强、体积小、功耗低、性价比高等优点。信号传输距离可达20米以上DHT11温湿度传感器►智慧农业►测试及检测设备►汽车►数据记录器►自动控制►气象站►家电►湿度调节器►医疗►除湿器DHT11温湿度传感器引脚Pin名称注释1VDD供电3－5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极DHT11实物图DHT11封装图DHT11引脚说明DHT11典型电路ArduinoDHT11GNDVDDVDD1Pin2Pin4PinDATAD2电路原理图硬件接线图休息一下任务7.3声敏传感器及超声波传感器

声音传感器声音检测的应用领域声音及声音传感器的基本概念声音传感器的种类与基本原理声音传感器的原理与分类一、声音检测的应用领域医疗领域工业应用领域农副食品加工领域…1、医疗领域利用语音检测新冠病毒2、工业应用领域3、农副食品加工业/video/BV1xx411C7CY?p=1&share_medium=android&share_plat=android&share_source=COPY&share_tag=s_i×tamp=1611716968&unique_k=dRDQOw截取3’29开始一小段至语音结束二、声音和声音传感器声音：是由物体振动产生的声波，是通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。声音传感器声音信号电信号常用的声音传感器按换能原理的不同，大体可分为3种类型：压电式：压电驻极体电声器件电动式：动圈式传声器电容式：驻极体电容式传声器三、声音传感器的原理与分类：蝙蝠依靠超声波捕食

超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波雾化器

超声波加湿器

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。

超声波塑料焊接机超声波金丝焊接机

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超声波在医学检查中的应用

胎儿的

B超影像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。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1、超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。超声波的波型分类

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

纵波横波

表面波

2、超声波换能器及耦合技术

超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。各种超声波探头

（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）常用频率范围：0.5~10MHz，常见晶片直径：5~30mm接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）

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。

保护膜接插件接触式直探头原理超声脉冲电压输入端

接地端接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）

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各种接触式斜探头常用频率范围：1~5MHz接触法双晶直探头

将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。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。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。发射晶片接收晶片各种双晶直探头

焦距范围：5~40mm,频率范围：2.5~5MHz，钢中折射角：45

~70

接触法双晶斜探头（续）

水浸探头

（可用自来水作为耦合剂）

选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。聚焦探头

由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。聚焦探头原理及外形水浸聚焦探头超声波探头中的压电陶瓷芯片

将数百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间很短的超声振动波。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电压。压电陶瓷的主要性能指标

1)介电常数：1000~60002)压电灵敏度D33

：300~600pC/N3)机械品质因素Q：100~20004)居里温度：300~400

C5）静电容：1000~100000pF（与面积有关）

6）频率范围：用于超声清洗：30~100KHz

用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz

用于雾化器：1~2MHz耦合剂

超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。

空气超声探头

a）

超声发射器

b）超声接收器

1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束

空气超声探头（续）

空气超声探头外形空气超声探头外形（续）空气传导超声波电脉冲发生器超声波传感器的应用

当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。

超声波传感器应用举例

超声波传感器应用举例（续）

超声波传感器应用举例（续）质量检查紧固件的安装错误检测叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测超声波传感器应用举例（续）透明塑料张力控制机械手定位超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测超声波传感器

应用举例（续）平整度测量超声波传感器应用举例（续）超长距离检测超声波传感器

应用举例（续）流水线计数超声波传感器

应用举例（续）超声波流量计

F1发射的超声波先到达

T1测量流量原理分类

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差

t，可得到流体的平均速度及流量。F1发射的超声波到达

F2的时间较短

频率差法测量流量原理：

F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差

f与被测流速v成正比。F2F1

发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧同侧式超声波流量计的使用

（参考北京菲波仪表有限公司资料）超声波流量计现场使用超声波多普勒测量车速多普勒效应

前进方向的频率升高

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。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超声波测距

空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。

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

：

手持式超声波测厚仪某超声波测厚仪指标

（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）

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/秒

自动关机时间：90秒

电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时

使用温度：-10°C~40°C

存储温度：-20°C~70°C

外形尺寸：108x61x25mm

重量：230g（含电池）超声波测厚石料测厚超声波手持式测厚混凝土测厚木材测厚小提琴木料测厚双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头（续）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。

超声波液位计原理1—液面2—直管3—空气超声探头4—反射小板5—电子开关超声波测量液位和物位

喇叭形超声发生器超声防盗报警器

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。

第四节无损探伤

一、无损探伤的基本概念人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。

路轨断裂事故无损探伤的方法

对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。

磁粉检测法磁悬液磁粉检测仪

将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。X光探伤

将x光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。计算机断层成像技术(CT)探伤（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）

计算机断层成像技术(CT)

是一种重要的无损检测技术(NDT)

，是物理学与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统x射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）超声波探伤

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹A型超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷钢轨探伤车滑板式探头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）铁路钢轨探头铁路钢轨对接焊缝探测用探头缺陷铁路钢轨探伤用滑板式探头焊缝

管道环焊缝

超声波检测装置

管道环焊缝超声波检测装置原理超声探伤仪构件的超声探伤

构件的超声探伤（续）构件的超声探伤探头回波脉冲形状和频谱包络超声探伤的计算

设：显示器的x轴为10

s/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。机械工业出版社休息一下7.4同步技能训练

环境量检测传感器7.4同步技能训练7.4.1火灾自动报警电路实训7.4.2实用酒精检测报警器7.4.3超声波倒车防撞报警电路7.4.1火灾自动报警电路实训

1.项目描述设计制作一个由三端稳压块LM317构成的火灾自动报警电路。适用于单位、机关或易燃处等进行火灾报警或控制。2.方案设计火灾自动报警电路由三端可调稳压集成块IC1(LM317T)、IC2(NE555)时基电路等组成。传感器采用UD-02型离子感烟传感器。2.方案设计(1)供电电路：220V交流电源经变压、整流、滤波，得到的直流电压电(2)平时状态：S感烟传感器③脚输出高电平，VD1齐纳击穿，VT1导通，等效于将IC1①脚接地，输出端低，KAJ1与IC2不工作。(3)发生火灾时：S传感器感受到烟火③脚输出低压，VD1截止，VT1截止，IC1①脚呈高阻抗，其输出端Vo高，使IC2、KAJ1均得电工作，扬声器BL发出报警声，KAJ1得电吸合，使其触点控制相关设备。3.项目实施画出电路原理方框图，并用箭头表明信号流程。有条件的可组装该电路，并进行实训当有烟雾施加到UD-02型传感器上时，看KAJ继电器是否动作。撰写实训报告，对观察到的现象进行讨论和解释。7.4.2实用酒精检测报警器1.项目描述设计制作一个酒精检测报警器，当驾驶员饮酒上车后，发出响亮而又连续不断的“酒后别开车”的语音报警声并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。2.方案设计采用QM—NJ9型酒精传感器探测空气中酒精，当酒精浓度足够高时驱动语音报警电路IC得电发出报警声，同时，继电器J动作，其常闭触点断开，切断车辆点火电路，强制发动机熄火。酒精检测报警器电路QM—NJ9型酒精传感器技术指标：

适用范围：检测空气中散发的酒精

加热电压：5V±0.2V

消耗功率：<0.75w

响应时间：<10秒；恢复时间≤60秒

环境条件：-20℃～+50℃3.项目实施读懂电路原理图;列写元器件清单;测试酒精传感器;电路搭试;设计印制电路板，完成报警器制作与调试。传感器的测试电路图7.4.3超声波倒车防撞报警电路1.项目描述制作超声波倒车防撞报警电路2.方案设计采用LM1812作为发送和接收超声波的集成电路，采用时基电路来控制LM1812的发送与接收。报警距离用5kΩ的电位器来调节。超声波倒车防撞报警电路3.项目实施读懂电路原理图；列写元器件清单；完成电路搭试；设计印制电路板，完成报警器制作与调试。数字温湿度传感器DHT11拓展阅读DHT11是已校准数字信号输出的温湿度传感器采用数字模块采集技术和温湿