传感器与检测技术第九章.ppt
第9章 新型传感器,知识目标：（1）了解光纤传感器和超声波传感器的概念。（2）掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的物理性质。（3）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。,教学目标,技能目标：（1）能够使用常用仪器检查两种传感器性能，判别其好坏。（2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块电路。（3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。,情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。（2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。,教学重难点,教学重点：超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。,教学难点：超声波的物理性质。,光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量轻以及耗能少等优点。,光的全反射实验,各种装饰性光导纤维,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,（a）光纤的截面图（b）光纤的外观图图9-1 光纤的结构1纤芯；2包层；3缓冲层；4加强层；5PVC护套,1.光纤的结构,光缆的外形及光纤的拉制,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。,光的全反射,当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,光在光纤中的全反射,光纤的类型,阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。,梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。,单孔型光纤,单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。,（a）传统传感器,（b）光纤传感器,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,（a）功能型,1）功能型光纤传感器,1.根据光纤在传感器中的作用进行分类分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器,优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等,光纤水听器,（b）非功能型,2）非功能型光纤传感器,光纤传感器外形,3）拾光型光纤传感器,（c）拾光型,光纤温度传感器,2.根据光受被测对象的调制形式进行分类,分为：强度调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器,1）强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变化而引起敏感元件参数的变化，从而导致光强度的变化来实现测量的传感器。这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传感器。,2）偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变化来传递被测信号的传感器。这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流或磁场传感器，它可以避免光源强度的变化对其产生的影响，因此，灵敏度较高。,3）频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。,4）相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器是利用被测量对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或者传播常数发生变化，从而导致光的相位发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。,1.反射式光纤位移传感器,图9-6 反射式光纤位移传感器的工作原理,2.光纤压力传感器,图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的原理图1Y形光纤束；2壳片；3膜片,3.光纤温度传感器,图9-8 光纤温度传感器示意图1感温黑色壳体；2彩色液晶；3入射光纤；4出射光纤,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,4.热双金属式光纤温度开关,图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图1遮光板；2双金属片,5.球面光纤液位传感器,（a）不接触液体的工况（b）浸在液体中的工况图9-10 球面光纤液位传感器的原理图1入射光纤；2透明球形端面；3包层；4出射光纤,6.斜端面光纤液位传感器,（a）在空气中（b）在液体中 图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图1、2光纤；3棱镜,7.单光纤液位传感器,图9-12 单光纤液位传感器的结构1光纤；2耦合器,（a）尖顶磨平的探头（b）尖顶磨平并粘上突出物的探头图9-13 改进的光纤液位探头,主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。,1.超声波的性质高于20 KHz的声波具有指向性好、能量集中、穿透本领大等特点,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,超声波塑料焊接机,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。,便携式超声波探鱼器,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。,2.超声波的传播方式超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,纵波,横波,表面波,3.声速和波长,1.声速 取决于介质2.波长 c=f,弹性系数密度声阻抗Z：Z=c,4.超声波的反射与折射当超声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过分界面进入第二种介质。当两种不同的介质声阻抗相差较大时，便会产生超声波反射。,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,超声波测厚仪,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）,超声波清洗机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,3.超声波液位计,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。,超声波液位计的原理图,1液面；2直管；3空气超声探头；4反射小板；5电子开关,喇叭形超声发生器,4.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=40 kHz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。,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,A型超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,5.超声波无损探伤,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）,构件的超声探伤（续）,谢 谢,
