波式、射线式和红外传感器.ppt
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1、第11章 波式、射线式和红外传感器,第11章 波式、射线式和红外传感器,11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例,11.1 超声波式传感器,人耳能听到的声波频率在20 Hz20 kHz之间。超过20 kHz的称为超声波,低于20 Hz的称为次声波。常用的超声波频率为几十kHz到几十MHz。,11.1 超声波式传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波具有频率高、波长短,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是对不透光的固体,可穿透几十米的深度。
2、超声波碰到杂质或分界面会产生反射、折射和波型转换等现象。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。,11.1 超声波式传感器,一些超声波传感器如图所示。,11.1 超声波式传感器,CUSS 陶瓷超声波传感器如图所示。,11.1 超声波式传感器,超声波的基本性质 超声波传感器 超声检测技术的应用,超声波的基本性质,1.波型及其转换(1)波型 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同,超声波的波型也不同,通常有三种形式 纵波。质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波,它只能在固体中传播。,超声波的基本性质,
3、表面波。质点振动介于纵波和横波之间,介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆,如图所示。沿着固体表面传播,振幅随深度增加而迅速衰减,实际上在距表面一个波长以上的地方,振动己近消失。工业应用中主要采用纵波。,超声波的基本性质,(2)波型转换 当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时,除了有纵波的反射、折射以外,还发生横波的反射和折射;在某种情况下,还能产生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。,超声波的基本性质,2.传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。气体中声速约344 m/s、液体中为9001900 m/s;在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系,通常横波声速约
4、为纵波的一半,表面波声速约为横波的90%。在钢材中的纵波声速约5000 m/s。,超声波的基本性质,3.反射及折射 超声波在两种介质中传播时,在它们的交界面上,一部分能量反射回原介质,称为反射波;另一部分能量透射界面,在另一介质内继续传播,称为折射波。,超声波的基本性质,对于反射波,当入射波和反射波的波型相同、波速相等时,反射角a 等于入射角a。,超声波的基本性质,对于折射波,入射角a、折射角b、入射波在介质1中的速度c1及折射波在介质2中的速度c2之间的关系为,亦即,超声波的基本性质,考虑到可能有波型转换,如图所示,可写成统一的公式如下,超声波的基本性质,当超声波垂直于入射界面,即ab0时,
5、声波的反射系数R和透射系数T分别如下,式中,I0,Ir,It分别为入射波、反射波、透射波的声强;r1c1、r2c2分别为两介质的声阻抗,r为密度,c为速度。,超声波的基本性质,由上面两式可知 若r2c2r1c1,则R0,T1,此时声波几乎没有反射,全部从第一介质透射入第二介质;若r2c2r1c1,R1,则声波在界面上几乎全反射,透射极少。当r1c1r2c2时,也有R1。,超声波的基本性质,例如,20 时水的声阻抗为r1c11.48106 kg/(m2s),空气的声阻抗为r2c20.000 429106 kg/(m2s),r1c1r2c2,故超声波从水中传播至水气界面时,将发生全反射。反之亦然。
6、,超声波的基本性质,4.超声波的衰减 超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,距离声源x处的声压p和声强 I 的衰减规律为,式中,A为衰减系数。,超声波的基本性质,衰减系数A与介质密度及波的频率有很大关系。气体密度小,则衰减快,尤其在频率高时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率较低(几十kHz),而在固体或液体中较高。,超声波的基本性质,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。(1)扩散衰减 是指声波在介质中传播时,其波前逐渐扩展,从而导致声波能量逐渐减弱的现象。它和波阵面的几何形状有关。在理想介质中,声波的衰减仅来自于声波的扩散。,超声波的基本性质,(2
7、)散射衰减 超声波在介质中传播遇到尺寸与其波长可相比或更小的障碍物时会产生散射衰减。产生散射衰减的原因很多,可分为两种情况,一种是材料本身的不均匀,如两种材料的交界面、杂质和气孔、晶体材料的各向异性等;另一种是晶粒尺寸可与超声波波长相比的粗晶粒材料,斜入射的超声波在晶界的散乱反射使得声能变为热能而损耗。在金属中这往往是超声波衰减的主要原因。,超声波的基本性质,(3)吸收衰减 超声波在介质中传播时,由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的声能损耗称为吸收衰减。,超声波的基本性质,5.声阻抗 介质有一定的声阻抗,声阻抗等于介质密度与超声波速的乘积。,超声波的基本性质,6.声压 当超声波在弹性介质中传播
8、时,介质质点除了承受未遭扰动时的静压强p0之外,还有随时间交替变化的附加压强p,称后者为声压。声压pf(x,y,z,t),是时间和空间的函数。,11.1 超声波式传感器,超声波的基本性质 超声波传感器 超声检测技术的应用,超声波传感器,以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。按超声波探头的结构,可分为直探头,斜探头,双探头和液浸探头等。按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。,超声波传感器,(1)压电式超声波探头 图示为压电式超声波探头结构,主要由压电晶体,吸收块(阻尼块)
9、、保护膜等组成。,超声波传感器,(2)磁致伸缩型超声波换能器 其工作原理是基于对磁性材料加上磁场后,就在磁场方向产生应变的磁致伸缩效应和加上应力后就发生磁化的逆磁致伸缩效应。,图示为典型结构,其上限频率可到100 kHz左右,主要用于海洋鱼群探测器和声纳。,超声波传感器,(3)电磁超声换能器 电磁超声换能器是一种新型的超声发射接收装置。特点是超声产生和接收的过程中换能器与媒质表面非接触、无需加声耦合剂(提高耦合效率,如B超)、重复性好、检测速度高。,超声波传感器,如图所示,是洛仑兹力式电磁超声换能器产生超声波的原理图。,超声波传感器,(4)激光超声波发生器 它是利用激光来产生超声波的。激光可以
10、在固体中产生超声,也可以在气体和液体中产生超声。产生机理主要是热弹性膨胀机理,脉冲激光将引起振动。,对于图示压电式超声波探头,超声波频率与晶片厚度d、纵波波速c、密度r的关系为,超声波传感器,式中,n为谐波级数,n1,2,3,11.1 超声波式传感器,超声波的基本性质 超声波传感器 超声检测技术的应用,超声检测技术的应用,1.超声波测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法,共振法、干涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。脉冲回波法测量试件厚度是先测量超声波脉冲往返通过试件所需的时间间隔t,然后根据超声波在试件中的传播速度c求出试件的厚度。,超声检测技术的应用,测量时超声波探头与被测物体表面接触;主控
11、制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号,激发探头发射超声波脉冲进入试件,到达底面后反射回来,并由同一探头接收。,超声检测技术的应用,测出从发射到接收的时间间隔t,则试件厚度为。,超声检测技术的应用,2.超声波物位传感器 它是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制成的。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。单换能器发射和接收超声波均使用一个换能器,而双换能器发射和接收各由一个换能器担任。,超声检测技术的应用,超声波发射和接收换能器可设置在液体中,让超声波在液体中传播。由于在液体中衰减比较小,所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。发射和接收换能器也可以安装在液面上方
12、,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害。,超声检测技术的应用,对于图示单换能器来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器的时间为,超声检测技术的应用,对于图示双换能器来说,液位高度为,超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点,但若液体中有气泡或液面发生波动,便会有较大的误差。,超声检测技术的应用,3.超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的,如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传输时间差法,它利用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。,超声检测技术的应用,在流体的上、下游相距L
13、设置两个超声波传感器,它们既可发射又可接收超声波。设顺流方向的传输时间为t1,逆流方向的传输时间为t2,流体静止时的超声波速度为c,流体流动速度为u,则,超声检测技术的应用,一般来说,流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度,那么超声波传播时间差为,则,超声检测技术的应用,在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。但公式需相应地改变。,超声检测技术的应用,4.超声波探伤 超声波探伤主要是通过测量信号往返于表面和缺陷之间的时间,来确定缺陷和表面之间的距离;测量回波信号的幅度和改变发射换能器的位置,来确定缺陷的大小和方位。这就是
14、通常所说的脉冲反射法或A扫描法。此外还有B扫描法、C扫描法、D扫描法等。,超声检测技术的应用,A扫描法、B扫描法、C扫描法、D扫描法如图所示。,超声检测技术的应用,一种多功能超声诊断系统如图所示。超声波在医疗领域还有非常广泛的应用,可用于疾病诊断和治疗。,11.1 超声波式传感器,超声波的基本性质 超声波传感器 超声检测技术的应用,第11章 波式、射线式和红外传感器,11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例,11.2 微波式传感器,1.微波式传感器的优点(1)测量具有非接触性,可进行活体检验,大部分测量不需要
15、取样。(2)能够适应恶劣环境下的检测。如高温、高压、有毒、放射性环境及恶劣天气等。,11.2 微波式传感器,2.微波式传感器的缺点(1)零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。(2)受外界影响的因素比较多,如温度、压力、取样位置等。此外,一般价格昂贵。,11.2 微波式传感器,一些应用如图所示。,11.2 微波式传感器,一种用于自动门的微波传感器及微波感应控制器如图所示。用途:适用于宾馆、银行、办公楼、工厂等出入人员较多场所的自动门。,11.2 微波式传感器,微波的性质与特点 微波振荡器与微波天线 微波传感器及其应用,微波的性质与特点,微波是波长为1 mm1 m的电磁波,电磁波波段的划分如下表
16、所示。,微波的性质与特点,微波可细分为三个波段:分米波、厘米波、毫米波(甚至还包括亚毫米波)。既具有电磁波的性质,又不同于普通无线电波和光波的性质。微波具有下列特点:定向辐射装置容易制造;遇到各种障碍物易于反射;绕射能力差;传输特性好,传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小;介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例,水对微波的吸收作用最强。,11.2 微波式传感器,微波的性质与特点 微波振荡器与微波天线 微波传感器及其应用,微波振荡器与微波天线,微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短,频率很高(300 MHz300 GHz),要求振荡回路具有非常微小的电感与电容。故不能用普通电子管与
17、晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调整管,磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10 cm以上可用同轴线)传输,并通过微波天线发射出去。,微波振荡器与微波天线,为了使发射的微波具有尖锐的方向性,天线应具有特殊的结构。常用的有喇叭型天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。,(a)扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线,11.2 微波式传感器,微波的性质与特点 微波振荡器与微波天线 微波传感器及其应用,1.微波传感器 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置,通常由微波振荡器、微波天线以及微波检测器三部分组成
18、。由发射天线发出微波,遇到被测物体时被吸收或反射,使微波功率发生变化。利用接收天线,接收通过或反射回来的微波,并将它转换为电信号,再经过信号调理电路,即可显示出被测量,实现微波检测。,微波传感器及其应用,微波传感器及其应用,根据其工作原理,微波传感器可分为反射式和遮断式两类。(1)反射式微波传感器 它是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。可测量物体的位置、位移、厚度等。(2)遮断式微波传感器 它是通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。,微波传感器及其应用,2.微波传感器的应用(1)微波液位计 它
19、由相互构成一定角度、相距为s的发射天线与接收天线构成。,微波传感器及其应用,微波传播的距离为,微波传感器及其应用,波长为l的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线接收到的功率为,式中,Pt为发射天线发射的功率;Gt为发射天线的增益;Gr为接收天线的增益。,微波传感器及其应用,(2)微波物位计 图示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时,接收天线接收到的功率为,微波传感器及其应用,当被测物位升高到天线所在高度时,微波束部分被吸收,部分被反射,接收天线接收到的功率为,式中,h是由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。,微波传感器及其
20、应用,图示为一种新型的导向微波式物位测量仪。极短的微波脉冲沿着一根钢缆、套管、或钢棒发射出去,接触到介电常数不同的介质后被反射回来。,通过一种特殊的扫描技术可高精度地测量很短的微波运行时间。通过计算微波的运行时间,可计算出到介质的距离。,微波传感器及其应用,(3)微波测厚仪 在被测金属上、下两面各安装一个终端器。微波传输路线如图所示,被测金属厚度增大时微波电行程长度将减小。,微波传感器及其应用,这个电行程长度变化是十分微小的。为此,常采用微波自动平衡电桥。左边为测量臂,右边为参考臂。参考臂中微波传输路线如图所示。,微波传感器及其应用,若测量臂和参考臂电行程完全相同,则反相迭加的微波经检波器检波
21、后,输出为零,电桥平衡;若二者电行程长度不同,则有输出。,微波传感器及其应用,此差值信号经放大后控制可逆电机,使补偿短路器产生位移,改变参考臂的电行程,直到测量臂与参考臂电行程完全相同为止。,微波传感器及其应用,补偿短路器位移与被测金属厚度增量之间的关系式为,式中,LA、LB分别为测量臂和参考臂在电桥平衡时的电行程长度,且LALB;DLA、DLB为电行程长度的变化值;Dh为被测金属厚度变化值,Ds为补偿短路器的位移。,微波传感器及其应用,(4)微波湿度传感器 水分子是极性分子,常态下成偶极子形式,分布杂乱无章。当微波场中有水分子时,偶极子受场的作用而反复取向,不断从电场中得到能量和释放能量,前
22、者表现为微波信号的相移,后者表现为微波信号的衰减。这个特性可用复数形式的介电常数e来表征,即,式中,e、e分别为相移和衰减的度量。,微波传感器及其应用,e与e不仅与测试信号频率有关,还与材料有关,所有极性分子均有此特性。一般干燥物体,如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等,其e在15范围内,而水的e则高达64。因此,如果材料中含有少量水分子时,其复合e将显著上升。e也有类似性质。使用微波传感器,测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量,就可换算出物体的含水量。,微波传感器及其应用,一种德国生产的微波水分测定仪如图所示。,微波传感器及其应用,(5)微波传感器控制的自动灯 电路图
23、如图所示。其核心器件是RD627微波多普勒效应传感器模块。,微波传感器及其应用,该模块由振荡器、发射器、检测器、信号放大器、限幅、稳压、延时等电路组成。,微波传感器及其应用,振荡器产生的微波信号,经环形天线发射出去,构成一个覆盖范围大于100 m2的微波监控区域,当有人在该区域内走动时,反射回来的微波信号产生频移,该信号经检测器处理后,再经放大,输出一种和人体移动相应的超低频信号。,微波传感器及其应用,SA1接通后,IC1加电处于守候状态。当有人来时,使IC2内部开关闭合,继电器J驱动SA2闭合导通,灯泡ZD发光。人走后灯泡熄灭。,微波传感器及其应用,(6)微波测定移动物体的速度 它是利用雷达
24、能动地将微波发射到对象物,并接收反射波的能动型传感器。若物体到发射天线的距离为r、相对运动速度为u,则由于多普勒效应,反射波的频率fr发生偏移,frf0fD,fD是多普勒频移,可表示为,11.2 微波式传感器,微波的性质与特点 微波振荡器与微波天线 微波传感器及其应用,第11章 波式、射线式和红外传感器,11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例,11.3 核辐射式传感器,核辐射式(射线式)传感器是根据被测物质对核辐射的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质的电离激发作用而进行工作的。,11.3 核辐射式传感器,核
25、辐射式传感器的物理基础 核辐射传感器的组成,核辐射式传感器的物理基础,1.同位素 凡原子序数相同而原子质量不同的元素,在元素周期表中占同一位置,称之为同位素。当没有外因作用时,有的同位素的原子核会自动发生衰变并放出射线,这种同位素就称为放射性同位素。其衰减规律为,式中,a0、a分别为初始时与经过时间t后的原子核数;l为衰变常数。,核辐射式传感器的物理基础,常用和l有关的另一个常数即半衰期t来表示衰变的快慢。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半时所需要的时间,可求出t为,t和l都是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量。但是,不同放射性元素的半衰期是不同的。,核辐射式传感器的物理基础,2
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