新传感器与自动检测技术

1、第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-161 7.1 7.1 超声波传感器超声波传感器 7.2 7.2 微波传感器微波传感器 7.3 7.3 多普勒传感器多普勒传感器 本章小结本章小结 复习思考题复习思考题 主要内容 返回主目录返回主目录高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-162 7.1 7.1 超声波传感

2、器超声波传感器 次声波频率次声波频率低于低于20Hz20Hz的声的声 波，人耳听不到，但可与人波，人耳听不到，但可与人 的器官发生共振，的器官发生共振，7 78Hz8Hz的的 次声波会引起热的恐怖感，次声波会引起热的恐怖感， 使人动作不协调，甚至导致使人动作不协调，甚至导致 心脏停止跳动。心脏停止跳动。 1 1、次声波、次声波 u人们听到的人们听到的声音声音是由是由物体振动物体振动产生的，它的产生的，它的 频率在频率在20 20kHz范围内。范围内。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张

3、玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-163 2 2、可闻声波、可闻声波 频率频率在在20Hz20kHz的声波的声波 美妙的音乐能使人陶醉美妙的音乐能使人陶醉 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-164 3.3.超声波超声波 超声波：超声波：频率频率超过超过20kHz的声波。的声波。 超声波超声波人耳感觉不到人耳感觉不到，但许多动物，但许多动物 都能感受到，如都能感受到，如海豚、蝙蝠海豚、蝙蝠以及某些以及某些 昆虫

4、昆虫，都能很好地感受可发出超声波。，都能很好地感受可发出超声波。 检测常用的超声波频率范围为：检测常用的超声波频率范围为： 47 1 101 10HzHz 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-165 u超声波对液体、固体的超声波对液体、固体的穿透能力很穿透能力很 强强，尤其是对不透光的固体，它可以，尤其是对不透光的固体，它可以 穿透几穿透几 十米的深度十米的深度； u超声波与可闻声波不同，它可以被超声波与可闻声波不同，它可以被 聚焦

5、，具有能量集中的特点。聚焦，具有能量集中的特点。 u超声波遇到杂质或分界面会产生超声波遇到杂质或分界面会产生反反 射、折射和波形变换射、折射和波形变换等现象。正是因等现象。正是因 为超声为超声 波的这些特性，在工业、国波的这些特性，在工业、国 防、医疗、家电等检测和控制领域有防、医疗、家电等检测和控制领域有 着广泛的应用着广泛的应用. 超声波特点 u 超声波不同于声波，其超声波不同于声波，其波长短，绕射现象小，且方向性好，传播能量集中，波长短，绕射现象小，且方向性好，传播能量集中， 能能 定向传播定向传播。 u 超声波在传播过程中超声波在传播过程中衰减很小衰减很小。在传播过程中，遇到不同的媒介

6、，大部分。在传播过程中，遇到不同的媒介，大部分 能量能量 会被会被反射回来反射回来； 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-166 7.1.1 超声波的物理基础 超声波的传播方式超声波的传播方式 纵波纵波 横波横波 表面波表面波 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-167

7、质点的质点的振动振动方向与波的方向与波的传播传播方向方向一致一致的波称为纵波的波称为纵波。 纵波能在纵波能在固体、液体和气体中传播。固体、液体和气体中传播。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-168 横波横波质点的质点的振动振动方向与波的方向与波的传播传播方向方向垂直垂直的波称为横波。的波称为横波。 横波只能在横波只能在固体中传播固体中传播。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 97

8、8-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-169 质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅 随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，只能在随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，只能在固体固体 中传播中传播。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1610 当超声波在两种介质中当超声波在两种介质中 传播时，在它们的

9、界面传播时，在它们的界面 上部分被反射回原介质上部分被反射回原介质 中，称为中，称为反射波反射波； 另一部分能透过界面，另一部分能透过界面， 在另一介质中继续传播在另一介质中继续传播 称为称为折射波折射波。 如图如图7-17-1 所示。下面是与超声波所示。下面是与超声波 有关的几个基本性质：有关的几个基本性质： 图图7-17-1超声波反射与折射超声波反射与折射 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1611 1. 传播速度 超声波的传

10、播速度与超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性介质的密度和弹性特性有关，也有关，也 与环境条件有关。与环境条件有关。 对于对于液体液体，其传播速度，其传播速度c c为为 1 g c B （7-1） 介质的介质的 密度密度 绝对压绝对压 缩系数缩系数 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1612 在在气体气体中，传播速度与气体中，传播速度与气体种类、压力及温度种类、压力及温度有关，有关， 在空气中传播速度在空气中传播速度c c为为 3

11、31.50.607 (/ )ct m s （7-2） 对对固体固体，其传播速度，其传播速度c c为为 （7-3） 环境环境 温度温度 (1) (1)(12 ) E c 固体的弹固体的弹 性模量性模量 泊松系泊松系 数比数比 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1613 2. 反射定律 入射角入射角的正弦与的正弦与反射角反射角的正弦之比等于入射波所处介的正弦之比等于入射波所处介 质的波速与反射波所处介质的波速之比，即质的波速与反射波所

12、处介质的波速之比，即 （7-4） 当入射波和反射波的波形一样，波速一样，入射角即等当入射波和反射波的波形一样，波速一样，入射角即等 于反射角。于反射角。 1 sin sin c c 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1614 3折射定律 入射角入射角的正弦与的正弦与折射角折射角的正弦之比等于超声波的正弦之比等于超声波 在入射波及折射波所处介质中的传播速度之比，在入射波及折射波所处介质中的传播速度之比， 即即 （7-5） 2 sin

13、 sin C C 在自动检测中，经常采用超声波在两介质中的界面所产在自动检测中，经常采用超声波在两介质中的界面所产 生的折射和反射现象进行测量。生的折射和反射现象进行测量。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1615 4. 透射率与反射率 超声波从第一介质超声波从第一介质垂直入射垂直入射到第二介质中时，透射声压与入射声到第二介质中时，透射声压与入射声 压之比称为压之比称为透射率透射率。而反射声压与入射声压之比称为。而反射声压与入射

14、声压之比称为反射率反射率。 有理论和实验得知，超声波从有理论和实验得知，超声波从密度小密度小的介质入射到的介质入射到密度大密度大的介质的介质 时，时，透射率较大透射率较大，反射率也较大反射率也较大。例如，超声波从水中入射到钢。例如，超声波从水中入射到钢 中时，透射率高达中时，透射率高达93.5%93.5%。反之，超声波自密度大的介质入射到。反之，超声波自密度大的介质入射到 密度小的介质中时，透射率就较小。例如超声波进入钢板并传播密度小的介质中时，透射率就较小。例如超声波进入钢板并传播 一段距离，到达钢板底面时，若底部是钢与水的界面，则出射到一段距离，到达钢板底面时，若底部是钢与水的界面，则出射

15、到 水中的声压只有原声压的水中的声压只有原声压的6.5%6.5%。而由底部钢与水的界面反射回钢。而由底部钢与水的界面反射回钢 板的反射率却高达板的反射率却高达93.5%93.5%，若底部是钢与空气的界面，反射率就，若底部是钢与空气的界面，反射率就 更大。超声波的这一特性在金属探伤、测厚中得到了很好的应用。更大。超声波的这一特性在金属探伤、测厚中得到了很好的应用。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1616 5. 超声波在介质中的衰

16、减 超声波在介质中传播时，由于声波的超声波在介质中传播时，由于声波的散射或漫射及吸收散射或漫射及吸收等会导致能量的衰减，等会导致能量的衰减， 随传播距离的增加，声波的强度逐渐减弱。以固体介质为例，设超声波入射随传播距离的增加，声波的强度逐渐减弱。以固体介质为例，设超声波入射 介质时的强度为介质时的强度为I I0 0，通过厚度为，通过厚度为的介质后的强度为的介质后的强度为I I，衰减系数为，衰减系数为A A，如图，如图 7-27-2所示，则有下列关系式所示，则有下列关系式 介质中的能量衰减程度与超声波介质中的能量衰减程度与超声波 和介质密度有很大关系。气体的密和介质密度有很大关系。气体的密 度很

17、小，因此衰减很快，尤其对于度很小，因此衰减很快，尤其对于 高频率超声波而言，衰减更快。因高频率超声波而言，衰减更快。因 此，在空气中测量时，要采用较低此，在空气中测量时，要采用较低 频率的超声波，一般低于数十频率的超声波，一般低于数十kHzkHz， 而在固体中则应该采用频率高的超而在固体中则应该采用频率高的超 声波，一般应该在声波，一般应该在MHzMHz数量级以上。数量级以上。 （7-6) A eII 0 图图7-2 7-2 超声波能量的衰减超声波能量的衰减 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测

18、技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1617 7.1.2 超声波换能器及耦合技术 超声波换能器又称超声波换能器又称超声波探头超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不。超声波换能器根据其工作原理不 同，分为同，分为压电式压电式、磁致伸缩式、电磁式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主等数种。在检测技术中主 要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为直探头、斜探直探头、斜探 头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以以 及其它专用探头等。及其它专用探头等

19、。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1618 1. 以固体为传导介质的探头 用于用于固体介质固体介质的单晶直探头的单晶直探头 （俗称直探头）的结构如图（俗称直探头）的结构如图 7-3a7-3a所示。压电晶片采用锆所示。压电晶片采用锆 钛酸铅系列压电陶瓷（钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT） 材料制作，外壳用金属制作。材料制作，外壳用金属制作。 保护膜用于防止压电晶片的保护膜用于防止压电晶片的 磨损和改善耦合条件；阻尼磨损和改善耦合

20、条件；阻尼 吸收块用于吸收压电晶片背吸收块用于吸收压电晶片背 面的超声脉冲能量，防止杂面的超声脉冲能量，防止杂 乱反射波的产生。乱反射波的产生。 图图7-3a7-3a 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1619 双晶直探头双晶直探头的结构如图的结构如图7-3b7-3b所示，它是所示，它是 由两个单晶直探头组成，装配在同一壳由两个单晶直探头组成，装配在同一壳 体内。两个探头之间用一块吸声性强，体内。两个探头之间用一块吸声性强， 绝缘

21、性能好的薄片加以隔离，并在压电绝缘性能好的薄片加以隔离，并在压电 晶片下方增设晶片下方增设延迟块延迟块，使超声波的，使超声波的发射发射 和接受互不干扰和接受互不干扰。在双探头中，一只压。在双探头中，一只压 电晶片负责发射超声脉冲，而另一只则电晶片负责发射超声脉冲，而另一只则 担任接收超声脉冲的任务。双探头的结担任接收超声脉冲的任务。双探头的结 构虽然复杂一些，但信号发射和接收的构虽然复杂一些，但信号发射和接收的 电路却较为简单。电路却较为简单。 图图7-3b7-3b 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与

22、自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1620 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1621 有时为了使超声波能有时为了使超声波能倾斜入射倾斜入射 到被测介质中，可选用斜探头，到被测介质中，可选用斜探头， 如图如图7-3c7-3c所示。压电晶片粘贴所示。压电晶片粘贴 在与底面成一定角度（如在与底面成一定角度（如3030、 4545等）的有机玻璃斜楔块上。等）的有机玻璃斜楔块上。 压电片的上方用吸声性

23、强的阻压电片的上方用吸声性强的阻 尼吸收块覆盖。当斜楔块与不尼吸收块覆盖。当斜楔块与不 同材料的被测介质（试件）接同材料的被测介质（试件）接 触时，超声波产生一定角度的触时，超声波产生一定角度的 折射，倾斜入射到试件中去，折射，倾斜入射到试件中去， 折射角可通过计算求得。折射角可通过计算求得。 图图7-3c7-3c 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1622 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技

24、术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1623 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1624 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1625 2. 耦合剂 在图在图7-37-3中，无论

25、是直探头还是斜探头，一般不能直接中，无论是直探头还是斜探头，一般不能直接 将其放在试件表面（特别是粗糙金属表面）来回移动，将其放在试件表面（特别是粗糙金属表面）来回移动， 以防探头磨损以防探头磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物。更重要的是，由于超声探头与被测物 体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测 物体表面间必然存在一层物体表面间必然存在一层空气薄层空气薄层。由于空气的密度。由于空气的密度 很小，将引起三种介质两个界面间很小，将引起三种介质两个界面间强烈的杂乱反射波强烈的杂乱反射波， 造成严重的造成严重的测量干扰测量干扰，而且空气还会

26、造成超声波的严，而且空气还会造成超声波的严 重衰减。因此必须将接触面之间的重衰减。因此必须将接触面之间的空气排挤掉空气排挤掉，使超，使超 声波能够顺利的入射到被测介质中。声波能够顺利的入射到被测介质中。 在工业测量中，经常使用一种称为在工业测量中，经常使用一种称为耦合剂耦合剂的液体物质，的液体物质， 使之充满在接触层中，起到使之充满在接触层中，起到传递超声波传递超声波的作用。常用的作用。常用 的耦合剂有的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆 糊糊等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应 该尽量薄一些，以

27、减小耦合损耗。该尽量薄一些，以减小耦合损耗。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1626 3. 以空气为传导介质的超声波发 射器和接受器 以空气为传导介质的超声波发以空气为传导介质的超声波发 射器和接受器一般是分开设置射器和接受器一般是分开设置 的，两者的结构也略有不同。的，两者的结构也略有不同。 如图如图7-47-4所示为以空气为传导所示为以空气为传导 介质的超声波发射器和接受器介质的超声波发射器和接受器 的结构简图。发射器上的

28、压电的结构简图。发射器上的压电 片上粘贴了一只锥形共振盘，片上粘贴了一只锥形共振盘， 如图如图7-4a7-4a，以便提高发射效率，以便提高发射效率 和增强方向性。而接收器则在和增强方向性。而接收器则在 共振盘上还增加了一只阻抗匹共振盘上还增加了一只阻抗匹 配器，以提高接受效率，如图配器，以提高接受效率，如图 7-4b7-4b所示。所示。 图图7-47-4 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1627 高职高专传感器与自动检测技术课件

29、 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1628 7.1.3 超声波传感器的应用 根据超声波的走向来看，超声波传根据超声波的走向来看，超声波传 感器的应用有两种基本类型，如图感器的应用有两种基本类型，如图 7-57-5所示。当超声波发生器与接受所示。当超声波发生器与接受 器分别置于被测物两侧时，这种类器分别置于被测物两侧时，这种类 型称为型称为透射型透射型，如图，如图7-5a7-5a所示。透所示。透 射型的典型应用有：遥控器、防盗射型的典型应用有：遥控器、防盗 报警器

30、、接近开关等。当超声波发报警器、接近开关等。当超声波发 生器与接受器置于同侧时，这种类生器与接受器置于同侧时，这种类 型称为型称为反射型反射型，如图，如图7-5b7-5b所示。反所示。反 射型的典型应用有：接近开关、距射型的典型应用有：接近开关、距 离测量、液位或料位测量、金属探离测量、液位或料位测量、金属探 伤以及厚度测量等。下面具体介绍伤以及厚度测量等。下面具体介绍 超声波传感器在工业测量中的几种超声波传感器在工业测量中的几种 应用。应用。 图图7-5 7-5 超声波应用两种基本类型超声波应用两种基本类型 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲

31、978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1629 1.超声波探伤 超声波探伤是超声波探伤是无损探伤无损探伤技术中的一种主要检测手段。它技术中的一种主要检测手段。它 主要用于检测主要用于检测金属板材、管材、锻件和焊缝等材料中的金属板材、管材、锻件和焊缝等材料中的 缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、材料厚度、材料的晶缺陷（如裂缝、气孔、夹渣等）、材料厚度、材料的晶 粒粒等，配合断裂力学对材料使用寿命进行评估。等，配合断裂力学对材料使用寿命进行评估。 超声波探伤因为检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，超声波探伤因为检测灵敏度高、

32、速度快、成本低等优点， 而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得以广泛的应而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得以广泛的应 用。超声波探伤方法多种多样，而脉冲反射法根据波形用。超声波探伤方法多种多样，而脉冲反射法根据波形 的不同分为的不同分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤纵波探伤、横波探伤和表面波探伤等。下面等。下面 分别给予介绍。分别给予介绍。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1630 （1）纵波探伤法 测试前，先将探头插入探伤

33、仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏如图测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏如图 7-6a 7-6a 所示。通过荧光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的所示。通过荧光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的 位置。工作时，探头放置在被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头位置。工作时，探头放置在被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。探头 发出的超声波，以一定速度向工件内部传播发出的超声波，以一定速度向工件内部传播. . 工件中没有缺陷，则超声波传播到工件中没有缺陷，则超声波传播到 工件底部便产生反射，在荧光屏上工件底部便产生反射，在荧光

34、屏上 只产生开始脉冲只产生开始脉冲T T和底部脉冲和底部脉冲B B， 有缺陷，一部分声波脉冲在缺陷处产生有缺陷，一部分声波脉冲在缺陷处产生 反射，另一部分继续传播到工件底部产反射，另一部分继续传播到工件底部产 生反射，这样在荧光屏上除了仍会出现生反射，这样在荧光屏上除了仍会出现 开始脉冲开始脉冲T T和底部脉冲和底部脉冲B B以外，还会出现以外，还会出现 缺陷脉冲缺陷脉冲F F 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1631 高职高专

35、传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1632 （2）横波探伤法 用用斜探头斜探头进行探伤的方法称进行探伤的方法称横波探伤法横波探伤法。超声波的一个显著特点是：。超声波的一个显著特点是： 超声波超声波波束中心线与缺陷截面积波束中心线与缺陷截面积垂直垂直时时，探测灵敏度探测灵敏度最高最高。如遇到。如遇到 如图如图7-77-7中所示的斜向缺陷时，用直探头虽然能探测出缺陷的存在，中所示的斜向缺陷时，用直探头虽然能探测出缺陷的存在， 但但并不能真实反

36、映缺陷的大小并不能真实反映缺陷的大小。如用斜探头探测，探伤的效果良好。如用斜探头探测，探伤的效果良好。 因此在实际应用中，应该根据不同缺陷的性质、取向采用不同的探因此在实际应用中，应该根据不同缺陷的性质、取向采用不同的探 头进行探伤。有些工件的缺陷性质、取向事先不能确定，为了保证头进行探伤。有些工件的缺陷性质、取向事先不能确定，为了保证 探伤质量，则应该采用不同种类的探头进行多次探测。探伤质量，则应该采用不同种类的探头进行多次探测。 图图7-77-7 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张

37、玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1633 （3）表面波探伤法 表面波探伤主要是检测工件表面波探伤主要是检测工件表面附近的缺陷表面附近的缺陷存在与否，如图存在与否，如图7-87-8所示。所示。 当超声波的入射角当超声波的入射角超过一定值后，折射角超过一定值后，折射角可能达到可能达到9090，这时固，这时固 体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用，质点在介质体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用，质点在介质 表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。当工件表面的平衡位置附近作椭圆轨迹振动，这种振动称为表面波。当工件 表面存在缺陷时，表面波被反

38、射回探头，可在荧光屏上显示出来。表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可在荧光屏上显示出来。 图图7-8 7-8 表面波探伤表面波探伤 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1634 2. 超声波流量计 图图7-97-9是超声波流量计的原理图。在被测管道上下游的一定距离上，是超声波流量计的原理图。在被测管道上下游的一定距离上， 分别安装分别安装两对超声波发射和接受探头两对超声波发射和接受探头（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F

39、2 2，T T2 2），其中），其中 （F F1 1，T T1 1）的超声波是）的超声波是顺流传播顺流传播的，而（的，而（F F2 2，T T2 2）的超声波是）的超声波是逆流传逆流传 播播的。根据这两束波在流体中传播的的。根据这两束波在流体中传播的速度不同速度不同，采用测量两个接收，采用测量两个接收 探头上超声波传播的探头上超声波传播的时间差、相位差和频率差时间差、相位差和频率差等方法可测出流体的等方法可测出流体的 平均流速，进而推算出流量。平均流速，进而推算出流量。 图图7-9 7-9 超声波流量计原理图超声波流量计原理图 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动

40、检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1635 （1）时间差法 设超声波传播方向与流体流动方向的夹角为设超声波传播方向与流体流动方向的夹角为 ，流，流 体在管道内的平均流速为体在管道内的平均流速为 ，超声波在静止流体中的，超声波在静止流体中的 声速为声速为c c，管道的内径为，管道的内径为d d。 超声波由反射探头超声波由反射探头F F1 1至接收探头至接收探头T T1 1的绝对传播速度为的绝对传播速度为: : cos 1 vcv cos 2 vcv v 超声波由反射探头超声波由反射探头F F2 2

41、 至接收探头至接收探头T T2 2的绝对传的绝对传 播速度为播速度为: : 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1636 222 12 cos cot2 cos sin/ cos sin/ vc dv vc d vc d ttt 超声波顺流与逆流传播的超声波顺流与逆流传播的时间差时间差为为 cot 2 2 c dv t 因为因为v v c c，所以，所以 2 tan 2 c vt d 则体积流量约为则体积流量约为 22 tan 48

42、 V Qd vdct 流速流速 及流量及流量Q QV V 均与时间差成正比， 均与时间差成正比， 而时间差可用标准时间脉冲计数器实而时间差可用标准时间脉冲计数器实 现。上述方法被称为时间差法。在这现。上述方法被称为时间差法。在这 种方法中，流量与声速种方法中，流量与声速C C 有关，而声有关，而声 速一般随介质的速一般随介质的温度温度变化而变化，因变化而变化，因 此将造成此将造成温漂温漂。 v 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1

43、637 （2）频率差法 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使用。制，交替地作为超声波发射器与接收器使用。 图图7-10 7-10 频率差法测流量的原理频率差法测流量的原理 21、 FF F F2 2发射的超声波到达发射的超声波到达 F F1 1的时间的时间较长较长 F F1 1发射的超声波到发射的超声波到 达达F F2 2的时间的时间较短较短 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张

44、玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1638 v D fff 2sin 21 超声波流量计最大的特点是：超声波流量计最大的特点是：探头可以装在探头可以装在 被侧流体管道的外面，实现非接触测量，既不被侧流体管道的外面，实现非接触测量，既不 干扰流体流动状态，又不受流体流动的其它参干扰流体流动状态，又不受流体流动的其它参 数影响，而且大大降低了流量计的安装费用数影响，而且大大降低了流量计的安装费用。 其输出基本上与流量成线性关系，测量精度一其输出基本上与流量成线性关系，测量精度一 般可达到般可达到1%1%。其价格与管道的尺寸无关，因此。其价格与管道的尺寸无关，因此 特别适合大口

45、径管道，以及含有磨损性杂质或特别适合大口径管道，以及含有磨损性杂质或 腐蚀性液体的测量。腐蚀性液体的测量。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1639 3. 超声波测厚 超声波测厚的方法很多，最常用的方法是利用超声波超声波测厚的方法很多，最常用的方法是利用超声波脉冲反射法脉冲反射法进行测厚。可进行测厚。可 以测量钢及其它金属、有机玻璃、硬塑料等的厚度。以测量钢及其它金属、有机玻璃、硬塑料等的厚度。 图图7-117-11是超声波测厚

46、示意图。双晶直探头左边的压电晶片发射超声波脉冲，经是超声波测厚示意图。双晶直探头左边的压电晶片发射超声波脉冲，经 探头内部的延迟块延时后，该脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射探头内部的延迟块延时后，该脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射 回来，并被右边的压电晶片所接收。这样只要测出从发射超声波脉冲到接收超回来，并被右边的压电晶片所接收。这样只要测出从发射超声波脉冲到接收超 声波脉冲所需要的时间间隔（扣除经两次延迟的时间），再乘以声波在被测体声波脉冲所需要的时间间隔（扣除经两次延迟的时间），再乘以声波在被测体 内的传播速度常数，就是超声波脉冲在被测件体内所经历的来回距离，也就代内的

47、传播速度常数，就是超声波脉冲在被测件体内所经历的来回距离，也就代 表了厚度值，即表了厚度值，即 1 2 ct 在电路上只要在从发射到接收这段时间在电路上只要在从发射到接收这段时间 内使计数电路计数，便可达到数字显示内使计数电路计数，便可达到数字显示 之目的。使用双晶直探头可以使信号处之目的。使用双晶直探头可以使信号处 理电路趋于简化，有利与缩小仪表的体理电路趋于简化，有利与缩小仪表的体 积。探头内部的延迟块可减小杂乱反射积。探头内部的延迟块可减小杂乱反射 波的干扰。波的干扰。 图图7-117-11超声波测厚示意图超声波测厚示意图 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自

48、动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1640 4. 超声波测密度 图图7-127-12所示超声波测量液体密度原理示所示超声波测量液体密度原理示 意图。图中采用双晶直探头超声波探头意图。图中采用双晶直探头超声波探头 测量，探头安装在测量室（贮油箱）的测量，探头安装在测量室（贮油箱）的 外侧。测量室的长度为，根据的关系外侧。测量室的长度为，根据的关系 （为探头从发射到接收超声波所需的时（为探头从发射到接收超声波所需的时 间），可以求得超声波在被测介质中的间），可以求得超声波在被测介质中的 传播速度传

49、播速度c,c,传播速度与液体的密度传播速度与液体的密度有关。有关。 因此可通过时间因此可通过时间t t的大小来反映液体的密的大小来反映液体的密 度。度。 本仪器采用数字显示，测量精度较高，本仪器采用数字显示，测量精度较高， 能连续在线测量并能参与给以过程的自能连续在线测量并能参与给以过程的自 动控制。动控制。 图图7-12 7-12 超声波测量液体密度原理图超声波测量液体密度原理图 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1641 5超

50、声波测量液位和物位 如图如图7-137-13所示，是一个超声波液位测量示意图。在被测液体液位的上方安装一个所示，是一个超声波液位测量示意图。在被测液体液位的上方安装一个 空气传导型的超声波发生器和接收器。按超声波空气传导型的超声波发生器和接收器。按超声波脉冲反射原理脉冲反射原理，根据超声波的，根据超声波的往往 返时间返时间就可测得液体的液面高度。如果液面晃动，就会因为反射波散射而接收困就可测得液体的液面高度。如果液面晃动，就会因为反射波散射而接收困 难，因此可用直管将超声波传播路径限定在某一小的空间内。另外，由于空气中难，因此可用直管将超声波传播路径限定在某一小的空间内。另外，由于空气中 的声

51、速随温度变化而变化，这样会造成由于温度变化带来的测量误差，通常称之的声速随温度变化而变化，这样会造成由于温度变化带来的测量误差，通常称之 为温漂。所以在超声波的传播路径中设置一个反射性良好的小板做标准参照物，为温漂。所以在超声波的传播路径中设置一个反射性良好的小板做标准参照物， 随时标定测量环境中的超声波的速度，以便计算修正温度变化造成的测量误差。随时标定测量环境中的超声波的速度，以便计算修正温度变化造成的测量误差。 图图7-13 7-13 超声波液位测量示意图超声波液位测量示意图 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-2194

52、5-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1642 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1643 超声波用于高效清洗 当弱的声波作用于液体时，会对液体产生当弱的声波作用于液体时，会对液体产生 一定的负压，即液体体积增加，液体中分一定的负压，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，则会对液体强的声波信号作

53、用于液体时，则会对液体 产生一定的正压，即液体的体积被压缩减产生一定的正压，即液体的体积被压缩减 小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研小，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，液体中究证明：超声波作用于液体中时，液体中 每一个气泡的破裂会产生能量极大的冲击每一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波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达 上千大气压的压力，这种现象被称之为上千大气压的压力，这种现象被称之为 “空化作用空化作用”，超声波清洗正是利用液体，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中气泡破裂所产生的冲击波来达到

54、清洗和 冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用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。于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1644 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1645 返回本章目录返回本章

55、目录 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1646 7. 7. 微波传感器微波传感器 7.2.1 7.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波是波长为微波是波长为1000mm1000mm、频率频率300MHz300MHz300GHz300GHz的电磁波的电磁波。它既有电。它既有电 磁波的特性，又与普通的无线电波及光波不同。微波具有以下特点：磁波的特性，又与普通的无线电波及光波不同。微波具有以下特点： 可定向辐射，空间直线传输。

56、可定向辐射，空间直线传输。 遇到各种障碍易于反射。遇到各种障碍易于反射。 绕射能力差。绕射能力差。 传输特性好，传输过程中受传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很等影响很 小。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。作用最强。 由于微波有以上特性，被广泛用于由于微波有以上特性，被广泛用于液位、物位、厚度及含水量液位、物位、厚度及含水量 的测量。的测量。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3

57、传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1647 7.2.2 微波传感器的工作原理及 其分类 1. 1. 微波传感器的工作原理微波传感器的工作原理 微波传感器就是指利用微波传感器就是指利用微波特性来检测一些非电量的微波特性来检测一些非电量的 器件和装置器件和装置。 其原理是：其原理是：由发射天线发射出微波，当遇到被测物体由发射天线发射出微波，当遇到被测物体 时将时将被吸收或反射被吸收或反射，使微波，使微波功率功率发生变化发生变化。若利用接。若利用接 受天线接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，受天线接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波， 将它转换

58、成电信号，再经过信号调理电路后，即能显将它转换成电信号，再经过信号调理电路后，即能显 示出被测量，这就是微波检测过程。根据上述原理，示出被测量，这就是微波检测过程。根据上述原理， 微波传感器可分为如下两类。微波传感器可分为如下两类。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1648 2. 微波传感器的分类 根据上述原理，微波传感器可分为如下两类。根据上述原理，微波传感器可分为如下两类。 （1 1）反射式微波传感器）反射式微波传感器 反射

59、式微波传感器就是指通过检测被测物反射式微波传感器就是指通过检测被测物反射回来的反射回来的 微波功率微波功率的大小或的大小或经过的时间间隔经过的时间间隔来测量被测物的位来测量被测物的位 置、厚度等参数。置、厚度等参数。 （2 2）遮断式微波传感器）遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波 功率的大小功率的大小，来判断发射天线与被测天线之间有无被，来判断发射天线与被测天线之间有无被 测物或被测物的位置与含水量等参数。测物或被测物的位置与含水量等参数。 高职高专传感器与自动检测技术课件 第7章 波式传感器 传感器与自动检测技术 张

60、玉莲 978-7-111-21945-3 传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3 2021-6-1649 与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可以认为是一个微波与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可以认为是一个微波 场。它的其他部分可视为一个转换器和接收器，如图场。它的其他部分可视为一个转换器和接收器，如图7-147-14所示。所示。 图图7-14 7-14 微波传感器的构成微波传感器的构成 转换器可以是一个微波场的有限空间，被测物即出于其中。如果转换器可以是一个微波场的有限空间，被测物即出于其中。如果MSMS 与与T T合二为一，称之为有源微波传感器；如果合二为