第7章 波式传感器

1、学习目的掌握超声波、微波等波式传感器的 工作原理及其应用理解各种波式传感器的物理基础了解各种波式传感器的应用领域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7.1 7.1 超声波传感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。

2、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，产生的，它的频率在它的频率在20 20kHz范围内。范围内。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。人耳感觉不到人耳感觉不到，但许多动物都能感，但许多动物都能感受到，如受到，如海豚、蝙蝠海豚、蝙蝠以及某些以及某些昆虫昆虫，都能很好地感受可发出超声波。检测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：常用的超声波频率范围为： 471 101 10

3、HzHz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，绕射现波长短，绕射现象小，且方向性好，传播能量集中，能定象小，且方向性好，传播能量集中，能定向传播向传播。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。在传播过程中，遇到不同的媒介，大部分能量会过程中，遇到不同的媒介，大部分能量会被被反射回来反射回来；u 超声波对液体、固体的超声波对液体、固体的穿透能力很强穿透能力很强，尤其是对不透，尤其是对不透光的固体，它可以光的固体，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，它可以被聚焦，具有能量集超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量

4、集中的特点。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射、折射和波形变反射、折射和波形变换换等现象。等现象。 正是因为超声波的这些特性，在工业、国防、医疗、家正是因为超声波的这些特性，在工业、国防、医疗、家电等检测和控制领域有着广泛的应用电等检测和控制领域有着广泛的应用.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 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。 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

5、传播方向方向垂直垂直的波的波称为横波。横波只能在称为横波。横波只能在固体中传播固体中传播。 质点的振动介于纵波与横波之间，沿着质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面表面传播传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表表面波面波，只能在，只能在固体中传播固体中传播。 当超声波在两种介质当超声波在两种介质中传播时，在它们的界中传播时，在它们的界面上部分被反射回原介面上部分被反射回原介质中，称为质中，称为反射波反射波； 另一部分能透过界另一部分能透过界面，在另一介质中继续面，在另一介质中继续传播称为传播称为折射波折射波。图图7-17-1超声波反射与折射超声波反射与折

6、射1. 传播速度 超声波的传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，也与环境条件有关。有关，也与环境条件有关。对于对于液体液体，其传播速度，其传播速度c c为为 1gcB（7-1）介质的介质的密度密度绝对压绝对压缩系数缩系数在在气体气体中，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，在空气中传播速度有关，在空气中传播速度c c为为331.50.607 (/ )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）环境温度环境温度(1)(1)(12 )Ec固体的固体的弹性弹性模量模量泊松系数比泊松系数比2. 反射定

7、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，所处介质的波速与反射波所处介质的波速之比，即即 （7-4）当入射波和反射波的波形一样，波速一样，入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。射角即等于反射角。1sinsincc3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）2sinsinCC在自动检测中，经常采用超声波在两介质中的在自动检测中，经常采用超声波在两介质

8、中的界面所产生的折射和反射现象进行测量。界面所产生的折射和反射现象进行测量。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，透射声压到第二介质中时，透射声压与入射声压之比称为与入射声压之比称为透射率透射率。而反射声压与入射声压之比称。而反射声压与入射声压之比称为为反射率反射率。 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密度大大的介质时，的介质时，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。例如，超声波从水中入射到钢中时，透射率高达水中入射到钢中时，透射率高达93.5%93.5%。 超声

9、波自密度大的介质入射到密度小的介质中时，超声波自密度大的介质入射到密度小的介质中时，透射透射率就较小率就较小，反射率也较大反射率也较大。例如超声波进入钢板并传播一段。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，则出射到距离，到达钢板底面时，若底部是钢与水的界面，则出射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。而由底部钢与水的界面反射回钢板的反射率却高达回钢板的反射率却高达93.5%93.5%，若底部是钢与空气的界面，反，若底部是钢与空气的界面，反射率就更大。射率就更大。5. 超声波在介质中的衰减 超声波在介质中传播时，

10、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，随等会导致能量的衰减，随传播距离传播距离的增加，声波的的增加，声波的强度强度逐渐逐渐减弱。以固体介质为例，设超声波入射介质时的强度为减弱。以固体介质为例，设超声波入射介质时的强度为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。 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。气体的密度和介质密度有很大关系。气体的密度很小，因此衰减很快，尤其对于高频很小，因此衰减很快，尤其对于高频率超声波而言，衰减更快。率超声波而言

11、，衰减更快。 因此，在空气中测量时，要采用因此，在空气中测量时，要采用较低频率的超声波，一般低于数十较低频率的超声波，一般低于数十kHzkHz，而在固体中则应该采用频率高，而在固体中则应该采用频率高的超声波，一般应该在的超声波，一般应该在MHzMHz数量级以数量级以上。上。（7-6)AeII0图图7-2 7-2 超声波能量的衰减超声波能量的衰减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。超声波换能器根据其工作原理不同，分为工作原理不同，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。等数种。在检测技术中主要采用压

12、电式。换能器由于其结构的不同，在检测技术中主要采用压电式。换能器由于其结构的不同，又分为又分为直探头、斜探头、双探头、表面探头、聚焦探头、直探头、斜探头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。以及其它专用探头等。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。压电晶片采用锆钛酸铅系所示。压电晶片采用锆钛酸铅系列压电陶瓷（列压电陶瓷（PZTPZT）材料制作，）材料制作，外壳用金属制作。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

13、晶片的磨损和改善耦合条件；阻尼吸收磨损和改善耦合条件；阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波的产脉冲能量，防止杂乱反射波的产生。生。图图7-3a7-3a 双晶直探头双晶直探头的结构如图的结构如图7-3b7-3b所所示，它是由两个单晶直探头组成，示，它是由两个单晶直探头组成，装配在同一壳体内。两个探头之间装配在同一壳体内。两个探头之间用一块吸声性强，绝缘性能好的薄用一块吸声性强，绝缘性能好的薄片加以隔离，并在压电晶片下方增片加以隔离，并在压电晶片下方增设设延迟块延迟块，使超声波的，使超声波的发射和接受发射和接受互不干扰互不干扰。 在双探头中，一只

14、压电晶片负在双探头中，一只压电晶片负责发射超声脉冲，而另一只则担任责发射超声脉冲，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，但信号发射和接构虽然复杂一些，但信号发射和接收的电路却较为简单。收的电路却较为简单。图图7-3b7-3b接触法双晶直探头接触法双晶直探头 将两个单晶探头组合将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂双晶探头的结

15、构虽然复杂些，但检测精度比单晶直些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单射和接收的控制电路较单晶直探头简单。晶直探头简单。 发射晶片发射晶片接收晶片接收晶片各种双晶直探头各种双晶直探头 焦距范围：焦距范围：5 540mm, 40mm, 频率范围：频率范围：2.52.55MHz5MHz，钢中折射角：，钢中折射角：4545 7070 接触式斜探头接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头（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（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如3030 、4545 等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材等）的有机

16、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。次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件各种接触式斜探头各种接触式斜探头常用频率范围：常用频率范围：1 15MHz5MHz2. 耦合剂 无论是直探头还是斜探头，一般不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（特别是粗能直接将其放在试件表面（特别是粗糙金属表面）来回移动，糙金属表面）来回移动，以防探头磨以防探头磨损损。 同时由于超声探头与被测

17、物体接同时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，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探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层空气薄层。由于空气的密度很小，将。由于空气的密度很小，将引起三种介质两个界面间引起三种介质两个界面间强烈的杂乱强烈的杂乱反射波反射波，造成严重的，造成严重的测量干扰测量干扰，而且，而且空气还会造成超声波的严重衰减。因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此必须将接触面之间的空气排挤掉空气排挤掉，使超声波能够顺利的入射到被测介质使超声波能够顺利的入射到被测介质中。中。 在工业测量中，经常使用一在工业测量中，经常使用

18、一种称为种称为耦合剂耦合剂的液体物质，使之的液体物质，使之充满在接触层中，起到充满在接触层中，起到传递超声传递超声波波的作用。常用的耦合剂有的作用。常用的耦合剂有水、水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊学浆糊等。根据不同的被测介质等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应该尽量而选定。耦合剂的厚度应该尽量薄一些，以减小耦合损耗。薄一些，以减小耦合损耗。3. 以空气为传导介质的超声波发射器和接受器 以以空气空气为为传导介质传导介质的超声波的超声波发射器发射器和和接收器接收器一般是一般是分开设置的，两者的结构也略有不同。发射器上的压电分开设置的，两者的结构也略有不同

19、。发射器上的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以便提高发射效率和增强片上粘贴了一只锥形共振盘，以便提高发射效率和增强方向性。而接收器则在共振盘上还增加了一只阻抗匹配方向性。而接收器则在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以提高接受效率。器，以提高接受效率。a a） 超声发射器超声发射器 b b）超声接收器）超声接收器 1 1外壳外壳 2 2金属丝网罩金属丝网罩 3 3锥形共振盘锥形共振盘 4 4压电晶片压电晶片 5 5引脚引脚 6 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7 7超声波束超声波束 空气超声探头空气超声探头7.1.3 超声波传感器的应用 根据超声波的走向来看，超声根据超声波的走向来看，超声波传感器的应用有

20、两种基本类型。波传感器的应用有两种基本类型。 当超声波发生器与接收器分别当超声波发生器与接收器分别置于置于被测物两侧被测物两侧时，这种类型称时，这种类型称为为透射型透射型。透射型的典型应用有：。透射型的典型应用有：遥控器、防盗报警器、接近开关遥控器、防盗报警器、接近开关等。等。 当超声波发生器与接收器置于当超声波发生器与接收器置于同侧同侧时，这种类型称为时，这种类型称为反射型反射型。反射型的典型应用有：接近开关、反射型的典型应用有：接近开关、距离测量、液位或料位测量、金距离测量、液位或料位测量、金属探伤以及厚度测量等。属探伤以及厚度测量等。图图7-5 7-5 超声波应用两种基本类型超声波应用两

21、种基本类型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缺陷金属板材、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、材料的晶粒（如裂缝、气孔、夹渣等）、材料厚度、材料的晶粒等，配等，配合断裂力学对材料使用寿命进行评估。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、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用。而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得以广泛的应

22、用。 超声波探伤方法多种多样，而脉冲反射法根据波形的不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。下面分别给予等。下面分别给予介绍。介绍。（1）纵波探伤法 测试前，先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板测试前，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。通过荧光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺上有一个荧光屏。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，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。探头发出的超声波，以

23、一定速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度向工件内部传播. . 工件中没有缺陷，则超声波传播工件中没有缺陷，则超声波传播到工件底部便产生反射，在荧光到工件底部便产生反射，在荧光屏上只产生开始脉冲屏上只产生开始脉冲T T和底部脉和底部脉冲冲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超声波探伤超声波

24、探伤 超声波探伤是超声波探伤是目前应用十分广泛目前应用十分广泛的无损探伤手段。的无损探伤手段。它既可检测材料表它既可检测材料表面的缺陷，又可检面的缺陷，又可检测内部几米深的缺测内部几米深的缺陷，这是陷，这是x光探伤光探伤所达不到的所达不到的深度。深度。 A型型超声探伤超声探伤反射波形反射波形裂纹裂纹（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。超声波的一个显著特点是：超声波显著特点是：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，探测探测灵敏度灵敏度最高最高。 如遇到如图如遇到如图7-77-7中所示的斜向缺陷时，用直探头

25、虽然能中所示的斜向缺陷时，用直探头虽然能探测出缺陷的存在，但探测出缺陷的存在，但并不能真实反映缺陷的大小并不能真实反映缺陷的大小。如用斜。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、取向采用不同的探头进行探伤。有些工件不同缺陷的性质、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，为了保证探伤质量，则应的缺陷性质、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。该采用不同种类的探头进行多次探测。图图7-77-7（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

26、检测工件表面附近的缺陷表面附近的缺陷存在与否。存在与否。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，这时固体表面受到超声波能量引起的交替变化的表，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，质点在介质表面的平衡位置附近作椭圆轨迹面张力作用，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。当工件表面存在缺陷时，表振动，这种振动称为表面波。当工件表面存在缺陷时，表面波被反射回探头，可在荧光屏上显示出来。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2. 超声波流量计 在被测管道上下游

27、的一定距离上，分别安装在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声两对超声波发射和接受探头波发射和接受探头（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 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）的超声波是逆流传播逆流传播的。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，采用测量两个接收探头上超声波传播的接收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等方法可测出流体的平均流速，进而推算出流量。测出流体的平均流

28、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（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 ，流体在，流体在管道内的平均流速为管道内的平均流速为 ，超声波在静止流体中的声速为，超声波在静止流体中的声速为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: :cos1vcvcos2vcvv超声波由反射探头超声波由反射探头F F2 2至至接收探头接收探头T T2 2的绝对传播速的绝对传播速度为度为: :22212cosco

29、t2cossin/cossin/vcdvvcdvcdttt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 cot22cdvt 因为因为v v c c，所以，所以2tan2cvtd则体积流量约为则体积流量约为22tan48VQd vdct 流速流速 及流量及流量Q QV V 均与时间差成正比，而时间差可用均与时间差成正比，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。在这标准时间脉冲计数器实现。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，而声速一般随介质的有关，而声速一般随介质的温度温度变变化而变化，因此将造成化而变化，因此将造成

30、温漂温漂。 v（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。子开关的控制，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、FFF 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发射的超声波到达发射的超声波到达F F2 2的时间的时间较短较短vDfff2sin21 超声波流量计最大的特点是：超声波流量计最大的特点是：探头可以装在被侧流体管道探头可以装在被侧流体管道的外面，实现非接触测量，既不干扰

31、流体流动状态，又不受流的外面，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数影响，而且大大降低了流量计的安装费用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。其输出基本上与流量成线性关系，测量精度一般可达到其输出基本上与流量成线性关系，测量精度一般可达到1%1%。其。其价格与管道的尺寸无关，因此特别适合大口径管道，以及含有价格与管道的尺寸无关，因此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。磨损性杂质或腐蚀性液体的测量。 发射、接收探头发射、接收探头也可以也可以安装在管道的同一侧安装在管道的同一侧同侧式同侧式超声波流量计的使用超声波流量计的使用 （参考北京

32、菲波仪表有限公司资料）（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流量计现场使用3. 超声波测厚12ct图图7-117-11超声波测厚示意图超声波测厚示意图 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脉冲反射法反射法进行测厚。可以测量钢及其它金属、有机玻璃、硬塑料进行测厚。可以测量钢及其它金属、有机玻璃、硬塑料等的厚度。等的厚度。 双晶直探头左边的压电晶片发射超声波脉冲，经探头内部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，的延迟块延时后，该脉冲进入被测试件，在到达试

33、件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。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），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，也就代表了内所经历的来回距离，也就代表了厚度值，即厚度值，即手持式超声波测手持式超声波测厚仪厚仪某超声波测厚仪指标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）（参考北京北方大河仪器仪表

34、有限公司资料） 显示方法显示方法128128* *32 LCD 32 LCD 点阵液晶显示（带背光）点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位显示位数：四位 测量范围：测量范围：0.80.8200mm 200mm 示值精度：示值精度：0.1mm 0.1mm 声速范围：声速范围：1000 1000 9999m/s 9999m/s 测量周期：测量周期：2 2次次/ /秒秒 自动关机时间：自动关机时间：9090秒秒 电源：二节七号（电源：二节七号（AAAAAA）电池，）电池，可连续工作不少于可连续工作不少于7272小时小时 使用温度：使用温度：-10-10C C 40 40C C 存储温度：存储温度：-

35、20-20C C 70 70C C 外形尺寸：外形尺寸：108x61x25mm 108x61x25mm 重量：重量：230g 230g （含电池）（含电池）超声波测厚超声波测厚石料测厚石料测厚4. 超声波测密度 采用双晶直探头超声波探头采用双晶直探头超声波探头测量，探头安装在测量室（储油箱）测量，探头安装在测量室（储油箱）的外侧。测量室的长度为的外侧。测量室的长度为l l，根据，根据t=2l/ct=2l/c的关系（为探头从发射到接的关系（为探头从发射到接收超声波所需的时间），可以求得收超声波所需的时间），可以求得超声波在被测介质中的传播速度超声波在被测介质中的传播速度c,c,传播速度与液体的密

36、度传播速度与液体的密度有关。因此有关。因此可通过时间可通过时间t t的大小来反映液体的的大小来反映液体的密度。密度。 本仪器采用数字显示，测量精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度较高，能连续在线测量并能参与过程的自动控制。过程的自动控制。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超声波测量液位和物位原理超声波测量液位和物位原理 在液罐上方安装空气传在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。可测得液体的液面。 超声波测量液位和物位超声波测量液位和物位

37、喇叭形超声发生器喇叭形超声发生器超声波用于高效清洗 超声波作用于液体中时，液体中每一个气泡的破裂会产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波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达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，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、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。玻璃、医疗仪器

38、等行业。超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测叠放叠放高度测量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）超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）物件放置错误检测物件放置错误检测机械手定机械手定位位超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）平整度测量平整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）流水线计数流水线计数超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）超声波传感器应用举例超声波传感器

39、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） 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。它既有电磁波的特性，又与。它既有电磁波的特性，又与普通的无线电波及光波不同。普通的无线电波及光波不同。 微波具有以下特点：微波具有以下特点：可定向辐射，空间直线传输。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

40、烟雾、火焰、灰尘、强光尘、强光等影响很小。等影响很小。介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，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。水对微波的吸收作用最强。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、物液位、物位、厚度及含水量位、厚度及含水量的测量。的测量。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

41、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。若利用接受天。若利用接受天线接收到通过被测物或由被测物线接收到通过被测物或由被测物反射反射回来的回来的微波微波，将它转，将它转换成换成电信号电信号，再经过信号调理电路后，即能显示出被测量，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，微波传感器可分为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。如下两类。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 反射式微波传感器就是

42、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反射回来的微波功率来的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来测量被测物的位置、厚度等参数。的位置、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遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波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，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。无被测物或被测物的位置与含水量等参数。 与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可以与一般传感器不同，微波传感器的敏感元件可以认为是一个微波场。它

43、的其他部分可视为一个转换器认为是一个微波场。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。如果其中。如果MSMS与与T T合二为一，称之为有源微波传感器；如合二为一，称之为有源微波传感器；如果果MSMS与与R R合二为一，则称其为合二为一，则称其为自振式微波传感器自振式微波传感器。微波源微波源Microwave Source转换器转换器TransducerTransducer接收器接收器Receiver

44、Receiver微波天线u 由微波振荡器产生振荡信号需要用波导管（波长为由微波振荡器产生振荡信号需要用波导管（波长为10cm10cm以上可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发以上可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有射的微波具有尖锐的方向性尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的，天线具有特殊的结构。常用的天线如下图所示，有天线如下图所示，有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线隙缝天线等。等。u 喇叭形天线结构简单，制造方便，它可以看作是波导管喇叭形天线结构简单，制造方便，它可以看作是波导管的延续。喇叭型天线在波导管与敞开

45、的空间之间起匹配作用，的延续。喇叭型天线在波导管与敞开的空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线，好像凹面镜产生平行可以获得最大能量输出。抛物面天线，好像凹面镜产生平行光，因此使微波发射的方向性得到改善。光，因此使微波发射的方向性得到改善。7.2.3 微波传感器的应用1. 1. 微波湿度（水分）传感器微波湿度（水分）传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章的分布着。在外电场的作用下，偶极子会形成定无章的分布着。在外电场的作用下，偶极子会形成定向的排列。当水分子处于微波场中时，偶极子会在微向的排列。当水分子处于微波场中时，偶极子会在

46、微波场的作用下波场的作用下反复取向，并不断的从电场中得到能量反复取向，并不断的从电场中得到能量（储能），又不断的释放能量（放能），前者表现为（储能），又不断的释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减微波信号的相移，后者表现为微波衰减。这个特性可以用水分子自身介电常数来表征，即这个特性可以用水分子自身介电常数来表征，即 与与 不仅与不仅与材料材料有关，还与测试信号有关，还与测试信号频率频率有关。所有极有关。所有极性分子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、性分子均有此特性，一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其纸张、塑料等，其 值在值在1 15 5范

47、围内，而水的范围内，而水的 值则高达值则高达6464，因此，材料中如果含有少量的水分，其复合的，因此，材料中如果含有少量的水分，其复合的 值将明值将明显上升，显上升， 也有类似性质。也有类似性质。 使用微波传感器，同时测量使用微波传感器，同时测量干燥物体干燥物体（纯）与（纯）与含水一定含水一定的潮湿的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，将获得的信号物体所引起的微波信号的相移与衰减量，将获得的信号进行比较，就可以换算出潮湿物体的含水量。目前已经研制成进行比较，就可以换算出潮湿物体的含水量。目前已经研制成土壤、煤、石油、矿砂、酒精、玉米、稻谷、塑料、皮革等一土壤、煤、石油、矿砂、酒精、玉米、稻

48、谷、塑料、皮革等一批含水量测量仪。批含水量测量仪。(7-13) 储能的度量储能的度量常数常数衰减的度量衰减的度量 2. 微波液位计 相距为相距为S S的发射天线与接收天线，相互构成一定角度，波的发射天线与接收天线，相互构成一定角度，波长为长为的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的微波功率将随被测液面的高低不同而异，接收天线接收到的微波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收到的功率P PV V为：为： 当发射功率、波长、增益均当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测出接收功率，恒定时，只要测出接收功率，就可得到被测液面的高

49、度。就可得到被测液面的高度。dsPGGpV44202接受天线的接接受天线的接受功率受功率, ,单位单位W W发射天线发射天线的功率的功率接受天线的接受天线的增益增益两天线的间距离，两天线的间距离，单位单位m m两天线与被测两天线与被测表面间的垂直表面间的垂直距离，单位距离，单位m m发射天线发射天线的的增益增益3. 微波物位计 当被测物体位置当被测物体位置较低较低时，时，发射天线发射的微波束全部由发射天线发射的微波束全部由接收天线接收，经检波、放大接收天线接收，经检波、放大与定电压比较之后发出物体位与定电压比较之后发出物体位置正常信号。置正常信号。 当被测物体位置当被测物体位置升高升高到天到天

50、线所在高度时，微波束部分被线所在高度时，微波束部分被物体吸收，部分物体吸收，部分被反射被反射，接收，接收天线接收到的微波功率相应减天线接收到的微波功率相应减弱，经检波、放大、与定电压弱，经检波、放大、与定电压比较，低于定电压值，微波物比较，低于定电压值，微波物位计就发出被测物体位置高出位计就发出被测物体位置高出设定物位信号。设定物位信号。图图7-177-17微波物位计微波物位计4. 微波测厚仪 这种测厚仪是利用微波在传播过程中这种测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面遇到被测物金属表面被反射被反射，且反射波的，且反射波的波长与速度都不变波长与速度都不变的特性进行厚度测量的。的特性进行厚

51、度测量的。 在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器源发出的微波，经过环行器A A，经，经上传输波导管上传输波导管传输到上终端传输到上终端器，由上终端器发射到被测金属物体的上表面上，微波在这个器，由上终端器发射到被测金属物体的上表面上，微波在这个表面被表面被全反射后又回到上终端器全反射后又回到上终端器，再经传输导管、环行器，再经传输导管、环行器A A、下传输波导管传输到下传输波导管传输到下终端器下终端器。 由下终端器发射到被测金属物体的下表面上，微波在这个由下终端器发射到被测金属物体的下表面上，微波在这个表面被

52、表面被全反射后又回到下终端器全反射后又回到下终端器，再经过传输波导管回到环行，再经过传输波导管回到环行器器A A。因此被测物的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切。因此被测物的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系。当被测物厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。关系。当被测物厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。5.微波温度传感器 任何物体，当它的温度高于环境温度时，都将向外任何物体，当它的温度高于环境温度时，都将向外辐射辐射热量热量。当辐射热到达接收机输入端口时，若仍然。当辐射热到达接收机输入端口时，若仍然高于基准温高于基准温度度（或室温），在接收机的输出端将有信号输出，这就是辐（或室温）

53、，在接收机的输出端将有信号输出，这就是辐射计或噪声温度接收机的基本原理。射计或噪声温度接收机的基本原理。 微波频段的辐射计就是一个微波频段的辐射计就是一个微波温度传感器。其中微波温度传感器。其中TinTin为输入为输入温度（被测温度）；温度（被测温度）；TcTc为基准温为基准温度；度；C C为环行器；为环行器；BPFBPF为带通滤波为带通滤波器；器；LNALNA为低噪声放大器；为低噪声放大器；M M为混为混频器；频器；LOLO为本机振荡器。这个传为本机振荡器。这个传感器的关键部件是低噪声放大器，感器的关键部件是低噪声放大器，它决定了传感器的灵敏度。它决定了传感器的灵敏度。图图7-19 7-19

54、 微波温度传感器微波温度传感器u 微波传感器最有价值的应用，是微波遥测，将微波微波传感器最有价值的应用，是微波遥测，将微波温度传感器装在航天器上，可遥测大气对流层状况，进温度传感器装在航天器上，可遥测大气对流层状况，进行大地测量与探矿；可以遥测水质污染程度；确定水域行大地测量与探矿；可以遥测水质污染程度；确定水域范围；判断土地肥沃程度；判断植物品种等。范围；判断土地肥沃程度；判断植物品种等。u 近年来，微波传感器又有新的重要应用，这就是用近年来，微波传感器又有新的重要应用，这就是用其探测人体癌变组织。癌变组织与周围正常组织之间存其探测人体癌变组织。癌变组织与周围正常组织之间存在着一个微小的温度

55、差。早期癌变组织比正常组织高在着一个微小的温度差。早期癌变组织比正常组织高0.10.1，肿瘤组织比正常组织偏高，肿瘤组织比正常组织偏高11。如果能精确测量。如果能精确测量出出0.10.1的温差，就可以发现早期癌变，从而可以早日的温差，就可以发现早期癌变，从而可以早日治疗。治疗。6. 微波定位传感器 微波源（微波源（MSMS）发射的微波经环行器（）发射的微波经环行器（C C）从天线发射出）从天线发射出微波信号。当物料微波信号。当物料远离小孔（远离小孔（O O）时）时，反射信号很小反射信号很小；当物；当物料移近小孔时，反射信号突然料移近小孔时，反射信号突然增大增大，该信号进入转换器（，该信号进入转

56、换器（T T）变换为电压信号，然后送显示器变换为电压信号，然后送显示器D D显示出来。也可以将此信显示出来。也可以将此信号送至控制器控制执行器工作，使物料停止运动或加速运动。号送至控制器控制执行器工作，使物料停止运动或加速运动。图图7-20 7-20 微波定位传感器微波定位传感器返回本章目录返回本章目录7.3 多普勒传感器7.3.1 7.3.1 多普勒效应（多普勒效应（Doppler effectDoppler effect） “ “多普勒效应多普勒效应”是由奥地利物理学家克里斯蒂是由奥地利物理学家克里斯蒂安安多普勒于多普勒于18421842首先发现并加以研究而得名的，其内首先发现并加以研究而

57、得名的，其内容为：由于容为：由于波源和接收者之间存在着相互波源和接收者之间存在着相互运动运动而造成而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率不同接收者接收到的频率与波源发出的频率不同，这种现，这种现象称为象称为多普勒效应多普勒效应，也称多普勒频移。，也称多普勒频移。 关于多普勒效应理论有两种：关于多普勒效应理论有两种： 1.1. 声波的多普勒效应声波的多普勒效应 2.2. 光波（包括电磁波）的多普勒效应光波（包括电磁波）的多普勒效应 1. 声波的多普勒效应 当一列鸣着汽笛的火车或鸣当一列鸣着汽笛的火车或鸣着喇叭的救护车着喇叭的救护车朝朝我们开来的我们开来的时候，我们会感到声音时候，我们会感到声音

58、比较尖比较尖，一旦从我们身边一旦从我们身边离去离去时，声音时，声音就会就会变粗变粗。事实上，当声源接。事实上，当声源接近观察者时，声波会被近观察者时，声波会被“压压缩缩”，声波的，声波的频率频率提高；而在提高；而在远离远离观察者时，声音听起来就观察者时，声音听起来就显得低沉。当然，当观察者接显得低沉。当然，当观察者接近或远离固定声源时也会产生近或远离固定声源时也会产生多普勒效应。但我们接近或远多普勒效应。但我们接近或远离声源的速度如果比较小，耳离声源的速度如果比较小，耳朵就无法区分这些细微的差别。朵就无法区分这些细微的差别。图图7-21 7-21 多普勒效应示意图多普勒效应示意图多普勒效应 假

59、如发射机与接收机之间的假如发射机与接收机之间的距离发生变化距离发生变化，则，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就频率就不同不同。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为所以称为多普勒效应多普勒效应。 如果发射机和接收机在同一地点，两者无如果发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以速度相对运动，而被测物体以速度 向发射机和接向发射机和接收机运动收机运动，我们可以把，我们可以把被测物体对信号的反射被测物体对信号的反射现象看成是一个发射机现象看成是一个发射机。这样，接收机和被测。这样，接收机和

60、被测物体之间因有物体之间因有相对运动相对运动，所以就产生了多普勒，所以就产生了多普勒效应。效应。 多普勒频率 当观察者当观察者朝波源朝波源运动时，运动时， 取正号；当观察者取正号；当观察者背离波源背离波源（即顺着波源）运动时，（即顺着波源）运动时， 取负号；当取负号；当波源朝观察者波源朝观察者运运动时动时 前面取负号；当波源前面取负号；当波源背离观察者背离观察者运动时运动时 取正取正号。号。 当观察者与声源相互当观察者与声源相互靠近靠近时，时， ； 当观察者与声源相互当观察者与声源相互远离远离时，时， 。01sff(7-15 )根据多普勒效应，可定量分析得到多普勒频率：根据多普勒效应，可定量分