波传感器学习教案

1、会计学1波传感器波传感器第一页，共46页。本章中将介绍主要的几种波传感器。第1页/共46页第二页，共46页。 9.1 声传感器声传感器声波基本概念声波基本概念 1. 声波声波 声波与振动是紧密相关的，机械振动常常声波与振动是紧密相关的，机械振动常常引起声辐射。物体引起声辐射。物体(wt)振动时激励着它周围的振动时激励着它周围的空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动物体气质点的相互作用下，振动物体(wt)四周的空四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。按照频率范围

2、，声波可分为次声波而形成声波。按照频率范围，声波可分为次声波、可听声波、超声波。可听声波的频率在、可听声波、超声波。可听声波的频率在16Hz20kHz之间。低于之间。低于16Hz的振动产生的机械的振动产生的机械波称为次声波。频率超过波称为次声波。频率超过20kHz的机械波称为超的机械波称为超声波。声波。 第2页/共46页第三页，共46页。2. 声波的波形声波的波形 由于声源在介质中施力方向与波在介质中由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波型也会不同。通传播方向不同，声波的波型也会不同。通常有以下三种：常有以下三种：(1)纵波纵波 (2) 横波横波 (3) 表面波表面波3.

3、声波的特性声波的特性(1) 声压声压(P) 当声波传播时，某处的空气疏密地变化，当声波传播时，某处的空气疏密地变化，使压强使压强(yqing)在大气压附近上下变化，在大气压附近上下变化，相当于在原来的大气压强相当于在原来的大气压强(yqing)上叠加上叠加一个变化的压强一个变化的压强(yqing)，这个叠加上去，这个叠加上去的压强的压强(yqing)就叫声压。通常所说的声就叫声压。通常所说的声压，是指一段时间内瞬时声压的均方根值压，是指一段时间内瞬时声压的均方根值(即有效声压即有效声压)，故总是正值。对于正弦波形，故总是正值。对于正弦波形，有效声压等于瞬时声压最大值，有效声压等于瞬时声压最大值

4、Pmax除以除以，即，即 一般来说，如未加说明，声压指有效声压一般来说，如未加说明，声压指有效声压。2/maxPP max/2PP第3页/共46页第四页，共46页。 (2) 声功率声功率 声波是能量传播的一种形式，因此也常用能量的大小来表示声音的声波是能量传播的一种形式，因此也常用能量的大小来表示声音的强弱。声源在单位时间强弱。声源在单位时间(shjin)内向外辐射的声能量叫做声功率，用符内向外辐射的声能量叫做声功率，用符号号W表示，单位为表示，单位为W。(3) 声强声强 声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。它是指单位时声强也是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。它是指单位时间间(

5、shjin)内内(每秒钟每秒钟)，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，用符号，用符号I表示，单位为表示，单位为W/m2。若声能通过的面积为。若声能通过的面积为S，则声强为，则声强为 在无反射声波的自由场中，点声源发出的球面波，均匀地向四周辐在无反射声波的自由场中，点声源发出的球面波，均匀地向四周辐射声能，因此，距离声源中心为射声能，因此，距离声源中心为r的球面上的声强为的球面上的声强为/IW S24WIr第4页/共46页第五页，共46页。(4) 声压级、声强级和声功率级声压级、声强级和声功率级 通常通常(tngchng)采用按对数方式分级的办

6、法来表示声采用按对数方式分级的办法来表示声音大小音大小,这就是声压级、声强级、声功率级。这就是声压级、声强级、声功率级。声压级声压级(LP) 声压级声压级Lp指测量的声压指测量的声压P与参考声压与参考声压Pref的比值取常用的比值取常用对数，再乘以对数，再乘以20, 单位为分贝单位为分贝(dB)，即，即式中，参考(cnko)声压Pref=210-5 Pa，为1kHz时的听阈。声强级(LI) 声强级LI是指测量的声强I与参考(cnko)声强Iref比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即20lg()prefPLdBP10lgIrefILI第5页/共46页第六页，共46页。声功率级(LW

7、) 声功率级是指测量的声功率W与参考(cnko)功率Wref的比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即10lgWrefWLW式中，参考功率Wref =10-12，为1HZ时听阈声功率值。 由于(yuy)在一定条件下，声压级、声强级、声功率级在数值上是相等的，因此，可将三者统一用声级表示。第6页/共46页第七页，共46页。 式中，P，I分别为平面波在x处的声压和声强；P0 ，I0为平面波在x=0处的声压和声强；为衰减系数。5. 声波(shn b)的多普勒效应0 xPPe20 xII e4. 声波的衰减声波的衰减 声波在介质中传播时，随着声波在介质中传播时，随着(su zhe)传播距传播

8、距离的增加，能量逐渐衰减，衰减的程度以衰减系离的增加，能量逐渐衰减，衰减的程度以衰减系数数来表示。在平面波的情况下，其声压和声强来表示。在平面波的情况下，其声压和声强的衰减规律如下的衰减规律如下第7页/共46页第八页，共46页。第8页/共46页第九页，共46页。1. 电阻变换型声敏传感器电阻变换型声敏传感器 按照转换原理将这类传感器可分为接触阻抗型按照转换原理将这类传感器可分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，其工作原理如图所示，当声型实例是碳粒式送话器，其工作原理如图所示，当声波经空气传播至膜片时，膜片

9、产生振动，使膜片和电波经空气传播至膜片时，膜片产生振动，使膜片和电极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话极之间碳粒的接触电阻发生变化，从而调制通过送话器的电流，该电流经变压器耦合至放大器经放大后输器的电流，该电流经变压器耦合至放大器经放大后输出。阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片或半导出。阻抗变换型声敏传感器是由电阻丝应变片或半导体应变片粘贴在膜片上构成体应变片粘贴在膜片上构成(guchng)的。当声压作的。当声压作用在膜片上时膜片产生形变，使应变片的阻抗发生变用在膜片上时膜片产生形变，使应变片的阻抗发生变化，检测电路将这种变化转换为电压信号输出从而完化，检测电路将这种变化转换为电压

10、信号输出从而完成声成声-电的转换。电的转换。第9页/共46页第十页，共46页。碳粒式送话器的工作(gngzu)原理图 第10页/共46页第十一页，共46页。2. 压电声敏传感器压电声敏传感器 压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成的。下图是压电传感器的结构图。压电晶体的一成的。下图是压电传感器的结构图。压电晶体的一个极面和膜片相连接，当声压作用在膜片上使其振个极面和膜片相连接，当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，压电晶体动时，膜片带动压电晶体产生机械振动，压电晶体在机械应力在机械应力(yngl)的作的作用下产生随声压用下产生随

11、声压大小变化而变化大小变化而变化的电压，从而完的电压，从而完成声电的转换。成声电的转换。压电声敏传感器压电声敏传感器可广泛用于水声可广泛用于水声器件、微音器和器件、微音器和噪声计等方面。噪声计等方面。 压电传感器的结构图 第11页/共46页第十二页，共46页。3. 电容式声敏传感器电容式声敏传感器(静电型静电型) 下图为电容式送话器的结构示意图。它下图为电容式送话器的结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。当膜片在声波作一个间距很小的可

12、变电容器。当膜片在声波作用下振动时，膜片与固定电极间的距离用下振动时，膜片与固定电极间的距离(jl)发发生变化，从而引起电容量的变化。如果在传感生变化，从而引起电容量的变化。如果在传感器的两极间串接负载电阻器的两极间串接负载电阻RL和直流电流极化电和直流电流极化电压压E，在电容量随声波的振动变化时，在，在电容量随声波的振动变化时，在RL的的两端就会产生交变电压。两端就会产生交变电压。 电容式声敏传感器的输出阻抗呈容性，电容式声敏传感器的输出阻抗呈容性，由于其容量小，在低频情况下容抗很大，为保由于其容量小，在低频情况下容抗很大，为保证低频时的灵敏度，必须有一个输入阻抗很大证低频时的灵敏度，必须有

13、一个输入阻抗很大的变换器与其相连，经阻抗变换后，再由放大的变换器与其相连，经阻抗变换后，再由放大器进行放大。器进行放大。第12页/共46页第十三页，共46页。电容式送话器结构(jigu)示意图 第13页/共46页第十四页，共46页。4. 音响传感器音响传感器 音响传感器包括：将声音载于通信网的电话音响传感器包括：将声音载于通信网的电话话筒；将可听频带范围话筒；将可听频带范围(20Hz20KHz)的声音真实的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据信号还原成声音的各种传感器等。根据(gnj)不同不同的工作原

14、理的工作原理(有电磁变换、静电变换、电阻变换、光有电磁变换、静电变换、电阻变换、光电变换等电变换等)，可制成多种音响传感器。下面介绍一种，可制成多种音响传感器。下面介绍一种音响传感器音响传感器水听器。水听器。 一般来说，水声观测设备主要由两部分组成一般来说，水声观测设备主要由两部分组成，一是电子设备，一是电子设备产生、放大、接收和指示电信产生、放大、接收和指示电信号的部分，它具体包括发射机、接收机、指示器等号的部分，它具体包括发射机、接收机、指示器等；二是水声换能器；二是水声换能器它的作用是完成电声信号的它的作用是完成电声信号的转换。下图是几种常用的水声设备的作用示意图。转换。下图是几种常用的

15、水声设备的作用示意图。第14页/共46页第十五页，共46页。(a)被动式声呐(shn n)(b)主动式声呐(shn n)几种水声设备(shbi)的工作示意图 第15页/共46页第十六页，共46页。 当水声换能器工作(gngzu)在发射状态时，它的任务就是把电的振荡能转换为机械系统的振动能，再推动水介质向外辐射声能量。当水声换能器工作(gngzu)在接收状态时，它的任务和发射状态时相反，即先把水介质中的声信号通过机械振动系统耦合到电路中并变成电信号，然后再把电信号送到接收或指示设备上去。(c)水声通信(tng xn)仪第16页/共46页第十七页，共46页。9.2 声表面波传感器声表面波传感器概述

16、概述 声表面波声表面波(SAWSurface Acoustic Wave)是英国物理学家瑞利在是英国物理学家瑞利在1886年研究地年研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波谐振器的核心是叉指换播的声波。声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波谐振器的频率特性，配能器。基于声表面波谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实现敏感许多上必要的电路和结构，可以实现敏感许多(xdu)参数的声表面波传感器。参数的声表面波传感器。 SAW传感器主要有以下优点。传感器主要有以下优点。1. 高准确度、高灵敏度。高准确度、高灵敏度。2. 结构

17、工艺性好，便于批量生产。结构工艺性好，便于批量生产。3. 体积小，质量小，功耗低，易于集成。体积小，质量小，功耗低，易于集成。4. 与微处理器相连，接口简单。与微处理器相连，接口简单。第17页/共46页第十八页，共46页。传感器的基本原理传感器的基本原理 SAW传感器的基本原理是在压电材料表面形成传感器的基本原理是在压电材料表面形成叉指换能器，构成叉指换能器，构成SAW振荡器或谐振器，适当设计振荡器或谐振器，适当设计SAW振荡器或谐振器，使其对微细的待测量敏感。一振荡器或谐振器，使其对微细的待测量敏感。一般是使被测量作用般是使被测量作用SAW的传播路径的传播路径(ljng)，引起，引起SAW的

18、传播速度发生变化，从而使振荡频率发生变化的传播速度发生变化，从而使振荡频率发生变化，通过频率的变化检测被测量。，通过频率的变化检测被测量。1. 声表面波叉指换能器声表面波叉指换能器 图图7-11所示为叉指换能器的基本结构，它由若所示为叉指换能器的基本结构，它由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电极条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状极条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状如同交叉平放的两排手指，故称为均匀如同交叉平放的两排手指，故称为均匀(或非色散或非色散)叉叉指换能器。指换能器。第18页/共46页第十九页，共46页。 当

19、在发射叉指换能器上施加适当频率的交流(jioli)电信号后，在电基片内部的电场分布如图所示。该电场可分解为垂直与水平两个分量EV和EH。由于基片的逆压电效应，这个电场使指条电极间的材料发生形变，使质点发生位移，EH使质点产生平行于表面的压缩(膨胀)位移，EV则产生垂直于表面的剪切位移。这种周期性的应变就产生沿叉指换能器两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率。第19页/共46页第二十页，共46页。叉指换能器的基本(jbn)结构 叉指电极下某一瞬间的电场(din chng)分布第20页/共46页第二十一页，共46页。2. 声表面波谐振器声表面波谐振器 声表面波谐振器有两种实现方式。

20、一种以声表面波谐振器有两种实现方式。一种以声表面波谐振子声表面波谐振子(SAWRSurface Acoustic Wave Resonator)为核心，一种以声表面波延迟线为核心，一种以声表面波延迟线为核心，再配以适当的放大器组成。由为核心，再配以适当的放大器组成。由SAWR构构成成(guchng)的声表面波谐振器是目前在甚高频的声表面波谐振器是目前在甚高频和超高频段实现高和超高频段实现高Q值的唯一器件。值的唯一器件。SAWR由一对叉指换能器及金属栅条式反射器由一对叉指换能器及金属栅条式反射器构成构成(guchng)，如图所示，如图所示SAWR基本(jbn)结构第21页/共46页第二十二页，共

21、46页。声表面波传感器的应用声表面波传感器的应用1. SAW压力传感器压力传感器 SAW压力传感器通常采用周边固定的石英膜片压力传感器通常采用周边固定的石英膜片为敏感元件。由于敏感膜片受到的压力与该作用力引为敏感元件。由于敏感膜片受到的压力与该作用力引起的起的SAW振荡器输出振荡器输出(shch)频率的变化具有对应关频率的变化具有对应关系，因此通过测量系，因此通过测量SAW的输出的输出(shch)频率偏移，即频率偏移，即可得知压力的大小。下面是可得知压力的大小。下面是SAW压力传感器结构原理压力传感器结构原理图。图。SAW压力(yl)传感器的原理结构图第22页/共46页第二十三页，共46页。2

22、. SAW气敏传感器气敏传感器 在在SAW气敏传感器中，要使气敏传感器中，要使SAW器件对某些器件对某些(mu xi)特殊气体敏感，需要在延迟线的两个叉指特殊气体敏感，需要在延迟线的两个叉指换能器之间，即声表面波的传播路径上敷设一层具换能器之间，即声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜，该吸附膜只对所需敏感的有特殊选择性的吸附膜，该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体，使基片表面性气体成分的含量增多。为了实气体，使基片表面性气体成分的含量增多。为了实现对环境温度变化的补偿，现对环境温度变化的补偿，SAW气敏

23、传感器大多采气敏传感器大多采用双通道延迟线结构。用双通道延迟线结构。气敏传感器的原理(yunl)结构第23页/共46页第二十四页，共46页。9.3 超声波超声波(shn b)传感器传感器 超声波超声波(shn b)技术是一门以物理、电子技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的各行各业都要使用的、机械及材料学为基础的各行各业都要使用的通用技术之一。超声波通用技术之一。超声波(shn b)技术是通过技术是通过超声波超声波(shn b)产生、传输及接收的物理过产生、传输及接收的物理过程完成的。通常，程完成的。通常，20kHz以上频率的高频声波以上频率的高频声波(shn b)称为超声波称为超声波(

24、shn b)。超声波。超声波(shn b)的应用都必须借助于超声波的应用都必须借助于超声波(shn b)探头探头(换能器或传感器换能器或传感器)来实现。目前，超声来实现。目前，超声波波(shn b)技术广泛应用于冶金、船舶、机技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声探伤、超声清械、医疗等各个工业部门的超声探伤、超声清洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面，洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面，无论在使用效果、经济价值以及适用范围方面无论在使用效果、经济价值以及适用范围方面，都有着良好的发展前景。，都有着良好的发展前景。第24页/共46页第二十五页，共46页。 超声波具有(jy

25、u)以下四个基本特性: 1.束射特性 2.吸收特性 3.高功率 4.声压作用 上述基本特性使超声波在媒体中产生(chnshng)如下效应：机械效应、热学效应、空化效应、声流效应和生物学效应。超声波的波型、转换方式以及传输速度等方面同声波一致。第25页/共46页第二十六页，共46页。超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理 超声波传感器是检测伴随超声波传播的声超声波传感器是检测伴随超声波传播的声压或介质形变的装置。利用压电效应、电应变压或介质形变的装置。利用压电效应、电应变(yngbin)效应、磁应变效应、磁应变(yngbin)效应、光弹性效应、光弹性效应等应变效应等应变(yngbin)与其

26、它物理特性相互作用的与其它物理特性相互作用的方法，或用电磁的、静电的或光学的手段等可检方法，或用电磁的、静电的或光学的手段等可检测由声压作用产生的振动。超声检测技术的基本测由声压作用产生的振动。超声检测技术的基本原理通常是利用某种待测的非声量原理通常是利用某种待测的非声量(如密度、浓度如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液面、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液面、厚度、缺陷等、厚度、缺陷等)与某些描述媒质声学特性的超声与某些描述媒质声学特性的超声量量(如声速、衰减、声阻抗等如声速、衰减、声阻抗等)之间存在着的直接之间存在着的直接或间接关系，在探索到这些关系的规律之后就可或间接

27、关系，在探索到这些关系的规律之后就可通过超声量的测定来测出那些待测的非声量。通过超声量的测定来测出那些待测的非声量。 超声波传感器的敏感元件多用压电晶体，超声波传感器的敏感元件多用压电晶体，依据的原理是压电效应。依据的原理是压电效应。第26页/共46页第二十七页，共46页。 右图是超声波传感器结构图。它采用双晶振子，即把双压电片以相反极化方向黏在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，分别用引线接到两个电极上。双晶振子为正方形，正方形的左右两边(lingbin)由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆

28、锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波。接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，产生高频电压。超声波传感器结构图第27页/共46页第二十八页，共46页。 下图是双晶振子超声波传感器的工作原理示意图。若在双晶振子上施加40kHz的高频电压，根据逆压电效应，压电陶瓷片a、b就随所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器。图中接收器中也有与发射器结构相同的双晶振子，若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，由于压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就产生压电效应，一面产生正电(zhngdin)荷

29、，另一面产生负电荷；于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。超声波传感器的工作(gngzu)原理示意图第28页/共46页第二十九页，共46页。 下图是超声波传感器的等效电路与阻抗特性。图(a)为等效电路，相当于L0、C0、R0串联与CP并联的电路，这些参数之间关系如图所示。图(b)为阻抗特性，振子阻抗Z随频率f而变化，Z最小时为串联谐振(xizhn)频率fr，最大时为并联谐振(xizhn)频率fa。然而，传感器的数据表中都没有记载这两种频率，一般用标称频率来表示。超声波传感器的等效电路与阻抗(zkng)特性第29页/共46页第三十页，共46页。超声波传感

30、器的选择性用振子Q值进行(jnxng)评价，Q值是表示谐振频率时振子振动特性的尖锐程度。若电容为C，则Q值可按下式进行(jnxng)计算，这时的Q用Qm表示，即该式计算(j sun)比较复杂，一般采用下式进行简单计算(j sun)，这时Q用Q0表示，即2222()amrrarfQf Z C ff012rfQff式中， 、 为振幅低于谐振(xizhn)点3dB时的上下限频率。1f2f第30页/共46页第三十一页，共46页。超声波传感器的分类超声波传感器的分类 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为致伸缩式、电磁式等

31、。实际使用中压电式探头最为常见。常见。1. 压电式超声波传感器压电式超声波传感器 压电式超声波探头按其结构和使用的波型不压电式超声波探头按其结构和使用的波型不同又可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波同又可分为直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头和其它专用探头等。探头和其它专用探头等。2. 磁致超声波型超声波传感器磁致超声波型超声波传感器 此外此外(cwi)还有电磁型超声波传感器，有振还有电磁型超声波传感器，有振动板的超声波传感器，弹性表面波传感器，光纤超动板的超声波传感器，弹性表面波传感器，光纤超声波

32、传感器等类型的超声波传感器。声波传感器等类型的超声波传感器。第31页/共46页第三十二页，共46页。超声波传感器的应用超声波传感器的应用1. 超声测距传感器超声测距传感器 从发射器发出的超声波，经目标反射后从发射器发出的超声波，经目标反射后沿原路返回接收器所需的时问，即渡越时间。沿原路返回接收器所需的时问，即渡越时间。通过测量渡越时间，利用介质中已知的声速即通过测量渡越时间，利用介质中已知的声速即可求得目标与传感器的距离。可求得目标与传感器的距离。 超声测距传感器主要应用于导航和避障超声测距传感器主要应用于导航和避障，其它还有焊缝跟踪，物体，其它还有焊缝跟踪，物体(wt)识别。超声测识别。超声

33、测距传感器探测距离为距传感器探测距离为15200mm，分辨力为，分辨力为0.1mm。第32页/共46页第三十三页，共46页。2. 超声波探伤仪超声波探伤仪 超声波探伤是无损探伤技术中的一种超声波探伤是无损探伤技术中的一种(y zhn)主要检测手段。它主要用于检测板材、主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊接等材料中的缺陷管材、锻件和焊接等材料中的缺陷(如裂缝、气如裂缝、气孔、夹渣等孔、夹渣等)、测定材料的厚度、检测材料的晶、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。超声波探伤因具有检测灵敏度高、速度快、。超声波探伤因

34、具有检测灵敏度高、速度快、成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，并成本低等优点，因而得到人们普遍的重视，并在生产实践中得到广泛的应用。在生产实践中得到广泛的应用。第33页/共46页第三十四页，共46页。3. 超声波诊断仪超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向体内发射超声波超声波诊断仪是通过向体内发射超声波(主要采主要采用纵波用纵波)，然后接收经人体各组织反射回来的超声波并，然后接收经人体各组织反射回来的超声波并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。由于超声波对人体无损害、特性的差异进行诊断的。由于超声波对人体无损害、操作简

35、便、结果迅速、受检查者无不适感、对软组织操作简便、结果迅速、受检查者无不适感、对软组织成像清晰，因此，超声波诊断仪已成为成像清晰，因此，超声波诊断仪已成为(chngwi)临临床上重要的现代诊断工具。超声波诊断仪类型较多，床上重要的现代诊断工具。超声波诊断仪类型较多，最常用的有最常用的有A型超声波诊断仪、型超声波诊断仪、M型超声波心电图仪型超声波心电图仪和和B型超声波断层显像仪等。此外还有超声波测厚，型超声波断层显像仪等。此外还有超声波测厚，超声波物位测量，超声波流量测量等应用。超声波物位测量，超声波流量测量等应用。第34页/共46页第三十五页，共46页。9.4 微波传感器微波传感器微波的性质与

36、特点微波的性质与特点 微波是波长为微波是波长为lmlmm的电磁波，可以的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。既具有电磁波的性质，又不同于普通无线。既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波，是一种相对波长较长的电磁波电波和光波，是一种相对波长较长的电磁波，微波具有下列特点：，微波具有下列特点：(1) 空间辐射的装置容易制造；空间辐射的装置容易制造；(2) 遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；(3) 绕射能力较差；绕射能力较差；(4) 传输传输(chun sh)特性良好，传输特性良好，传输(chun sh)过程中受烟、火焰、灰

37、尘、强光等的影过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；响很小；(5) 介质对微波的吸收与介质的介电常数成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。比例，水对微波的吸收作用最强。第35页/共46页第三十六页，共46页。1. 微波振荡器与微波天线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，频率很高波长很短，频率很高(300MHz300GHz)，要求，要求(yoqi)振荡回路具有非常微小的电感与电容，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晶体管构成微波振荡器。故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。

38、构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管固体元件。小型微波振荡器也可以采用场效应管。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管管(波长在波长在10cm以上可用同轴线以上可用同轴线)传输，并通过天传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形性，天线具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形天线，抛物面天线，介质天线与隙缝天线等。天线，抛物面天线，介质天线与隙缝天线等。第36页/共46页第三十

39、七页，共46页。2. 微波检测器微波检测器 电磁波作为空间电磁波作为空间(kngjin)的微小电场变动的微小电场变动而传播，所以要选择使电流而传播，所以要选择使电流电压特性呈现非电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围必须有传感器相比，敏感探头在其工作频率范围必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要频率比较高的可使用肖特基结。在

40、灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、检测器、SIS(Safety-instrumented system)检测器检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属氧化物金属构成的隧道结元件。用由金属氧化物金属构成的隧道结元件。第37页/共46页第三十八页，共46页。微波传感器的分类与特点微波传感器的分类与特点 根据微波传感器的原理，微波检测传感器可根据微波传感器的原理，微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。分为反射式与遮断式两种。 微波传感器作为一种新型的非接触传感器具微波传感

41、器作为一种新型的非接触传感器具有以下特点：有以下特点：1. 有极宽的频谱有极宽的频谱(波长波长=1.0mm1.0m)可供选用，可供选用，可根据被测对象可根据被测对象 的特点选择不同的测量频率；的特点选择不同的测量频率；2. 在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；劣环境下工作； 3. 时间常数小，反映速度快，可以进行动态检测时间常数小，反映速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；与实时处理，便于自动控制；4. 测量信号本身就是电信号，无须进行非

42、电量的测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控于实现遥测和遥控(yokng)；5. 微波无显著辐射公害。微波无显著辐射公害。第38页/共46页第三十九页，共46页。微波传感器的应用微波传感器的应用(yngyng)1. 微波液位仪微波液位仪 微波液位仪原理如图微波液位仪原理如图7-29所示。相距为所示。相距为S的的发射天线与接收天线，相互成一定角度。波长为发射天线与接收天线，相互成一定角度。波长为的微波信号从被测液面反射后进入接收天线。的微波信号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的大小将随着被测液接收天线接收到的微波功率的大小将随着被测液面的高低不同而异。面的高低不同而异。微波(wib)液位仪第39页/共46页第四十页，共46页。2. 微波湿度传感器微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶