超声波传感器

1、第10章 辐射与波式传感器10.1 红外传感器红外传感器10.2 微波传感器微波传感器10.3 超声波传感器应用超声波传感器应用 10.1 红外传感器10.1.1 工作原理工作原理 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。 电磁波谱图电磁波谱图 1 红外辐射红外辐射n 红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种

2、形式来实现的。物体的温度越高，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线被物体吸收后可以转化成热能。n 红外线作为电磁波的一种形式，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。2 红外探测器红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元显示单元等组成。 红外探测器红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。按探测

3、机理的不同，红外探测器可分为热探测器热探测器和光子探测光子探测器器两大类。 热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 特点：特点：热探测器主要优点是响应波段宽响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使可以在常温下工作，使用方便用方便， 应用相当广泛。 热探测器主要有四类：热释电型、热释电型、热敏电阻型、热电阻热敏电阻型、热电阻型和气体型。型和气体型。热释电型探测器工作机理：热释电型探测器工作机理：电石、水晶、钛酸钡等晶体受

4、热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。10.1.2 红外传感器的应用红外传感器的应用( (一一) ) 红外热成像技术红外热成像技术 任何物体只要温任何物体只要温度高于绝对零度，内度高于绝对零度，内部原子就会作无规则部

5、原子就会作无规则运动，并不断地辐射运动，并不断地辐射出热红外能量。出热红外能量。红外红外探测器可将物体辐射探测器可将物体辐射的红外功率信号转换的红外功率信号转换成电信号，在计算机成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热将得到与物体表面热分布相对应的热像图。分布相对应的热像图。 不同的颜色和亮度代表不同的温度不同的颜色和亮度代表不同的温度 热成像仪的使用热成像仪的使用 各种热像各种热像变电站的热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置从热像中可以判断过热位置人的人的热像热像 热成像传感器热成像传感器 热成像仪能透过烟热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛尘、云雾、

6、小雨及树丛等许多自然或人为的伪等许多自然或人为的伪装来看清目标。装来看清目标。手持式手持式及安装于轻武器上的热及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看成像仪可以让使用者看清清800m800m或更远的人体大或更远的人体大小的目标。小的目标。带夜视仪的自动步枪带夜视仪的自动步枪 配备热成像传感器的自动步枪配备热成像传感器的自动步枪军用热成像传感器的效果军用热成像传感器的效果白亮处有一辆坦克白亮处有一辆坦克用热像仪判断机械工业产品的质量用热像仪判断机械工业产品的质量用热像仪判断电子产品用热像仪判断电子产品的工作状态的工作状态线路板上的各点温度线路板上的各点温度IC的温度的温度医疗用的热像仪医疗用的热

7、像仪 用热像仪判断皮肤肿瘤的用热像仪判断皮肤肿瘤的位置及范围位置及范围10.3 超声波传感器超声波传感器 振动在弹性介质内的传播称为振动在弹性介质内的传播称为波动波动，简称，简称波波。162104 Hz ，能为人耳所闻的机械波，能为人耳所闻的机械波声波声波低于低于16 Hz的机械波的机械波次声波次声波高于高于2104 Hz的机械波的机械波超声波超声波310831011 Hz之间之间的波的波微波微波 图图10-14 声波的频率范围图声波的频率范围图 声波的分类声波的分类1.1.次声次声波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生

8、共振，人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。不协调，甚至导致心脏停止跳动。2.2.可闻声波可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。3.3.超声波超声波蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食 超声波与可闻声波不同，超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特点。的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器 超声波被聚焦后超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介，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，这一现象质的分界面时，能

9、产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。类似于光波。10.1.1 超声波的超声波的波型波型及其及其传播速度传播速度1、 根据声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，分为： 纵波：纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质固体、液体和气体介质中传播； 横波：横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中固体介质中传播； 表面波：表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的固体的表面传播。 （1）在固体中）在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系： 横波声速为纵波的一半，表面波

10、声速为横波声速的90%；（2）气体中气体中纵波声速为344 m/s；（3）液体中液体中纵波声速在9001900m/s。 2、 超声波的传播速度 蒸馏水温度在蒸馏水温度在0100范围内，声速随温度的变化范围内，声速随温度的变化而变化。在而变化。在74时达到最大值。时达到最大值。表表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变范围内蒸馏水声速随温度的变化化 表表10-1 0100范围内蒸馏水声速随温度的变范围内蒸馏水声速随温度的变化化 10.1.2 超声波的超声波的反射和折射反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质时， 在两个介质的分界面上一部分声波被反射反射, 另一部分折射折射过界面，在另一种

11、介质内部继续传播。反射：反射： 折射：折射：入射角入射角的正弦与折射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在的正弦之比，等于入射波在第一介第一介质中的波速质中的波速c1与在第二介质中的波速与在第二介质中的波速c2之比，即之比，即 21sinsincc10.1.3 超声波的衰减超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减衰减。声压和声强的衰减规律为 axxaxxeIIePP200式中：式中：Px、Ix 距声源距声源x处的声压和声强；处的声压和声强； x 声波与声源间的距离；声波与声源间的距离； 衰减系数，单位为衰减系数，单位为Np/cm（奈培（奈培/厘米）。厘米）。 是频率

12、是频率的函数的函数 电平取电平取自然对自然对数数时的单位。时的单位。常用常用n表示。常表示。常用于电信网络，用于电信网络，作为放大或衰作为放大或衰减的单位。减的单位。 10.2 超声波传感器超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器超声波换能器、探测器探测器或传感器传感器。 超声波探头的分类分类： 按其工作原理可分为压电式压电式、磁致伸缩式、电磁式等。 u超声波压电晶体 （1 1）压电式超声波发生器）压电式超声波发生器 -利用压电晶体的电致伸缩现象制成利用压电晶体的电致伸缩现象制成超声频电信号超声频电信号换换能能器器2cnf 压电材料

13、的压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关有关 n n为谐波级数，取为谐波级数，取1 1，2 2，3 3，； 压电式超声波发送传感器可以产生几十压电式超声波发送传感器可以产生几十kHzkHz到几十到几十MHzMHz的的超声波。超声波。c c为超声波在压电材料里的传播速度，与压电材料的密度有关。为超声波在压电材料里的传播速度，与压电材料的密度有关。 (2)(2)磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩超声波发生器 -利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成利用某些铁磁材料的磁致伸缩现象制成 磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万Hz以

14、内，但声强可以内，但声强可达几千达几千W/cm2。它与压电式的发送器比较，所产生的超声波的频率较。它与压电式的发送器比较，所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。低，而强度则大许多。镍、铁钴钒合金等镍、铁钴钒合金等T/R40-16超声波传感器超声波传感器 当当40KH的脉冲电信号输入后，由压电陶瓷激励的脉冲电信号输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将信号器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将信号向外发射。向外发射。 传感器外形传感器外形高频电源放大电路显示发射探头接收探头工件1.1.超声波探伤超声波探伤 主要用于检测板材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可主要用于检测板

15、材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可以测量材料的厚度以测量材料的厚度。 穿透法探伤穿透法探伤 当工件内部有当工件内部有缺陷时，在缺陷缺陷时，在缺陷处能量被反射，处能量被反射，到达接收探头的到达接收探头的能量损失了一部能量损失了一部分。分。10.3 超声波传感器应用超声波传感器应用 BF工件探头T高频电源放大电路TFB反射法探伤反射法探伤 当工件内部无缺陷时，当工件内部无缺陷时，超声波传到工件底面再超声波传到工件底面再反射回来；反射回来； 当工件内部当工件内部有缺陷时，超声波传到有缺陷时，超声波传到缺陷就反射回来；缺陷就反射回来； 不同不同缺陷会造成不同的接收缺陷会造成不同的接收波幅度和周期。波幅

16、度和周期。 2.2.超声波测厚度超声波测厚度 工件探头高频电源放大电路T测厚仪ct21t 只要测量出超声波脉冲通过工件的时间只要测量出超声波脉冲通过工件的时间t,t,经过信号处经过信号处理电路就可以直接读出工件的厚度。理电路就可以直接读出工件的厚度。厚度计算厚度计算:手持式超声波测手持式超声波测厚仪厚仪超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚3.超声波物位传感器超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔时间间隔为已知，就

17、可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。传感器分类：单换能器单换能器和双换能器双换能器。单换能器的传感器发射单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一和接收超声波使用同一个换能器。个换能器。传感器发射和接传感器发射和接收各由一个换能收各由一个换能器担任。器担任。 超声波发射和接收换能器可设置在液体介质液体介质中，让超声波在液体介质中传播。 由于超声波在液体中衰减比较小衰减比较小， 所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。 超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方，让超声波在空气空气中传播。这种方式便于安装和维修， 但超声波在空气中的衰减衰减比较厉害比较厉害。 衰减小衰减小衰减

18、大衰减大(b) 超声波在空气中传播超声波在空气中传播(a) 超声波在液体中传播超声波在液体中传播 对于单换能器来说，对于单换能器来说， 超声波从发射器到接收的超声波从发射器到接收的时间时间为为 22cthcht式中：式中：h换能器距液面的距离；换能器距液面的距离； c超声波在介质中传播的速度。超声波在介质中传播的速度。 22cthcht 对于双换能器，超声波从发射到接收经过的对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为路程为2s，2cts 22ash式中：式中：s超声波从反射点到换能器的距离；超声波从反射点到换能器的距离； a两换能器间距之半。两换能器间距之半。 10.3.2 超声波超声波流量

19、流量传感器传感器 超声波流量传感器的测定方法很多， 如传播速度变化法、波速移动法等。目前应用较广的是超声波传播时间差超声波传播时间差法。法。 原理：原理：超声波在静止流体和流动流体中的传播速度不同，利用这一特点可以求出流体的速度速度，再根据管道流体的截面积截面积， 可以计算出流体的流量流量。 设顺流方向的传播时间为设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间，逆流方向的传播时间为为t2，流体静止时的超声，流体静止时的超声波传播速度为波传播速度为c，流体流，流体流动速动速度为度为v，vcLtvcLt2122122vcLvttt由于由于cv, 则则 tLcv22忽略忽略超声波传感器安装位置一超声波传感器安装位置一 超声波传感器安装位置二超声波传感器安装位置二 超声波的传输时间：超声波的传输时间： sincossincos21vcDtvcDt12ttt 超声波流量传感器具有不阻碍流体流动不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是浆状流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声波流量计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。 超声波捕鱼机超声波捕鱼机工作原理：利用超声波对鱼、鳖等水中一切冷血动物的工作原理：利用超声波对鱼、鳖等水中一切冷血动物的