第十章波式传感器

第十章波式传感器第一页，共八十八页，2022年，8月28日引言超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。第二页，共八十八页，2022年，8月28日超声波及其物理性质1超声波传感器的原理2超声波传感器应用3第三页，共八十八页，2022年，8月28日10.1超声波及其物理性质1、超声波的概念和波形机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强10.1.1超声波的基本概念第四页，共八十八页，2022年，8月28日图10-1声波的频率界限图当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。第五页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的波型及其传播速度

声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有：

①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；

②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传播；

③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，表面波只在固体的表面传播。第六页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为式中：ρ——介质的密度；

Ba——绝对压缩系数。上述的ρ、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。第七页，共八十八页，2022年，8月28日0～100℃范围内蒸馏水声速随温度的变化第八页，共八十八页，2022年，8月28日从表可见，蒸馏水温度在0～100℃范围内，声速随温度的变化而变化，在74℃时达到最大值，大于74℃后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344m/s，液体中纵波声速在900～1900m/s。第九页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的反射和折射

声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。第十页，共八十八页，2022年，8月28日由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即第十一页，共八十八页，2022年，8月28日声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:式中：I0,Ir,It——分别为入射波、反射波、透射波的声强；

α、β——分别为声波的入射角和折射角；

z1、z2——分别为两介质的声阻抗。第十二页，共八十八页，2022年，8月28日当超声波垂直入射界面，即α=β=0时，则可知，若z2≈zc1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，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z2>>z1,反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当z1>>z2时，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。如：在20℃水温时，水的特性阻抗为z1=1.48×106kg/(m2·s),空气的特性阻抗为z2=0.000429×106kg/(m2·s),z1>>z2,故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。第十三页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的声速和波长（1）声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即Z=ρc

（2）波长超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，即λ

f=c

第十四页，共八十八页，2022年，8月28日常用材料的密度、声阻抗与声速（0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)声阻抗Z（103MPa·s-1）纵波声速cL（km/s）横波声速cs（km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空气0.00130.00040.34—第十五页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的指向性超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。1—超声源2—轴线3—指向角4—等强度线第十六页，共八十八页，2022年，8月28日指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ之间的关系为 sinθ=1.22λ/D

设超声源的直径D=20mm，射入钢板的超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。第十七页，共八十八页，2022年，8月28日超声波的衰减

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为式中：Px、Ix——距声源x处的声压和声强；

x——声波与声源间的距离；

α——衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。第十八页，共八十八页，2022年，8月28日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。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散衰减，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。

散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。

吸收衰减是由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。第十九页，共八十八页，2022年，8月28日10.2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而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。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，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。第二十页，共八十八页，2022年，8月28日超声波探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为δ。超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。第二十一页，共八十八页，2022年，8月28日第二十二页，共八十八页，2022年，8月28日第二十三页，共八十八页，2022年，8月28日双晶直探头由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。第二十四页，共八十八页，2022年，8月28日斜探头压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30°、45°等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。第二十五页，共八十八页，2022年，8月28日第二十六页，共八十八页，2022年，8月28日聚焦探头分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。第二十七页，共八十八页，2022年，8月28日箔式探头利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得0.2mm直径的超细声束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。第二十八页，共八十八页，2022年，8月28日空气传导型探头超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。第二十九页，共八十八页，2022年，8月28日1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶体片

5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束第三十页，共八十八页，2022年，8月28日第三十一页，共八十八页，2022年，8月28日超声波探头耦合剂一般不能直接将其放在被测介质表面来回移动，以防磨损。空气的密度很小，将引起3个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。第三十二页，共八十八页，2022年，8月28日10.3超声波传感器应用超声波物位传感器

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为已知，就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。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。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。第三十三页，共八十八页，2022年，8月28日几种超声物位传感器的结构原理示意图(a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播第三十四页，共八十八页，2022年，8月28日对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为则式中：h——换能器距液面的距离；

c——超声波在介质中传播的速度。第三十五页，共八十八页，2022年，8月28日对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为2s，而因此液位高度为式中：s——超声波从反射点到换能器的距离；

a——两换能器间距之半。第三十六页，共八十八页，2022年，8月28日超声波流量传感器

超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。第三十七页，共八十八页，2022年，8月28日第三十八页，共八十八页，2022年，8月28日超声波测厚传感器

超声波测厚常用脉冲回波法。超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速υ是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为δ=υt/2第三十九页，共八十八页，2022年，8月28日环境考虑因素气流外部噪音温度作用传感器被污染目标物体第四十页，共八十八页，2022年，8月28日气流气流会造成声波的偏转折射目标物体Sensor第四十一页，共八十八页，2022年，8月28日外部噪音第四十二页，共八十八页，2022年，8月28日温度作用冷低温环境会降低声波的传播速度高温环境会提高声波的传播速度3cm3cm3cm3cm热第四十三页，共八十八页，2022年，8月28日传感器被污染异物的聚集作用*导致弱信号输出*导致无反射信号注意: 尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超声波传感器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完成传感监测工作。第四十四页，共八十八页，2022年，8月28日目标物体材料目标表面粗糙的目标表面会对声波有散射作用如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。33cm3cm3第四十五页，共八十八页，2022年，8月28日目标形状-目标物体上的突起会对声波有散射作用33cm3cm3第四十六页，共八十八页，2022年，8月28日目标大小小型目标物体只能反射部分声波1cm13cm第四十七页，共八十八页，2022年，8月28日由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s。即：s=340·t/2，这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距仪的设计第四十八页，共八十八页，2022年，8月28日第四十九页，共八十八页，2022年，8月28日工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1)如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

(2)工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。(3)从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。第五十页，共八十八页，2022年，8月28日超声波测距仪的总体设计方案超声波发射头超声波接收头振荡电路驱动电路波形变换放大电路控制处理单元显示电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分第五十一页，共八十八页，2022年，8月28日

超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的40kHz频率信号。由于超声波振子也有约2000PF的电容，有充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时，由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。振荡电路可用555产生占空比可调的40kHz方波信号。超声波发射头振荡电路驱动电路第五十二页，共八十八页，2022年，8月28日振荡电路部分驱动电路部分控制电路部分第五十三页，共八十八页，2022年，8月28日

本电路中采用555定时器构成振荡电路，2脚（6脚）及地之间的电容不断的进行充、放电，导致555时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端3脚交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。第五十四页，共八十八页，2022年，8月28日555多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容C两端电压不能突变，555的2脚为低电平，555时基电路置位，即3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1、R2向电容C充电，使C两端电压不断升高，约经时间tH，C两端电压即阈值端（6脚）电平升至2VCC/3时，555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，7脚也为低电平，此时电容C储存电荷将通过R2向7脚放电，使C两端电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经tL时间，电压降至VCC/3时，555时基电路又翻转置位，3脚又输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1,R2向C充电，如此周而复始，电容C不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，3脚将交替输出高电平和低电平。第五十五页，共八十八页，2022年，8月28日

555多谐振荡电路的脉冲宽度TL由电容C的放电时间来决定：

TL≈0.7R2CTH由电容C的充电时间来决定：TH≈0.7（R1+R2）C输出振荡信号的周期为：

T=TL+TH频率为：输出脉冲占空比为：占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。第五十六页，共八十八页，2022年，8月28日若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形波的频率和占空比。当调整VR1使得输出为40kHz时，由于（VR1+R2）>>R3，输出波形占空比约为50%，为近似理想对称方波。555的强制复位端4脚由另一个555低频振荡器的输出取反后控制。第五十七页，共八十八页，2022年，8月28日ControlIC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出约1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止约70ms。第五十八页，共八十八页，2022年，8月28日

本电路采用CMOS六反相器CD4069构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用CD4069中两个甚至三个方向器并联的方式实现。第五十九页，共八十八页，2022年，8月28日CD4069由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力提高。第六十页，共八十八页，2022年，8月28日超声波接收电路的基本工作原理超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。

超声波接收头波形变换放大电路第六十一页，共八十八页，2022年，8月28日超声波接收电路图放大电路1检波电路放大电路2接收部分比较输出第六十二页，共八十八页，2022年，8月28日超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。

用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。

第六十三页，共八十八页，2022年，8月28日倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。检波电路作用：检出反射脉冲信号的直流电压以判断有无反射信号。

第六十四页，共八十八页，2022年，8月28日电容的作用1）旁路旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。第六十五页，共八十八页，2022年，8月28日2）去耦去耦，又称解耦。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。

去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。第六十六页，共八十八页，2022年，8月28日3）滤波从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。第六十七页，共八十八页，2022年，8月28日第六十八页，共八十八页，2022年，8月28日第六十九页，共八十八页，2022年，8月28日微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在300～300000MHz(相应的波长为100～0．1cm)在300MHz至300GHz之间．它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为199×l0-25～1．99×10-22j．它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。生物体的非热特性一生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。微波传感器第七十页，共八十八页，2022年，8月28日概述：微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在，运动速度，距离，角度信息。第七十一页，共八十八页，2022年，8月28日微波传感器--原理：由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。

第七十二页，共八十八页，2022年，8月28日

微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。微波振荡器是产生微波的装置。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。第七十三页，共八十八页，2022年，8月28日二、微波传感器及其分类微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。第七十四页，共八十八页，2022年，8月28日1、反射式微波传感器反射式微波传感器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物的位置、位移、厚度等参数。2、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功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。第七十五页，共八十八页，2022年，8月28日微波传感器的优点及存在的问题1、优点实现非接触测量测量速度、灵敏度高能在恶劣环境条件下检测输出信号可以调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥测2、微波传感器存在的问题微波传感器的主要问题是零点漂移和标定问题，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。第七十六页，共八十八页，2022年，8月28日微波传感器的应用1、微波湿度（水分）传感器酒精含水量测量仪框图

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含水酒精不含水酒精第七十七页，共八十八页，2022年，8月28日授课教师：王

翥2、微波液位计

微波液位计

微波发射天线

微波接收天线

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第七十八页，共八十八页，2022年，8月28日3、微波物位计

微波发射天线

微波接收天线

振荡器

电源

被测对象

前置放大器

放大器

电压比较器

第七十九页，共八十八页，2022年，8月28日射线式传感器

测量原理利用核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性工作的传感器。可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。

第八十页，共八十八页，2022年，8月28日1、核辐射源—放射性同位素

在核辐射传感器中，常采用α、β、γ和X射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素。

放射性同位素的特点：在没有外力作用下能自动发生衰变，并释放出上述射线。其衰减规律为：式中J、J0分别为t和t0时刻的辐射强度，λ为衰变常数。核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。第八十一页，共八十八页，2022年，8月28日2）核辐射与物质的相互作用——核辐射线的吸收、散射和反射α、β、γ射线穿透过物质程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰减规律为式中J、J0分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，h为穿透物质的厚度，ρ为物质的密度，am为物质的质量吸收系数。三种射线中，γ射线穿透能力最强，β射线次之，α射线最弱，γ射线的穿透厚度比α、β要大得多。β射线穿透物质时容易产生散射现象。当产生相反方向散射时，即出现了反射现象。反射的大小与反射物质的厚度关系为：

式中：Jh—反射物质厚度为h(mm)时，放射线被反射的强度；

Jm—当h趋向无穷大时的反射强度，Jm与原子序数有关；

μh—辐射能量的常数。当J0、am、Jm、μh、ρ等已知后，只要测出J或Jh就可求出其穿透厚度h。第八十二页，共八十八页，2022年，8月28日电离作用当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。

α粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程(带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离)较短。

β粒子质量小，电离能力比同样能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。

γ粒子几乎没有直接的电离作用。

第八十三页，共八十八页，2022年，8月28日核辐射传感器

核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。

1)电离室如图，在电离室两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流I，在外