第5章 数字及现代检测装置

第5章数字及现代检测装置

5.1角度数字编码器

5.2光栅传感器

5.3

感应同步器5.5

现代传感器

5.4

磁栅位移传感器5.15.25.35.45.5关闭编码器:将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。

编码器脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器电磁式编码器光电式编码器5.1角度数字编码器

编码器分类：5.1角度数字编码器

5.1.1

增量式角度数字编码器结构简单但其转换精度并不高，通常可采用细分法来提高它的分辨率。一、工作原理编码器的结构当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号。脉冲数就等于转过的缝隙数。如将上述脉冲信号送到计数器中去进行计数，从测得的数码数就能知道码盘转过的角度。二、辨向电路为了判断旋转方向，可以采用两套光电转换装置。令它们在空间的相对位置有一定的关系，从而保证它们产生的信号在相位上相差1／4周期。

辨向电路及波形

u1′和u2′是信号U1和U2的整形放大输出，u1〞是u1′反相后得到的方波。u1w′和u1w〞是u1′和u1〞两个方波经过微分电路后得到的波形。5.1.2绝对式角度数字编码器

绝对式角度数字编码器是按角度直接进行编码的角度—数字转换器，通常把它安装在检测轴上。按其结构可分为接触式、光电式和电磁式几种。

一、接触式角度数字编码器码盘构造：涂黑部分为导电区空白部分是绝缘区二进制码盘具有以下主要特点：(1)n位(个码道)的二进制码盘具有种2n不同编码最小分辨率位数n越大，能分辨的角度越小，测量结果也越精确。

(2)二进制码为有权码，编码对应于由零位算起的转角为

(3)码盘转动中变化时，所有应同时变化。

直观，易于后续电路和计算机处理。多位码同时动作→同步误差→错码格雷码（循环码）有权码

对称性，无权码

二进制码相邻两数只有一位不同→每次只有一位变化→转换

角度位置十进制码二进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000表5－1四位光电编码器码制循环码的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，不会产生粗大误差。表5-2是四位二进制码与循环码的对照

表5-2二进制码和循环码对照循环码和二进制码的转换关系为：

接触式数字编码器:优点：结构简单、体积小、输出信号功率大；缺点：有磨损、寿命短，转速不能太高。二、光电式角度数字编码器光电式角度数字编码器包括有：光源、光学系统、码盘、读出系统和电路系统。

光学码盘式传感器---用光电方法将被测角位移转化成数字电信号

特点：高精度、高分辨力、可靠性好

1---光源；2---柱面镜；3---码盘；4---狭缝；5---元件光电码盘广泛的用于角度测量,下图是测角仪的工作原理光源1、聚光镜2、码盘3、狭缝4、光电元件5光学码盘测角仪组成：磁鼓与磁阻探头组成。简单工作原理：码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低）。当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器，

输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。

三、磁编码器磁编码器的基本结构5.2光栅传感器

一、光栅的定义与构造它是由很多相等节距的透光和不透光的刻线相间排列构成的栅形光器件

其中为栅距；为线宽；为缝宽。

5.2.1光栅及莫尔条纹形成机理5.2光栅传感器光栅的构造：二、光栅的分类

按工作原理和用途物理光栅：特点：光栅刻线细密，利用光的衍射现象。用途：光谱分析和波长检测计量光栅：利用光栅的莫尔条纹现象，应用于位移及和位移相关的物理量测量。计量光栅分类

按光栅结构：分为长光栅和圆光栅。三、莫尔条纹形成的原理

(一)形成条件：①两块光栅：主光栅(作标准器)和指示光栅(作为取信号用)

②将两块光栅相叠合，并使两者之间保持很小的夹角xΦI02πbba莫尔条纹形成原理及光电转换(1)莫尔条纹的运动与光栅运动具有相对应的关系

(二)莫尔条纹的性质

夹角θ方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移动方向顺时针方向逆时针方向莫尔条纹对光栅的栅距具有放大作用。（2）放大作用为放大系数,相当于把栅距放大了倍提高了测量的灵敏度，因此可实现高灵敏位移的测量。

（3）误差平均效应莫尔条纹对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件接受的莫尔条纹是在它所接受区域的众多光栅刻线遮透光形成的。5.2.2光栅传感器的工作原理

在10mm范围内有500条刻线在参与工作，某几条刻线的误差或断裂对整个莫尔条纹的位置和形状影响甚微。光栅传感器测量的原理主要是利用光栅莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而实现对几何量的精密测量。

光栅结构示意图

一、基本结构光源指示光栅标尺光栅光电元件二、工作原理

光栅传感器工作时将主光栅和指示光栅的刻线面相对放置，两者之间留有很小的间隙相叠合组成光栅副，并将其置于光源和透镜所形成的平行光束的光路中。

叠合主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动理想实际光栅亮度变化图

光栅几何干涉(挡光)原理

根据光电转换：各参数分别为为平均输出电压（直流分量）；为输出电压峰－峰值；为输出电压最大值；为输出电压最小值。

5.2.3辨向原理与细分技术

为辨别主光栅移动方向，简单实现方法是在相隔B/4条纹间隔的位置上安装两只光电元件，使产生的两个莫尔条纹信号相差π/2

。超前或滞后取决于光栅的运动方向。

辨向原理图

当条纹移动时两个狭缝亮度变化规律完全一样，但相差π/2

，是滞后还是超前完全决定于光栅运动方向，因此利用两个狭缝的相位差就能区别运动方向。

（一）辨向原理AAXB/4B21屏光电元件1光电元件2差动放大器斯密特电路差动放大器斯密特电路与门1微分可逆计数器与门2微分反相触发器QQCLKD1P2P1D2加减辨向原理电路框图（二）细分技术细分思想：在一个莫尔条纹周期内，内插N个计数脉冲，每个计数脉冲代表W/N位移量，即减小脉冲当量，提高分辨率，此为细分或称倍频。目的：进一步提高仪器测量分辨率。实现方法：①增加光栅刻线密度②用电信号进行电子插值(直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分)③机械和光学细分

(1)直接细分

直接细分也称位置细分、四细分（四倍频）。辨向系统中AC和DE两光电元件输出经方波发生器后变成方波，并相差，在1、3点的方波经倒向器倒向一次，便得2、4点两个方波倒向电压，这样得到了四个相差的电信号

四倍频逻辑和波形图

将它们分别微分后获得5、6、7、8四点的正脉冲，同时送到与非门得到9点的12个输出脉冲为原来任意一路的四倍，实现了四倍频细分。上述的这种倍频细分相差送到差分放大器后可消除直流分量

用这两个信号就可以辨别位移方向和进行四倍频细分，且抗干扰性能也好。优点：对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点：光电元件安放困难

(2)电阻电桥细分法

解以上联立方程组得

电桥细分原理

细分信号波形图

当施加于电阻移相桥的信号源在相位上依次差时，输出信号可以随桥臂电阻比值的变化而在四个象限内移相，从而便可得到一系列相移信号；这些相移信号在过零点相位上各不相同，若用鉴零器使各个相移信号在过零点上触发，将便到一系列方波。当在莫尔条纹一个周期内得到n个方波时，便实现了n倍细分。优点:细分数较大，精度较高缺点：对莫尔条纹信号要求较严格，细分电路较复杂，对电位器稳定性、过零触发器的触发精度有较高的要求。

电阻电桥十细分电路

(3)电阻链细分法

电阻链细分法又叫电阻分割法，其实质是用电阻衰减器进行细分。

等电阻链细分电路

5.2.4光栅传感器的误差

单件光栅的误差是由刻线工艺和刻线设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔条纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。

设光电接收元件所覆盖的光栅刻线总数为，单个栅距误差为

常用栅距为之间，若光电池尺寸，5.2.5代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm分辨力1nm英国Renishaw（雷尼绍）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2

m5.3感应同步器利用两个平面形印刷电路绕组的互感随相对位置不同而变化的原理，将直线位移或角位移转换成电信号。长感应同步器结构圆感应同步器结构5.3感应同步器感应同步器结构sincos节距τ节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺5.3.1感应同步器的理论基础由毕奥－萨伐尔定律可知，任意载流线圈在距离为r处的磁感应强度B为

如果有另一个矩形线圈A靠近通电矩形线圈B，并有相对运动产生时，则根据电磁感应定律在A线圈中将产生感应电势令激磁线圈B中通以电流为接有电压表的线圈A为感应线圈两个线圈相对运动时的感应电势

滑尺相对定尺在空间中移动一个节距，定尺绕组中感应电势的变化经过了一个周期,eA为滑尺正弦绕组的激磁电势,在定尺中的感应电势为余弦绕组激磁电势eB在定尺中的感应电势为为滑尺相对定尺位移的空间角度。总的感应电势为

5.3.2感应同步器工作原理

一、鉴幅型系统

根据感应电势的幅值来检测机械位移的工作方式。在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：

在定尺上的感应电势

5.3.3信号处理方式

定尺绕组上总的感应电势应为

为电气角；为机械角；令为感应同步器电压传递系数，表示绕组间处在最大互感耦合时，输出电压与输入电压的幅值比；感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。

鉴幅检测原理图

二、鉴相型系统

根据感应电势的相位来鉴别位移量的工作方式。滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设在定尺上感应电势分别为

总的感应电势按叠加原理应为

感应电势相位角恰好是定、滑尺的相对位移角，所以当变化时，则感应电势即随着变化。

鉴相型系统框图

当感应同步器用于测量位移量时，因为，所以只要测出，就可以得到位移量。

鉴相型定位控制框图

5.3.4感应同步器的误差

一、零位误差

定义：每个零位距离起始零位的实际位移量与理论位移量之差，称为该点的零位误差。表示方法：感应同步器的零位误差，习惯上以累积误差形式表示，即取各点零位误差中的正的最大值和负的最大值的绝对值之和的一半，并冠以号来表示。

二、细分误差

定义：在一个周期中，每个细分点的实际细分值与理论细分值之差，称为的的细分误差。

表示方法：各点细分误差中的正的最大值和负的最大值的绝对值之和的一半，并冠以号来表示。

三、综合误差

在感应同步器的实际使用中，必须综合考虑上述两种误差的影响，本书是把任何两点之间的最大误差，称为综合误差，它应该包括器件零位误差和细分误差。

5.3.5感应同步器的应用

一、位移高精度测量

(1)感应同步器鉴幅位移测量系统

鉴幅位移测量系统框图

系统处于平衡状态，即，定尺感应电势

滑尺相对定尺产生位移放大后作用在门槛产生脉冲信号，打开与门，时钟脉冲通过与门：1.到可逆计数器实现位移测量2.到转换计数器改变使重复上述过程即可实现的位移测量。

感应同步器鉴相数字位移测量装置(2)感应同步器鉴相位移测量系统

二、作自动化技术中的检测元件

用感应同步器组成点定位控制系统

5.4.1磁栅式位移传感器的结构与磁栅类型

5.4、磁栅位移传感器磁栅式传感器是由磁栅、磁头和测量电路组成。磁栅是在非金属材料制成的尺形的表面上镀一层磁性材料薄膜，用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一个周期性信号，以剩磁的形式将信号保留在磁尺上而制成磁栅。磁头的作用是读取磁栅上的记录信号，按读取方式不同，磁头可分为动态磁头和静态磁头两种。5.4、磁栅位移传感器磁栅的类型长磁栅的类型尺型同轴型带型圆磁栅圆磁栅的类型1-磁盘3-磁头2-屏蔽罩5.4.2工作原理：(一)动态磁头读出信号原理：

动态磁头又称速度响应磁头，它是由铁镍合金材料制的铁心和一组线圈组成

动态磁头结构与读出信号

当磁头与磁栅间有相对运动时，因为各位置处的磁通不同，所以在磁头的线圈中感应的电势也就不同。设磁栅记录的磁信号为

为磁信号节距；为磁头位移。则磁头与磁栅间有相对运动时，磁头线圈中的感应电势由电磁感应定律为

铁心（导磁材料）绕线圈，磁头与磁栅之间以一定速度移动时，由电磁感应在磁头线圈中产生感应电动势。N极为正最强，S极为负最强。输出正弦信号。(二)静态磁头读出信号原理：调制式磁头，磁头磁栅之间没有相对运动也有信号输出。ABCBDBCBA…顺序叠合,组成多间距磁头，AC构成第一个分磁头，CD构成第二个分磁头，DC构成第三个分磁头，CA构成第四个分磁头等等，B起气隙作用。输出信号是多个间隙取得信号的平均值，可提高测量精度。读出原理---气隙磁阻---铁心磁阻静态磁头读出信号的原理是磁栅利用它的漏磁通的变化来产生感应电势。一定可变，受励磁线圈的调制。漏磁通是磁栅位置的周期函数。磁栅与磁头相对移动一节距W，就变化一个周期。因此近似为：结论：静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅磁头相对位移成正弦(或余弦)关系。5.4.3信号处理方式(一)鉴幅方式两个磁头的输出：经检波器去掉高频载波后可得此两路相差90度的两相信号送有关电路进行细分辨向后输出。(二)鉴相方式把某一磁头的励磁电流移相45度，则两磁头的输出为将两路信号相加后得输出电压可知，输出信号是一个幅值恒定、相位随磁头与磁栅之间相对位移而变化得信号，这种方法称为鉴相法。

鉴相型检测电路框图

5.4.4磁栅误差分析零位误差是由磁栅节距不均、磁栅的安装与变形误差、磁栅剩磁变化所引起的零点漂和外界磁场干扰等因素造成；

细分误差主要是由磁模不均匀或录制过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等、两个磁头在空间位置偏离较大、两个磁头参数不对称和磁场高次谐波分量和感应电势高次谐波分量影响等因素引起的。

注意：误差应限制在允许范围内，一般来说，空间磁场不影响磁栅传感器的正常工作，尽管如此，仍要注意对它的屏蔽。磁栅外部应有防尘罩，防止铁质杂物进入，不要在仪器未接地状态插拔磁头引出线插头，以防止磁头被磁化。

5.4.5磁栅式传感器的应用范围及特点

磁栅式传感器目前有以下两个方面的应用：（1）可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器用。由于采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精度，目前系统精度为，分辨率可达。（2）可以用于自动化控制系统中的检测元件。例如在三坐标测量机、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中的测量装置，均得到了应用。

磁栅式传感器具有以下特点：

（1）录制方便、成本低廉；

（2）使用方便（3）可方便录制任意节距的磁栅信号。

5.5现代传感器

5.5.1CCD图像传感器

基本功能：光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。

电荷存储电荷输出电荷转移应用：图像识别技术，固体摄像器件。5.5现代传感器1、CCD的结构

2、电荷的存储（1）势阱的产生电荷的注入方法：光注入和电注入。P光注入电子空穴（2）电荷的存储3、电荷的传输（耦合）电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置。（1）、三相CCD电极的结构

MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。Φ3Φ1Φ2（2）电荷的定向转移当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：

多个MOS单元紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。4、电荷的输出浮置栅MOS放大器法PN+OGCAUDRUDD输出电压为：2CCD图像传感器的特性参数

2.1光电转换特性

2.2

灵敏度和灵敏度不均性

CCD光电转换特性曲线的斜率就是灵敏度S：

理想情况下，CCD器件受均匀光照时，输出信号幅度完全一样。实际上，由于半导体材料不均匀和工艺条件因素影响，在均匀光照下，CCD器件的输出幅度出现不均匀现象，通常用NU值表示其不均匀性，定义如下：

2.3光谱响应特性

CCD对于不同波长的光的响应是不同的。

CCD光谱响应曲线

3CCD的应用

细丝测量原理框图

(1)直径测量三维在线测量系统原理图

(2)CCD在BGA管脚三维尺寸测量中的应用

（3）文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统5.5.2光纤传感器

1.光纤的基本结构---全反射；2.光线的传播折射率：纤芯---n1包层---n2n1>n23光纤的主要参数

传播耗损：由于光线纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射耗损等影响，光信号在光纤中的传播不可避免地会有损耗。

光纤的强度：取决于光纤包层拉制后外表面上擦伤和其他缺陷的程度，以及包层表面在缠绕、成缆和使用期间得到保护的程度。色散：就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。（1）材料色散、（2）波导色散、（3）多模色散数值孔径：定义为当光从空气中射入到光纤的端面时的光锥半角之正弦。光纤的集光本领与数值孔径有密切关系。4.光纤的分类利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤进行传输，称为传输型（非功能型）光纤传感器。利用外界物理因素，改变光纤中光的强度、相位偏振态或波长，从而对外界参数进行测量，则称为敏感型光纤传感器按其工作原理分类

按光纤折射率变化规律分类

阶跃型和梯度型

按光纤传输模数分类

单模光纤和多模光纤两种

模的概念

光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。元件型光纤温度传感器

5.光纤传感器的应用(1)光纤温度传感器

(2)光纤压力（温度)传感器

光纤压力（温度）传感器传输型光纤压力传感器（a）

液晶光纤压力传感器

（b）受光板型变压力传感器

5.5.3红外传感器

1红外辐射的基本知识

红外线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0.76μm到1000μm之内。红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续电磁波谱。温度大于0K的物体均能辐射红外光。从紫外到红外，随着波长的增加，辐射的热效应增加。

电磁波谱图

2.红外探测器

1、组成由光学系统、探测器、信号调理电路及采集处理显示系统组成。红外探测器是红外传感器的核心。光学系统：产生及传输红外线。探测器：接受红外辐射并将其转换为电信号。调理电路：将探测器输出电信号进行放大、线性化、温度补偿等处理，变为与被测量成一定关系的标准信号。采集、处理显示：将标准电信号离散，计算出被测量，显示出被测量。2、种类（1）热探测器

A、热敏电阻：辐射使电阻温度升高，阻值减小（增大），检测阻值变化可确定辐射量。B、热释电型：具有极化现象的热晶体（铁电体）受红外辐射后，其表面温度升高，极化强度降低，表面电荷减少相当于释放掉一部分电荷，将其与负载电阻相连，回路输出电信号。输出信号的变化率正比与辐射能量的变化率。C、热电偶型：温度变化引起热电偶输出电势变化测温。D、气体型探测器：辐射引起气室温度变化，气压变化。气体种类和浓度的检测。(2)光子探测器

利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。3.

红外探测器的性能参数

电压响应率

当红外辐射照射到探测器的敏感元件上时，探测器的输出电压与输入红外辐射功率之比，叫做探测器的电压响应率，

响应波长范围表示探测器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间关系

噪声等效功率

如果投射到红外探测器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，则这个辅射功率就叫做“噪声等效功率”。意思是说，它对红外探测器所产生的效果与噪声相同，通常用符号“NEP”表示

4.红外应用

(1)红外测温可远距离和非接触测温。

(2)红外测温反应速度快。（3）红外测温灵敏度高。（4）红外测温准确度高。（5）红外测温范围广泛。一、红外测温红外测温是比较先进的测温方法，其特点如下：

前置放大低通滤波同步检波带通放大A/D转换微机显示器探测器调制盘电机滤光片透镜红外辐射测温仪示意图

二、红外分析仪

红外分析仪是跟据物质的吸收特性来进行工作的。下面以纸张水分分析仪来说明

由图可见，水在近红外光谱区有3个特征吸收波长，即1.45μm、1.94μm和2.95μm，它们的吸收强度是不同的，这3个波长分别适用于不同湿度的物体的测量。再看纸张的近红外光谱曲线图，在1.45μm及1.94μm附近除水的吸收峰外，均无其他特征吸收存在，不会引入不必要的干扰。因此一般选用1.45μm及1.94μm作为纸张水分的测试波长，在纸张成品段宜采用1.94μm，而湿端宜用1.45μm。

水的红外吸收谱

纸张近红外光谱曲线图

当一束光通过物体后，光强要衰减，其入射光强符合Lambert-Beer定律，即

5.5.4超声波传感器

1.声波的分类

次声波是频率低于16赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz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。一、超声波特性简介可闻声波

美妙的音乐可使人陶醉超声波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食2.超声波物理基础

频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大。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，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。3.超声波的波型分类

超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。

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、液体和气体介质中的传播；

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传播；

表面波表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，随着介质表面传播，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。

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，所以没有纵波的传播，其传输速度c为：

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之间。

4.超声波的传播速度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。

5.超声波的折射与反射6.超声波的衰减、—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）

二.超声波换能器及耦合技术

将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。它主要由压电晶片吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。压电晶片多为圆片型。超声波频率f与其厚度δ成反比。三、超声波应用(流量计)F1发射的超声波先到达

T1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、多普勒效应法、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。

F1发射的超声波到达

F2的时间较短时间差测量流量原理

时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差

t，可得到流体的平均速度及流量。5.5.5核辐射传感器

1.核辐射传感器的物理基础

同位素:凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置。

放射性同位素:原子自发的产生核结构变化称之为核衰变。具有核衰变性质的同位素。

放射性同位素的放射性衰变规律为

J、分别为t和时刻的辐射强度；λ为衰变常数。

放射性元素从个原子衰变到个原子所经历的时间，叫做半衰期。

τ与λ一样是不受任何外界作用影响的而且和时间无关的恒量

放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线的放射现象称为核辐射。核辐射的方式主要有四种：α辐射、β辐射、γ辐射和X辐射等。

α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；γ射线不带电，是从原子核内部放射出来的以光速运动的粒子流；X射线是原子核外的内层电子被激发而放射出来的电磁波能量。

具有一定能量的带电粒子在穿透物质时，在它们经过的路程上会产生电离作用，形成许多粒子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。一个离子在每厘米路程上生成粒子对的数目称为比电离。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。

α粒子由于能量、质量和电荷大，故电离作用强，但射程较短。β粒子质量小，电离能力比同样能量的α粒子要弱。由于α粒子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。γ粒子几乎没有直接电离的可能。

在辐射的电离作用下，每秒钟产生的离子对的总数，即粒子对形成的频率

E为带电粒子的能量；为离子对的能量；J为辐射源的强度；C为辐射强度为1居里时，每秒钟放射出的粒子数。

α、β、γ射线在穿透物质时，由于电磁场的作用，原子