《传感器》课件-第11章-传感检测技术

核辐射检测1.2第11章传感检测技术超声检测11.111.2激光检测11.3微波检测11.411.5红外检测第11章传感检测技术一.超声检测的物理基础第一节超声(Ultrasonic)检测

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16-2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波称为声波,低于16Hz的机械波，称为次声波,高于2×104Hz的机械波，称为超声波，如图所示。第11章传感检测技术图11.2波的反射和折射当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。第一节超声(Ultrasonic)检测第11章传感检测技术1.波的反射和折射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。当入射波和反射波的波型相同时，波速相等，入射角α即等于反射角α’。当波在界面外产生折射时，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，即第一节超声(Ultrasonic)检测图11.2波的反射和折射第11章传感检测技术

2.超声波的波型及其转换第一节超声(Ultrasonic)检测当声源在介质中的施力方向与波在介质中的传播方向不同时，声波的波型也有所不同。质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波，它能在固体、液体和气体中传播。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。质点振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波，它只在固体的表面传播。图11.3波型转换图当声波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还会发生横波的反射和折射，如图所示。在一定条件下还能产生表面波。各种波型均符合几何光学中的反射定律。第11章传感检测技术3.声波的衰减第一节超声(Ultrasonic)检测

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、吸收等因素有关。在平面波的情况下，距离声源x处的声压P和声强I的衰减规律如下第11章传感检测技术

超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。这种装置能发射超声波和接收超声回波，并转换成相应的电信号。图11.4电式探头结构图探头结构图

1-压电片；2-保护膜；3-吸收块；4-接线；5-导线螺杆；6-绝缘柱；7-接触座；8-接线片；9-压电片座

二.超声波探头第11章传感检测技术

超声波探头按其作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。图11.4为压电式探头结构图，其核心部分为压电晶片，利用压电效应实现声、电转换。图11.4电式探头结构图第11章传感检测技术1.超声波测厚度

超声波检测厚度的方法有共振法、干涉法、脉冲回波法等。图11.5所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理图11.5声波测厚工作原理图三.超声波检测技术的应用第11章传感检测技术超声波探头与被测物体表面接触，主控制器控制发射电路使探头发出的超声波，到达被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经放大器放大加到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间与标记脉冲信号同时加到该垂直偏转板上。而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t。则被测物体的厚度h为：图11.5声波测厚工作原理图三.超声波检测技术的应用第11章传感检测技术2.超声波测液位

在化工、石油和水电等部门，超声波被广泛用于油位、水位等的液位测量。图11.6所示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。图11.6脉冲回波式超声液位测量根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式〔图(a)〕；单探头气介式〔图(b)〕；单探头固介式〔图(c)〕；双探头液介式〔图(d)〕等数种。第11章传感检测技术图11.7超声波定点液位计在一些应用中，有时只需要知道液面是否到达某个或几个固定高度，则可采用下图所示的超声波定点式液位计，实现定点报警或液面控制。图(a)(b)为连续波阻抗式液位计的示意图。由于气体和液体的声阻抗差别很大，当探头发射面分别与气体或液体接触时，发射电路中通过的电流也就明显不同。因此利用一个处于谐振状态的超声波探头，就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体。图(c)为连续波透射式液位计示意图。图中相对安装的两个探头，一个发射，另一个接收。当发射探头发生频率较高的超声波时，只有在两个探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波。由此可判断出液面是否达到探头的高度。第11章传感检测技术3.超声波测流量图11.8波测流量的原理图利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力，测量结果不受流体物理和化学性质的影响，超声波在静止和流动液体中的传播速度是不同的，进而形成传播时间和相位上的变化，由此可求得流体的流速和流量。图为超声波测流体流量的工作原理图。图中v为流体的平均流速，c为超声波在流体中的速度，θ为超声波传播方向与流体流动方向的夹角，A、B为两个超声波探头，L为其间距离。第11章传感检测技术（1）时差法测流量图11.8波测流量的原理图

当A为发射探头，B为接收探头时，超声波传播速度为C+vcosθ,于是顺流传播时间t1为。

当B为发射探头，A为接收探头时，超声波传播速度为C-vcosθ,于是逆流传播时间t2为。时差：流速：第11章传感检测技术（2）相位差法测流量图11.8波测流量的原理图

当A为发射探头，B为接收探头时，接收信号相对发射超声波的相位角Ψ1为

当B为发射探头，A为接收探头时，接收信号相对发射超声波的相位角Ψ2为相位差：流速：第11章传感检测技术（3）频率差法测流量图11.8波测流量的原理图

当A为发射探头，B为接收探头时，超声波的重复频率f1为

当B为发射探头，A为接收探头时，超声波的城府频率f2为频率差：流速：第11章传感检测技术一.核辐射检测的物理基础1.同位素原子序数相同,但原子质量数不同的元素,称作同位数。当没有外因作用时同位数的原子核会自动在衰变中放出射线。其衰减规律为第三节核辐射检测式中α、α0——分别为初始时与经过时间t秒后的原子核数；

λ——衰变常数（不同放射性同位数有不同的λ值。上式表明放射性同位数的原子核数按指数规律随时间减少，其衰变速度用半衰期表示。第11章传感检测技术二.核辐射传感器1.电离室

图11.11为电离室示意图。电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化电压E使二极板间形成电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测α、β粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流很小。

图11.11为电离室示意图第11章传感检测技术2.气体放电计数管(盖格计数管)图11.12体放电计数管示意图

正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲，从而形成连续放电。若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体，可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子，而使放电自动停止。

第11章传感检测技术气体放电计数管的特性曲线如图11-13所示。图中I1、I2代表入射的核辐射强度，I1＞I2。由图可见，在相同外电压U时不同辐射强度将得到不同的脉冲数N。气体放电计数管常用于探测β粒子和γ射线。

图11-13气体放电计数管特性曲线第11章传感检测技术3.闪烁计数器

当核辐射进入闪烁晶体时，晶体原子受激发光，透过晶体射到光电倍增管的光阴极上，根据光电效应在光阴极上产生的光电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，即可用仪器指示或记录。图11-14闪烁计数器示意图第11章传感检测技术三.辐射检测技术的应用1.核辐射在线测厚仪2.核辐射物位计3.核辐射流量计4.核辐射探伤第11章传感检测技术一.激光检测的物理基础

1、激光的形成第四节激光(Laser)检测

在正常分布状态下，原子多处于稳定的低能级E1，如无外界的作用，原子可长期保持此状态。但在外界光子作用下，赋予原子一定的能量ε，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光子能量ε与原子能级跃迁的关系为

处在高能级E2的原子在外来光的诱发下，跃迁至低能级E1而发光，这个过程称为光的受激辐射。受激辐射发出的光子与外来光子具有完全相同的频率、传播方向、偏振方向。一个外来光子诱发出一个光子，在激光器中得到两个光子，这两个光子又可诱发出两个光子，得到四个光子，这些光子进一步诱发出其他光子，这个过程称为光放大。第11章传感检测技术第四节激光(Laser)检测

如果通过光的受激吸收，使介质中处于高能级的粒子比处于低能级的多，称为“粒子数反转”，则光放大作用大于光吸收作用。这时受激辐射占优势，光在这种工作物质内被增强，这种工作物质就称为增益介质。若增益介质通过提供能量的激励源装置形成粒子数反转状态，这时大量处于低能级的原子在外来能量作用下将跃迁到高能级。为了使受激辐射的光具有足够的强度，还须设置一个光学谐振腔。光学谐振腔内设有两个面对面的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当沿轴线方向行进的光遇到反射镜后，就被反射折回，如此在两反射镜间往复运行并不断对有限容积内的工作物质进行受激辐射，产生雪崩式的放大，从而形成了强大的受激辐射光---激光，通过半反半透镜输出。第11章传感检测技术

可见，激光的形成条件：(1)具有能形成粒子数反转状态的工作物质——增益介质；(2)具有供给能量的激励源；(3)具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。第四节激光(Laser)检测第11章传感检测技术2、激光的特性:(1)方向性强，亮度高

激光束的发散角很小，激光能量在空间高度集中，其亮度比普通光源高百万倍。(2)单色性好

(3)相干性好

光的相干性是指两光束相遇时“在相遇区域内发出的波相叠加”并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。第四节激光(Laser)检测第11章传感检测技术二.激光器的分类（1）固体激光器固体激光器的工作物质是固体。这类激光器结构大致相同，共同特点是小而坚固，功率高。（2）气体激光器气体激光器的工作物质是气体。其特点是小巧，能连续工作，单色性好，但输出功率不及固体激光器。（3）液体激光器液体激光器的工作物质是液体，其中较重要的是有机染料激光器。其最大特点是发出的激光波长可以在一定范围内连续调节，而不降低效率。（4）半导体激光器半导体激光器的特点是效率高，体积小，重量轻，结构简单。缺点是输出功率较小。第四节激光(Laser)检测第11章传感检测技术三.激光检测技术的应用激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。下面介绍几种应用实例。

1.激光测距

2.激光测流速

3.激光测车速第四节激光(Laser)检测第11章传感检测技术第四节激光(Laser)检测1.激光测距第11章传感检测技术图11-31激光多普勒流速计原理图2.激光测流速激光测量流速用得较多的是多普勒流速计，用它可以测量风洞气流速度、大气风速、火箭燃料的燃速等。图为激光多普勒流速计原理图。当激光照射到随被测流体一起运动的微粒上时“激光被运动着的微粒所散射，根据多普勒原理，散射光的频率相对于入射光将产生正比于流体速度的频率偏移，测出散射光的频率偏移，就可得到被测流体的流速。如图所示，散射光与未散射光分别由两个接收透镜收集，并经平面镜和分光镜重合后在光电倍增管中进行混频，输出一个交流信号。对该交流信号进行处理，即可得到多普勒频偏值，从而获得流体的流速。第11章传感检测技术3.激光测车速利用激光具有高方向性的特点可以测量汽车、火车等运动物体的速度。图为激光测速仪原理框图。当被测物体进入相距为S的两个激光器区间(测速区内)时，先后遮断两个激光器发出的激光光束。利用计数器记录主振荡器在先后遮断两激光束的时间间隔内的脉冲数N，即可求得被测物体的速度，见右式。式中，f为主振荡器的振荡频率。这种激光测速仪的测量精度较高，当被测对象时速为200Km时，精度可达1.5%，时速为100Km时，精度为0.8%。图11-32激光测速仪方块原理图第11章