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1、传感器原理与应用传感器原理与应用1313.传感检测技术传感检测技术13 13 传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术13.1 13.1 超声检测超声检测13.1.1 13.1.1 超声检测的物理基础超声检测的物理基础2102104 4HzHz当超声波由一种介质入射到当超声波由一种介质入射到另一种介质时,由于在两种另一种介质时,由于在两种介质中的传播速度不同,在介质中的传播速度不同,在异质界面上会产生反射、折异质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。射和波型转换等现象。1.1.波的反射和折射波的反射和折射由物理学知,当波在界面上由物理学知,当波在界面上产生折射时,入射角产生折射时,入
2、射角 的正的正弦与折射角弦与折射角 的正弦之比等的正弦之比等于两波速之比。于两波速之比。2.2.超声波的波型及其转换超声波的波型及其转换纵波:质点振动方向与传播方向一致纵波:质点振动方向与传播方向一致固体固体/液体液体/气体气体横波:质点振动方向垂直于传播方向横波:质点振动方向垂直于传播方向仅固体仅固体表面波:质点振动介于纵波和横波之间,振幅随着深度的表面波:质点振动介于纵波和横波之间,振幅随着深度的增加而迅速衰减的波增加而迅速衰减的波只在固体的表面只在固体的表面传感检测技术传感检测技术当声波以某一角度入射到第二介质当声波以某一角度入射到第二介质(固体固体)的界面上时,的界面上时,纵波有反射、
3、折射,横波也会反射和折射。在一定条件纵波有反射、折射,横波也会反射和折射。在一定条件下,还能产生表面波。符合几何光学中的反射定律:下,还能产生表面波。符合几何光学中的反射定律:如果介质为液体或气如果介质为液体或气体,则仅有纵波。体,则仅有纵波。入射角入射角纵波的反射角纵波的反射角横波的反射角横波的反射角纵波的折射角纵波的折射角横波的折射角横波的折射角折射介质内折射介质内的纵波速度的纵波速度反射介质的反射介质的纵波速度纵波速度入射介质的入射介质的纵波速度纵波速度反射介质的反射介质的横波速度横波速度折射介质内折射介质内的横波速度的横波速度传感检测技术传感检测技术3.3.声波的衰减声波的衰减声波在介
4、质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐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、吸收等因素衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。有关。在平面波的情况下,距离声源在平面波的情况下,距离声源 处的声压处的声压 和声强和声强 的的衰减规律如下:衰减规律如下:距声源距声源 处的声压和声强;处的声压和声强;自然对数的底;自然对数的底;衰减系数,单位为衰减系数,单位为 (奈培奈培/厘米厘米)级差单位:级差单位:传感检测技术传感检测技术13.1.2 13.1.2 超声波探头超声波探头超声波探头:实现声、电转换的装置,又称超声换能器或超声波探头:实
5、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。成相应的电信号。压电式压电式磁致伸缩式磁致伸缩式电磁式等电磁式等传感检测技术传感检测技术压电片压电片吸收块吸收块保护膜保护膜压电片座压电片座接线接线导线螺杆导线螺杆绝缘柱绝缘柱接线片接线片接触座接触座传感检测技术传感检测技术13.1.3 13.1.3 超声波检测技术的应用超声波检测技术的应用13.1.3.113.1.3.1超声波测厚度超声波测厚度方法:共振法、干涉法、脉冲回波法等。方法:共振法、干涉法、脉冲回波法等。脉冲回波法检测厚度的工作原理
6、脉冲回波法检测厚度的工作原理 传感检测技术传感检测技术13.1.3.2 13.1.3.2 超声波测液位超声波测液位单探头液介式单探头液介式双探头液介式双探头液介式单探头气介式单探头气介式单探头固介式单探头固介式连续波阻抗式液位计连续波阻抗式液位计连续波透射式液位计连续波透射式液位计传感检测技术传感检测技术13.1.3.3 13.1.3.3 超声波测流量超声波测流量利用超声波测流量对被测流体并不产生附加阻力,测量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流体中的传播速度是不同的,进而形成传播
7、时间和流动流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:相位上的变化:流体的平均流速流体的平均流速超声波传播方向与流体流动方向的夹角超声波传播方向与流体流动方向的夹角超声波探头超声波探头超声波探头超声波探头间距间距1.1.时差法时差法2.2.相位差法相位差法3.3.频率差法频率差法传感检测技术传感检测技术时差法测流量:时差法测流量:顺流传播时间顺流传播时间逆流传播时间逆流传播时间测量精度取决于测量精度取决于注意这里注意这里 不是常数,而是温度的函数。不是常数,而是温度的函数。传感检测技术传感检测技术相位差法测流量:相位差法测流量:A A发射发射B B接收,接收信号相对接收,接收信号
8、相对与发射信号的相位角:与发射信号的相位角:超声波的角频率超声波的角频率B B发射发射A A接收,接收信号相对接收,接收信号相对与发射信号的相位角:与发射信号的相位角:相位差:相位差:流体的平均速度:流体的平均速度:传感检测技术传感检测技术频率差法测流量:频率差法测流量:A A发射发射B B接收,超声波的重复接收,超声波的重复频率:频率:B B发射发射A A接收,超声波的重复接收,超声波的重复频率:频率:频率差:频率差:流体的平均速度:流体的平均速度:与与 无关,可获得无关,可获得更高的测量精度。更高的测量精度。传感检测技术传感检测技术传感检测技术传感检测技术13.2 13.2 声表面波检测声
9、表面波检测传感检测技术传感检测技术13.2.1 13.2.1 声表面波检测的物理基础声表面波检测的物理基础在固体表面存在的一种沿表面传播,能量集中于表面附在固体表面存在的一种沿表面传播,能量集中于表面附近的弹性波。近的弹性波。声学和电子学相结合的一门边缘学科。声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。功能化。同
10、时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十同时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。广泛的应用。基本结构和工作原理基本结构和工作原理传感检测技术传感检测技术声表面波器件是在压电基片上制作声表面波器件是在压电基片上制作两个声两个声电换能器:叉指换能器。电换能器:叉指换能器。声表面波器件的工作原理:声表面波器件的工作原理:基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将输基片左端的换能
11、器(输入换能器)通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换能器的特性来完成的。能器的特性来完成的。13.3 13.3 红外检测红外检测13.3.1 13.3.1 红外检测的物理基础红外检测的物理基础红外辐射又称红外光,从紫光到红光热效应逐渐
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