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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 第十章-声波式传感器
传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第十章声波式传感器10.1超声波传感器10.2微波传感器第一节超声波传感器一、超声波的物理性质1.超声波的性质超声波是一种在弹性介质中的机械震荡,它的波形有纵波、横波、表面波三种。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,在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。2.超声波的传播①纵波—质点振动方向与波的传播方向一致的波②横波—质点振动方向垂直于传播方向的波;③表面波—质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。测量各种状态下的物理量,应多采用纵波。3.超声波的反射和折射21sinsincca4.超声波的衰减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。介质中的能量吸收程度与超声波的频率及介质的密度有很大关系。介质的密度ρ越小,衰减越快,尤其在频率高时则衰减更快。利用超声波的特性,可做成各种超声波传感器,配上不同的电路,可制成各种超声波仪器及装置,应用于工业生产、医疗、家电等行业中。二、超声波的发生和接收1.超声波的发生(1)压电式超声波发生器压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。在压电材料切片上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动,而产生超声波。(2)磁致伸缩超声波发生器磁致伸缩效应的大小,即伸长缩短的程度,不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩效应最大,它在一切磁场中都是缩短的。磁致伸缩超声波发生器的材料,除镍外,还有铁钻钒合金(铁49%,钴49%,钒2%)和含锌、镍的铁氧体。磁致伸缩超声波发生器只能用在10kHz的频率范围以内,但功率可达105W,声强可达103W/cm2,能耐较高的温度。2.超声波的接收当超声波作用到压电晶体片上时,使晶片伸缩,则在晶片的两个界面上产生交变电荷。磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成的。当超声波作用到磁致伸缩材料上时,使磁致材料伸缩,引起它的内部磁场(即导磁特性)的变化。根据电磁感应,磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势,并将此电动势送到测量电路及记录显示设备。三、超声波传感器超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而用电信号将超声感知的器件。主要元件是利用各种效应研制的换能装置有时称作是超声波换能器。1.超声波探头(a)单晶直探头;6-保护膜;7-隔离层1-插头;2-外壳;3-阻尼吸收块4-引线;5-压电晶体8-延迟块;9-有机玻璃斜楔块超声波探头是完成超声波探测的中心器件,按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,而以压电式最为常用。2.超声波换能器耦合技术根据其结构不同分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以及其它专用探头等。(1)以固体为传导介质的探头1-插头;2-外壳3-阻尼吸收块4-引线;5-压电晶体6-保护膜7-隔离层8-延迟块9-有机玻璃斜楔块(2)以空气为传导介质的探头(a)超声波发射器;(b)超声波接收器1-外壳;2-金属丝网罩;3-锥形共振盘;4-压电晶片;5-引线端子;6-阻抗匹配器空气传导型超声波发射、接收器结构3.超声波传感器的应用类型当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时,这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。当超声发射器与接收器置于同侧时为反射型,反射型可用于接近开关、测距、测液位或料位、金属探伤以及测厚等。四、超声波传感器的应用1.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。几种超声物位传感器的结构示意图超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点。若液体中有气泡或液面发生波动,便会有较大的误差2.超声波流量传感器(1)时间差法:则体积流量约为:在实际应用中,超声波传感器安装在管道的外部,从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。(2)频率差法:频率差法测流量,可克服温度的影响。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。还可用于下水道、农业灌溉、河流等流速的测量。ttgdcdqV2284(a)透射型安装图(b)反射型安装图频率差法测流量原理图3.超声波探伤超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、管材、锻件和焊缝等材料中的缺陷(如裂缝、气孔、夹渣等)、测定材料的厚度、检测材料的晶粒、配合断裂力学对材料使用寿命进行评价等。(1)纵波探伤(a)无缺陷时超声波的反射及显示的波形;(b)有缺陷时超声波的反射及显示波超声波纵波探伤(2)横波探伤超声波横波探伤(3)表面波探伤超声波表面波探伤4.超声波测厚度超声波测厚第二节微波传感器一、微波的基本知识1.微波的性质与特点微波是波长为1mm~1m的电磁波,因而它具有以下特点:1)可定向辐射,空间直线传输;2)遇到各种障碍物易于反射;3)绕射能力差;4)传输特性好;5)介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例,水对微波的吸收作用最强。(a)扇形喇叭天线;(b)圆锥喇叭天线(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线二、微波传感器的特点1.微波传感器分类2.微波传感器的构成
本文标题:第十章-声波式传感器
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