傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

1、第7章 波式傳感器書(shū)名：傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮ISBN：978-7-111-21945-3出版社：機(jī)械工業(yè)出版社層次：高職高專(zhuān)高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 學(xué)習(xí)目的掌握超聲波、微波等波式傳感器的 工作原理及其應(yīng)用理解各種波式傳感器的物理基礎(chǔ)了解各種波式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.1 7.1 超聲波傳感器超聲波傳感器 7.2 7.2 微波傳感器微波傳感器 7.3 7.3 多普勒傳感器多普勒傳感器本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄返回主目錄高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.1 7.1 超聲波傳感器超聲波傳感器次聲波頻率低于次聲波頻率低于2

2、0Hz20Hz的聲的聲波，人耳聽(tīng)不到，但可與人波，人耳聽(tīng)不到，但可與人的器官發(fā)生共振，的器官發(fā)生共振，7 78Hz8Hz的的次聲波會(huì)引起熱的恐怖感，次聲波會(huì)引起熱的恐怖感，使人動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致使人動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。心臟停止跳動(dòng)。1 1、次聲波、次聲波u人們聽(tīng)到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的人們聽(tīng)到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在頻率在20 20kHz范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2 2、可聞聲波、可聞聲波頻率在頻率在20Hz20kHz的聲的聲波波美妙的音樂(lè)能使人陶醉美妙的音樂(lè)能使人陶醉高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 3.3.超聲波超聲波超聲波：頻率

3、超過(guò)超聲波：頻率超過(guò)20kHz的聲波。的聲波。超聲波人耳感覺(jué)不到，但許多動(dòng)物超聲波人耳感覺(jué)不到，但許多動(dòng)物都能感受到，如海豚、蝙蝠以及某些都能感受到，如海豚、蝙蝠以及某些昆蟲(chóng)，都能很好地感受可發(fā)出超聲波。昆蟲(chóng)，都能很好地感受可發(fā)出超聲波。檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為：檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為： 471 101 10HzHz高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 u超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很強(qiáng)，尤其是對(duì)不透光的固體，它可以強(qiáng)，尤其是對(duì)不透光的固體，它可以穿透幾穿透幾 十米的深度；十米的深度；u超聲波與可聞聲波不同，它可以被超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集

4、中的特點(diǎn)。聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。u超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生反超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形變換等現(xiàn)象。正是因射、折射和波形變換等現(xiàn)象。正是因?yàn)槌暈槌?波的這些特性，在工業(yè)、國(guó)波的這些特性，在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、家電等檢測(cè)和控制領(lǐng)域有防、醫(yī)療、家電等檢測(cè)和控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用著廣泛的應(yīng)用.超聲波特點(diǎn)u 超聲波不同于聲波，其超聲波不同于聲波，其波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，傳播能量集中，波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，傳播能量集中，能能 定向傳播定向傳播。u 超聲波在傳播過(guò)程中衰減很小。在傳播過(guò)程中，遇到不同的媒介，大部分超聲波在傳播過(guò)程中衰減很小。在傳播過(guò)程中，遇到不

5、同的媒介，大部分能量能量 會(huì)被反射回來(lái)；會(huì)被反射回來(lái)；高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.1.1 超聲波的物理基礎(chǔ)超聲波的傳播方式超聲波的傳播方式縱波縱波橫波橫波表面波表面波高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱(chēng)為縱波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱(chēng)為縱波。縱波能在固體、液體和氣體中傳播?？v波能在固體、液體和氣體中傳播。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 橫波橫波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱(chēng)為橫波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱(chēng)為橫波。橫波只能在固體中傳播。橫波只能在固體中傳播。 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫

6、波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度的增加而迅速衰減的波稱(chēng)為表面波，只能在固體隨深度的增加而迅速衰減的波稱(chēng)為表面波，只能在固體中傳播。中傳播。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)中當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，在它們的界面?zhèn)鞑r(shí)，在它們的界面上部分被反射回原介質(zhì)上部分被反射回原介質(zhì)中，稱(chēng)為反射波；中，稱(chēng)為反射波； 另一部分能透過(guò)界面，另一部分能透過(guò)界面，在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播稱(chēng)為折射波。稱(chēng)為折射波。 如圖如圖7-17-1所示。下面是與超聲波所示。下面是與超聲波有關(guān)的幾個(gè)基本性質(zhì)：有關(guān)的幾個(gè)基本性質(zhì)：圖圖7-17-1超聲

7、波反射與折射超聲波反射與折射高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 1. 傳播速度 超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也與環(huán)境條件有關(guān)。與環(huán)境條件有關(guān)。 對(duì)于液體，其傳播速度對(duì)于液體，其傳播速度c c為為 1gcB（7-1）介質(zhì)的介質(zhì)的密度密度絕對(duì)壓絕對(duì)壓縮系數(shù)縮系數(shù)高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 在氣體中，傳播速度與氣體種類(lèi)、壓力及溫度有關(guān)，在氣體中，傳播速度與氣體種類(lèi)、壓力及溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度在空氣中傳播速度c c為為331.50.607 (/ )ct m s（7-2）對(duì)固體，其傳播速度對(duì)固體，其傳播速度c c為為（7-3）環(huán)境環(huán)

8、境溫度溫度(1)(1)(12 )Ec固體的彈固體的彈性模量性模量泊松系泊松系數(shù)比數(shù)比高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2. 反射定律 入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波所處介入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波所處介質(zhì)的波速與反射波所處介質(zhì)的波速之比，即質(zhì)的波速與反射波所處介質(zhì)的波速之比，即 （7-4）當(dāng)入射波和反射波的波形一樣，波速一樣，入射角即等當(dāng)入射波和反射波的波形一樣，波速一樣，入射角即等于反射角。于反射角。1sinsincc高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 3折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波入射角的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波及折射波所處介質(zhì)中的

9、傳播速度之比，在入射波及折射波所處介質(zhì)中的傳播速度之比，即即 （7-5）2sinsinCC在自動(dòng)檢測(cè)中，經(jīng)常采用超聲波在兩介質(zhì)中的界面所產(chǎn)在自動(dòng)檢測(cè)中，經(jīng)常采用超聲波在兩介質(zhì)中的界面所產(chǎn)生的折射和反射現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。生的折射和反射現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 4. 透射率與反射率 超聲波從第一介質(zhì)垂直入射到第二介質(zhì)中時(shí)，透射聲壓與入射聲超聲波從第一介質(zhì)垂直入射到第二介質(zhì)中時(shí)，透射聲壓與入射聲壓之比稱(chēng)為透射率。而反射聲壓與入射聲壓之比稱(chēng)為反射率。壓之比稱(chēng)為透射率。而反射聲壓與入射聲壓之比稱(chēng)為反射率。 有理論和實(shí)驗(yàn)得知，超聲波從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)有理論和實(shí)驗(yàn)得知，超聲波

10、從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)時(shí)，透射率較大，反射率也較大。例如，超聲波從水中入射到鋼時(shí)，透射率較大，反射率也較大。例如，超聲波從水中入射到鋼中時(shí)，透射率高達(dá)中時(shí)，透射率高達(dá)93.5%93.5%。反之，超聲波自密度大的介質(zhì)入射到。反之，超聲波自密度大的介質(zhì)入射到密度小的介質(zhì)中時(shí)，透射率就較小。例如超聲波進(jìn)入鋼板并傳播密度小的介質(zhì)中時(shí)，透射率就較小。例如超聲波進(jìn)入鋼板并傳播一段距離，到達(dá)鋼板底面時(shí)，若底部是鋼與水的界面，則出射到一段距離，到達(dá)鋼板底面時(shí)，若底部是鋼與水的界面，則出射到水中的聲壓只有原聲壓的水中的聲壓只有原聲壓的6.5%6.5%。而由底部鋼與水的界面反射回鋼。而由底部鋼與水的界面

11、反射回鋼板的反射率卻高達(dá)板的反射率卻高達(dá)93.5%93.5%，若底部是鋼與空氣的界面，反射率就，若底部是鋼與空氣的界面，反射率就更大。超聲波的這一特性在金屬探傷、測(cè)厚中得到了很好的應(yīng)用。更大。超聲波的這一特性在金屬探傷、測(cè)厚中得到了很好的應(yīng)用。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 5. 超聲波在介質(zhì)中的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的散射或漫射及吸收等會(huì)導(dǎo)致能量的衰減，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的散射或漫射及吸收等會(huì)導(dǎo)致能量的衰減，隨傳播距離的增加，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱。以固體介質(zhì)為例，設(shè)超聲波入射隨傳播距離的增加，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱。以固體介質(zhì)為例，設(shè)超聲波入射介質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為介質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度

12、為I I0 0，通過(guò)厚度為，通過(guò)厚度為的介質(zhì)后的強(qiáng)度為的介質(zhì)后的強(qiáng)度為I I，衰減系數(shù)為，衰減系數(shù)為A A，如圖，如圖7-27-2所示，則有下列關(guān)系式所示，則有下列關(guān)系式 介質(zhì)中的能量衰減程度與超聲波介質(zhì)中的能量衰減程度與超聲波和介質(zhì)密度有很大關(guān)系。氣體的密和介質(zhì)密度有很大關(guān)系。氣體的密度很小，因此衰減很快，尤其對(duì)于度很小，因此衰減很快，尤其對(duì)于高頻率超聲波而言，衰減更快。因高頻率超聲波而言，衰減更快。因此，在空氣中測(cè)量時(shí)，要采用較低此，在空氣中測(cè)量時(shí)，要采用較低頻率的超聲波，一般低于數(shù)十頻率的超聲波，一般低于數(shù)十kHzkHz，而在固體中則應(yīng)該采用頻率高的超而在固體中則應(yīng)該采用頻率高的超聲波，

13、一般應(yīng)該在聲波，一般應(yīng)該在MHzMHz數(shù)量級(jí)以上。數(shù)量級(jí)以上。（7-6)AeII0圖圖7-2 7-2 超聲波能量的衰減超聲波能量的衰減高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.1.2 超聲波換能器及耦合技術(shù) 超聲波換能器又稱(chēng)超聲波探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不超聲波換能器又稱(chēng)超聲波探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不同，分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。在檢測(cè)技術(shù)中主同，分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。換能器由于其結(jié)構(gòu)的不同，又分為直探頭、斜探要采用壓電式。換能器由于其結(jié)構(gòu)的不同，又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以頭、

14、雙探頭、表面探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其它專(zhuān)用探頭等。及其它專(zhuān)用探頭等。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 1. 以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的探頭 用于固體介質(zhì)的單晶直探頭用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱(chēng)直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖（俗稱(chēng)直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖7-3a7-3a所示。壓電晶片采用鋯所示。壓電晶片采用鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT）材料制作，外殼用金屬制作。材料制作，外殼用金屬制作。保護(hù)膜用于防止壓電晶片的保護(hù)膜用于防止壓電晶片的磨損和改善耦合條件；阻尼磨損和改善耦合條件；阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜面的超聲脈沖能量，防止

15、雜亂反射波的產(chǎn)生。亂反射波的產(chǎn)生。圖圖7-3a7-3a高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖7-3b7-3b所示，它是所示，它是由兩個(gè)單晶直探頭組成，裝配在同一殼由兩個(gè)單晶直探頭組成，裝配在同一殼體內(nèi)。兩個(gè)探頭之間用一塊吸聲性強(qiáng)，體內(nèi)。兩個(gè)探頭之間用一塊吸聲性強(qiáng)，絕緣性能好的薄片加以隔離，并在壓電絕緣性能好的薄片加以隔離，并在壓電晶片下方增設(shè)延遲塊，使超聲波的發(fā)射晶片下方增設(shè)延遲塊，使超聲波的發(fā)射和接受互不干擾。在雙探頭中，一只壓和接受互不干擾。在雙探頭中，一只壓電晶片負(fù)責(zé)發(fā)射超聲脈沖，而另一只則電晶片負(fù)責(zé)發(fā)射超聲脈沖，而另一只則擔(dān)任接收超聲脈沖的任務(wù)。雙探

16、頭的結(jié)擔(dān)任接收超聲脈沖的任務(wù)。雙探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但信號(hào)發(fā)射和接收的構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但信號(hào)發(fā)射和接收的電路卻較為簡(jiǎn)單。電路卻較為簡(jiǎn)單。圖圖7-3b7-3b高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可選用斜探頭，到被測(cè)介質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖如圖7-3c7-3c所示。壓電晶片粘貼所示。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如在與底面成一定角度（如3030、4545等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上。等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上。壓電片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻壓電片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不尼吸收塊覆蓋。當(dāng)

17、斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過(guò)計(jì)算求得。折射角可通過(guò)計(jì)算求得。圖圖7-3c7-3c高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2. 耦合劑 在圖在圖7-37-3中，無(wú)論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接中，無(wú)論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在試件表面（特別是粗糙金屬表面）來(lái)回移動(dòng)，將其放在試件表面（特別是粗糙金屬表面）來(lái)回移動(dòng)，以防探頭磨損。更重要的是

18、，由于超聲探頭與被測(cè)物以防探頭磨損。更重要的是，由于超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測(cè)體接觸時(shí)，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測(cè)物體表面間必然存在一層空氣薄層。由于空氣的密度物體表面間必然存在一層空氣薄層。由于空氣的密度很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成嚴(yán)重的測(cè)量干擾，而且空氣還會(huì)造成超聲波的嚴(yán)造成嚴(yán)重的測(cè)量干擾，而且空氣還會(huì)造成超聲波的嚴(yán)重衰減。因此必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超重衰減。因此必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能夠順利的入射到被測(cè)介質(zhì)中。聲波能夠順利的入射到被測(cè)介質(zhì)中。 在

19、工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一種稱(chēng)為耦合劑的液體物質(zhì)，在工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一種稱(chēng)為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿(mǎn)在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用使之充滿(mǎn)在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。根據(jù)不同的被測(cè)介質(zhì)而選定。耦合劑的厚度應(yīng)糊等。根據(jù)不同的被測(cè)介質(zhì)而選定。耦合劑的厚度應(yīng)該盡量薄一些，以減小耦合損耗。該盡量薄一些，以減小耦合損耗。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 3. 以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器 以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器一般是分開(kāi)設(shè)置射器和接受器

20、一般是分開(kāi)設(shè)置的，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。的，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。如圖如圖7-47-4所示為以空氣為傳導(dǎo)所示為以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。發(fā)射器上的壓電的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。發(fā)射器上的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤(pán)，片上粘貼了一只錐形共振盤(pán)，如圖如圖7-4a7-4a，以便提高發(fā)射效率，以便提高發(fā)射效率和增強(qiáng)方向性。而接收器則在和增強(qiáng)方向性。而接收器則在共振盤(pán)上還增加了一只阻抗匹共振盤(pán)上還增加了一只阻抗匹配器，以提高接受效率，如圖配器，以提高接受效率，如圖7-4b7-4b所示。所示。圖圖7-47-4高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

21、課件 7.1.3 超聲波傳感器的應(yīng)用 根據(jù)超聲波的走向來(lái)看，超聲波傳根據(jù)超聲波的走向來(lái)看，超聲波傳感器的應(yīng)用有兩種基本類(lèi)型，如圖感器的應(yīng)用有兩種基本類(lèi)型，如圖7-57-5所示。當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受所示。當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類(lèi)器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為透射型，如圖型稱(chēng)為透射型，如圖7-5a7-5a所示。透所示。透射型的典型應(yīng)用有：遙控器、防盜射型的典型應(yīng)用有：遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā)報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類(lèi)生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類(lèi)型稱(chēng)為反射型，如圖型稱(chēng)為反射型，如圖7-5b7-5b所示。反所示。反射

22、型的典型應(yīng)用有：接近開(kāi)關(guān)、距射型的典型應(yīng)用有：接近開(kāi)關(guān)、距離測(cè)量、液位或料位測(cè)量、金屬探離測(cè)量、液位或料位測(cè)量、金屬探傷以及厚度測(cè)量等。下面具體介紹傷以及厚度測(cè)量等。下面具體介紹超聲波傳感器在工業(yè)測(cè)量中的幾種超聲波傳感器在工業(yè)測(cè)量中的幾種應(yīng)用。應(yīng)用。圖圖7-5 7-5 超聲波應(yīng)用兩種基本類(lèi)型超聲波應(yīng)用兩種基本類(lèi)型高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 1.超聲波探傷 超聲波探傷是無(wú)損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它超聲波探傷是無(wú)損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)金屬板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的主要用于檢測(cè)金屬板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、材料厚度、材料

23、的晶缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、材料厚度、材料的晶粒等，配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)估。粒等，配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)估。 超聲波探傷因?yàn)闄z測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，超聲波探傷因?yàn)闄z測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得以廣泛的應(yīng)而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得以廣泛的應(yīng)用。超聲波探傷方法多種多樣，而脈沖反射法根據(jù)波形用。超聲波探傷方法多種多樣，而脈沖反射法根據(jù)波形的不同分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。下面的不同分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。下面分別給予介紹。分別給予介紹。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 （1）縱波探

24、傷法 測(cè)試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏如圖測(cè)試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏如圖7-6a 7-6a 所示。通過(guò)熒光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的所示。通過(guò)熒光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的位置。工作時(shí)，探頭放置在被測(cè)工件上，并在工件上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭位置。工作時(shí)，探頭放置在被測(cè)工件上，并在工件上來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭發(fā)出的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播發(fā)出的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播. . 工件中沒(méi)有缺陷，則超聲波傳播到工件中沒(méi)有缺陷，則超聲波傳播到工件底部便產(chǎn)生反射，在熒光屏上工件

25、底部便產(chǎn)生反射，在熒光屏上只產(chǎn)生開(kāi)始脈沖只產(chǎn)生開(kāi)始脈沖T T和底部脈沖和底部脈沖B B，有缺陷，一部分聲波脈沖在缺陷處產(chǎn)生有缺陷，一部分聲波脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底部產(chǎn)反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底部產(chǎn)生反射，這樣在熒光屏上除了仍會(huì)出現(xiàn)生反射，這樣在熒光屏上除了仍會(huì)出現(xiàn)開(kāi)始脈沖開(kāi)始脈沖T T和底部脈沖和底部脈沖B B以外，還會(huì)出現(xiàn)以外，還會(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖缺陷脈沖F F高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 （2）橫波探傷法 用斜探頭進(jìn)行探傷的方法稱(chēng)橫波探傷法。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：用斜探頭進(jìn)行探傷的方法稱(chēng)橫波探傷法。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲

26、波波束中心線(xiàn)與缺陷截面積垂直時(shí)，探測(cè)靈敏度最高。如遇到超聲波波束中心線(xiàn)與缺陷截面積垂直時(shí)，探測(cè)靈敏度最高。如遇到如圖如圖7-77-7中所示的斜向缺陷時(shí)，用直探頭雖然能探測(cè)出缺陷的存在，中所示的斜向缺陷時(shí)，用直探頭雖然能探測(cè)出缺陷的存在，但并不能真實(shí)反映缺陷的大小。如用斜探頭探測(cè)，探傷的效果良好。但并不能真實(shí)反映缺陷的大小。如用斜探頭探測(cè)，探傷的效果良好。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同缺陷的性質(zhì)、取向采用不同的探因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同缺陷的性質(zhì)、取向采用不同的探頭進(jìn)行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)、取向事先不能確定，為了保證頭進(jìn)行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)、取向事先不能確定，為了保證探傷質(zhì)量，則

27、應(yīng)該采用不同種類(lèi)的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。探傷質(zhì)量，則應(yīng)該采用不同種類(lèi)的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。圖圖7-77-7高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 （3）表面波探傷法 表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷存在與否，如圖表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷存在與否，如圖7-87-8所示。所示。當(dāng)超聲波的入射角當(dāng)超聲波的入射角超過(guò)一定值后，折射角超過(guò)一定值后，折射角可能達(dá)到可能達(dá)到9090，這時(shí)固，這時(shí)固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為表面波。當(dāng)工件表面的平衡位置附近作橢圓軌

28、跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為表面波。當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可在熒光屏上顯示出來(lái)。表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可在熒光屏上顯示出來(lái)。圖圖7-8 7-8 表面波探傷表面波探傷高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2. 超聲波流量計(jì) 圖圖7-97-9是超聲波流量計(jì)的原理圖。在被測(cè)管道上下游的一定距離上，是超聲波流量計(jì)的原理圖。在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接受探頭（分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接受探頭（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F2 2，T T2 2），其中），其中（F F1 1，T T1 1）的超聲波是順流傳播的，而（）的超聲波是順流傳播的，而（

29、F F2 2，T T2 2）的超聲波是逆流傳）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束波在流體中傳播的速度不同，采用測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收播的。根據(jù)這兩束波在流體中傳播的速度不同，采用測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差和頻率差等方法可測(cè)出流體的探頭上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差和頻率差等方法可測(cè)出流體的平均流速，進(jìn)而推算出流量。平均流速，進(jìn)而推算出流量。圖圖7-9 7-9 超聲波流量計(jì)原理圖超聲波流量計(jì)原理圖高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 （1）時(shí)間差法 設(shè)超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為設(shè)超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為 ，流，流體在管道內(nèi)的平均流速為體在管道內(nèi)的平均流速為 ，超聲波在靜止流

30、體中的，超聲波在靜止流體中的聲速為聲速為c c，管道的內(nèi)徑為，管道的內(nèi)徑為d d。 超聲波由反射探頭超聲波由反射探頭F F1 1至接收探頭至接收探頭T T1 1的絕對(duì)傳播速度為的絕對(duì)傳播速度為: :cos1vcvcos2vcvv超聲波由反射探頭超聲波由反射探頭F F2 2至接收探頭至接收探頭T T2 2的絕對(duì)傳的絕對(duì)傳播速度為播速度為: :高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 22212coscot2cossin/cossin/vcdvvcdvcdttt超聲波順流與逆流傳播的時(shí)間差為超聲波順流與逆流傳播的時(shí)間差為 cot22cdvt 因?yàn)橐驗(yàn)関 v c c，所以，所以2tan2cvtd則體積流量約

31、為則體積流量約為22tan48VQd vdct流速流速 及流量及流量Q QV V 均與時(shí)間差成正比，均與時(shí)間差成正比，而時(shí)間差可用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)而時(shí)間差可用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。上述方法被稱(chēng)為時(shí)間差法。在這現(xiàn)。上述方法被稱(chēng)為時(shí)間差法。在這種方法中，流量與聲速種方法中，流量與聲速C C 有關(guān)，而聲有關(guān)，而聲速一般隨介質(zhì)的溫度變化而變化，因速一般隨介質(zhì)的溫度變化而變化，因此將造成溫漂。此將造成溫漂。 v高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 （2）頻率差法 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收

32、器使用。制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器使用。圖圖7-10 7-10 頻率差法測(cè)流量的原理頻率差法測(cè)流量的原理21、FFF F2 2發(fā)射的超聲波到達(dá)發(fā)射的超聲波到達(dá)F F1 1的時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)F F1 1發(fā)射的超聲波到發(fā)射的超聲波到達(dá)達(dá)F F2 2的時(shí)間較短的時(shí)間較短高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 vDfff2sin21 超聲波流量計(jì)最大的特點(diǎn)是：探頭可以裝在超聲波流量計(jì)最大的特點(diǎn)是：探頭可以裝在被側(cè)流體管道的外面，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，既不被側(cè)流體管道的外面，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，既不干擾流體流動(dòng)狀態(tài)，又不受流體流動(dòng)的其它參干擾流體流動(dòng)狀態(tài)，又不受流體流動(dòng)的其它參數(shù)影響，而且大大降低了流量計(jì)的安

33、裝費(fèi)用。數(shù)影響，而且大大降低了流量計(jì)的安裝費(fèi)用。其輸出基本上與流量成線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)量精度一其輸出基本上與流量成線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)量精度一般可達(dá)到般可達(dá)到1%1%。其價(jià)格與管道的尺寸無(wú)關(guān)，因此。其價(jià)格與管道的尺寸無(wú)關(guān)，因此特別適合大口徑管道，以及含有磨損性雜質(zhì)或特別適合大口徑管道，以及含有磨損性雜質(zhì)或腐蝕性液體的測(cè)量。腐蝕性液體的測(cè)量。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 3. 超聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)厚的方法很多，最常用的方法是利用超聲波脈沖反射法進(jìn)行測(cè)厚?？沙暡y(cè)厚的方法很多，最常用的方法是利用超聲波脈沖反射法進(jìn)行測(cè)厚?？梢詼y(cè)量鋼及其它金屬、有機(jī)玻璃、硬塑料等的厚度。以測(cè)量鋼及其它金屬、有機(jī)玻璃、硬塑料等

34、的厚度。 圖圖7-117-11是超聲波測(cè)厚示意圖。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)是超聲波測(cè)厚示意圖。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)探頭內(nèi)部的延遲塊延時(shí)后，該脈沖進(jìn)入被測(cè)試件，在到達(dá)試件底面時(shí)，被反射探頭內(nèi)部的延遲塊延時(shí)后，該脈沖進(jìn)入被測(cè)試件，在到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超回來(lái)，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需要的時(shí)間間隔（扣除經(jīng)兩次延遲的時(shí)間），再乘以聲波在被測(cè)體聲波脈沖所需要的時(shí)間間隔（扣除經(jīng)兩次延遲的時(shí)間），再乘以聲波在被測(cè)體內(nèi)的傳播速度常數(shù)，就是超聲波脈沖在被測(cè)

35、件體內(nèi)所經(jīng)歷的來(lái)回距離，也就代內(nèi)的傳播速度常數(shù)，就是超聲波脈沖在被測(cè)件體內(nèi)所經(jīng)歷的來(lái)回距離，也就代表了厚度值，即表了厚度值，即12ct在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時(shí)間在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時(shí)間內(nèi)使計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，便可達(dá)到數(shù)字顯示內(nèi)使計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，便可達(dá)到數(shù)字顯示之目的。使用雙晶直探頭可以使信號(hào)處之目的。使用雙晶直探頭可以使信號(hào)處理電路趨于簡(jiǎn)化，有利與縮小儀表的體理電路趨于簡(jiǎn)化，有利與縮小儀表的體積。探頭內(nèi)部的延遲塊可減小雜亂反射積。探頭內(nèi)部的延遲塊可減小雜亂反射波的干擾。波的干擾。圖圖7-117-11超聲波測(cè)厚示意圖超聲波測(cè)厚示意圖高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 4. 超聲波測(cè)密度

36、圖圖7-127-12所示超聲波測(cè)量液體密度原理示所示超聲波測(cè)量液體密度原理示意圖。圖中采用雙晶直探頭超聲波探頭意圖。圖中采用雙晶直探頭超聲波探頭測(cè)量，探頭安裝在測(cè)量室（貯油箱）的測(cè)量，探頭安裝在測(cè)量室（貯油箱）的外側(cè)。測(cè)量室的長(zhǎng)度為，根據(jù)的關(guān)系外側(cè)。測(cè)量室的長(zhǎng)度為，根據(jù)的關(guān)系（為探頭從發(fā)射到接收超聲波所需的時(shí)（為探頭從發(fā)射到接收超聲波所需的時(shí)間），可以求得超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的間），可以求得超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度傳播速度c,c,傳播速度與液體的密度有關(guān)。傳播速度與液體的密度有關(guān)。因此可通過(guò)時(shí)間因此可通過(guò)時(shí)間t t的大小來(lái)反映液體的密的大小來(lái)反映液體的密度。度。 本儀器采用數(shù)字顯示，測(cè)量精度

37、較高，本儀器采用數(shù)字顯示，測(cè)量精度較高，能連續(xù)在線(xiàn)測(cè)量并能參與給以過(guò)程的自能連續(xù)在線(xiàn)測(cè)量并能參與給以過(guò)程的自動(dòng)控制。動(dòng)控制。圖圖7-12 7-12 超聲波測(cè)量液體密度原理圖超聲波測(cè)量液體密度原理圖高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 5超聲波測(cè)量液位和物位 如圖如圖7-137-13所示，是一個(gè)超聲波液位測(cè)量示意圖。在被測(cè)液體液位的上方安裝一個(gè)所示，是一個(gè)超聲波液位測(cè)量示意圖。在被測(cè)液體液位的上方安裝一個(gè)空氣傳導(dǎo)型的超聲波發(fā)生器和接收器。按超聲波脈沖反射原理，根據(jù)超聲波的往空氣傳導(dǎo)型的超聲波發(fā)生器和接收器。按超聲波脈沖反射原理，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間就可測(cè)得液體的液面高度。如果液面晃動(dòng)，就會(huì)因?yàn)榉瓷洳?/p>

38、散射而接收困返時(shí)間就可測(cè)得液體的液面高度。如果液面晃動(dòng)，就會(huì)因?yàn)榉瓷洳ㄉ⑸涠邮绽щy，因此可用直管將超聲波傳播路徑限定在某一小的空間內(nèi)。另外，由于空氣中難，因此可用直管將超聲波傳播路徑限定在某一小的空間內(nèi)。另外，由于空氣中的聲速隨溫度變化而變化，這樣會(huì)造成由于溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，通常稱(chēng)之的聲速隨溫度變化而變化，這樣會(huì)造成由于溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，通常稱(chēng)之為溫漂。所以在超聲波的傳播路徑中設(shè)置一個(gè)反射性良好的小板做標(biāo)準(zhǔn)參照物，為溫漂。所以在超聲波的傳播路徑中設(shè)置一個(gè)反射性良好的小板做標(biāo)準(zhǔn)參照物，隨時(shí)標(biāo)定測(cè)量環(huán)境中的超聲波的速度，以便計(jì)算修正溫度變化造成的測(cè)量誤差。隨時(shí)標(biāo)定測(cè)量環(huán)境中的超聲波的

39、速度，以便計(jì)算修正溫度變化造成的測(cè)量誤差。圖圖7-13 7-13 超聲波液位測(cè)量示意圖超聲波液位測(cè)量示意圖高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 超聲波用于高效清洗 當(dāng)弱的聲波作用于液體時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生當(dāng)弱的聲波作用于液體時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體的體積被壓縮減產(chǎn)生一定的正壓，即液體的體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研小，液體中

40、形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每一個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊每一個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為上千大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱(chēng)之為“空化作用空化作用”，超聲波清洗正是利用液體，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。高

41、職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 返回本章目錄返回本章目錄高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7. 7. 微波傳感器微波傳感器7.2.1 7.2.1 微波的性質(zhì)與特點(diǎn)微波的性質(zhì)與特點(diǎn)微波是波長(zhǎng)為微波是波長(zhǎng)為1000mm1000mm、頻率、頻率300MHz300MHz300GHz300GHz的電磁波。它既有電的電磁波。它既有電磁波的特性，又與普通的無(wú)線(xiàn)電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)：磁波的特性，又與普通的無(wú)線(xiàn)電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)：可定向輻射，空間直線(xiàn)傳輸?？啥ㄏ蜉椛洌臻g直線(xiàn)傳輸。遇到各種障礙易于反射。遇到各種障礙易于反射。繞射能力差。繞射能力差。傳輸

42、特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很小。小。介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。作用最強(qiáng)。由于微波有以上特性，被廣泛用于液位、物位、厚度及含水量由于微波有以上特性，被廣泛用于液位、物位、厚度及含水量的測(cè)量。的測(cè)量。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.2.2 微波傳感器的工作原理及其分類(lèi)1. 1. 微波傳感器的工作原理微波傳感器的工作原理 微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些非電量的微波傳感器就是指利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些非電量的器件和裝置。器件

43、和裝置。 其原理是：由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出微波，當(dāng)遇到被測(cè)物體其原理是：由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出微波，當(dāng)遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接受天線(xiàn)接收到通過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，受天線(xiàn)接收到通過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波，將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，即能顯將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，即能顯示出被測(cè)量，這就是微波檢測(cè)過(guò)程。根據(jù)上述原理，示出被測(cè)量，這就是微波檢測(cè)過(guò)程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類(lèi)。微波傳感器可分為如下兩類(lèi)。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2. 微波傳感器的分類(lèi) 根據(jù)上述原理，微

44、波傳感器可分為如下兩類(lèi)。根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類(lèi)。（1 1）反射式微波傳感器）反射式微波傳感器 反射式微波傳感器就是指通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的反射式微波傳感器就是指通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率的大小或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)物的位微波功率的大小或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。置、厚度等參數(shù)。（2 2）遮斷式微波傳感器）遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線(xiàn)接收到的微波遮斷式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)接收天線(xiàn)接收到的微波功率的大小，來(lái)判斷發(fā)射天線(xiàn)與被測(cè)天線(xiàn)之間有無(wú)被功率的大小，來(lái)判斷發(fā)射天線(xiàn)與被測(cè)天線(xiàn)之間有無(wú)被測(cè)物或被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。測(cè)物或被測(cè)

45、物的位置與含水量等參數(shù)。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 與一般傳感器不同，微波傳感器的敏感元件可以認(rèn)為是一個(gè)微波與一般傳感器不同，微波傳感器的敏感元件可以認(rèn)為是一個(gè)微波場(chǎng)。它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器，如圖場(chǎng)。它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器，如圖7-147-14所示。所示。圖圖7-14 7-14 微波傳感器的構(gòu)成微波傳感器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)微波場(chǎng)的有限空間，被測(cè)物即出于其中。如果轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)微波場(chǎng)的有限空間，被測(cè)物即出于其中。如果MSMS與與T T合二為一，稱(chēng)之為有源微波傳感器；如果合二為一，稱(chēng)之為有源微波傳感器；如果MSMS與與R R合二為一，則稱(chēng)其合二為一，則稱(chēng)其為

46、自振式微波傳感器。為自振式微波傳感器。微波源微波源Microwave Source轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器TransducerTransducer接收器接收器ReceiverReceiver高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 微波天線(xiàn)u 由微波振蕩器產(chǎn)生振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（波長(zhǎng)為由微波振蕩器產(chǎn)生振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（波長(zhǎng)為10cm10cm以上可用同軸電纜）傳輸，并以上可用同軸電纜）傳輸，并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線(xiàn)具有特殊的結(jié)構(gòu)。常通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線(xiàn)具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線(xiàn)如下圖所示，有喇叭形天線(xiàn)、拋物面天線(xiàn)、介質(zhì)天線(xiàn)與隙縫天線(xiàn)等。用的

47、天線(xiàn)如下圖所示，有喇叭形天線(xiàn)、拋物面天線(xiàn)、介質(zhì)天線(xiàn)與隙縫天線(xiàn)等。u 喇叭形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，它可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭型天線(xiàn)在波導(dǎo)管喇叭形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，它可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭型天線(xiàn)在波導(dǎo)管與敞開(kāi)的空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線(xiàn)，好像凹面鏡產(chǎn)與敞開(kāi)的空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線(xiàn)，好像凹面鏡產(chǎn)生平行光，因此使微波發(fā)射的方向性得到改善。生平行光，因此使微波發(fā)射的方向性得到改善。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 7.2.3 微波傳感器的應(yīng)用1. 1. 微波濕度（水分）傳感器微波濕度（水分）傳感器水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形

48、式雜亂無(wú)章的分布著。在外電場(chǎng)的作用下，偶極水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)章的分布著。在外電場(chǎng)的作用下，偶極子會(huì)形成定向的排列。當(dāng)水分子處于微波場(chǎng)中時(shí)，偶極子會(huì)在微波場(chǎng)的作用下反復(fù)取向，子會(huì)形成定向的排列。當(dāng)水分子處于微波場(chǎng)中時(shí)，偶極子會(huì)在微波場(chǎng)的作用下反復(fù)取向，并不斷的從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷的釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信并不斷的從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷的釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個(gè)特性可以用水分子自身介電常數(shù)來(lái)表征，即號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個(gè)特性可以用水分子自身介電常數(shù)來(lái)表征，即 與與 不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)

49、試信號(hào)頻率有關(guān)。所有極性分子均有此特性，一般不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān)。所有極性分子均有此特性，一般干燥的物體，如木材、皮革、谷物、紙張、塑料等，其干燥的物體，如木材、皮革、谷物、紙張、塑料等，其 值在值在1 15 5范圍內(nèi)，而水的范圍內(nèi)，而水的 值則高達(dá)值則高達(dá)6464，因此，材料中如果含有少量的水分，其復(fù)合的，因此，材料中如果含有少量的水分，其復(fù)合的 值將明顯上升，值將明顯上升， 也也有類(lèi)似性質(zhì)。有類(lèi)似性質(zhì)。使用微波傳感器，同時(shí)測(cè)量干燥物體（純）與含水一定的潮濕物體所引起的微波信號(hào)使用微波傳感器，同時(shí)測(cè)量干燥物體（純）與含水一定的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，將獲得的信

50、號(hào)進(jìn)行比較，就可以換算出潮濕物體的含水量。目前已經(jīng)的相移與衰減量，將獲得的信號(hào)進(jìn)行比較，就可以換算出潮濕物體的含水量。目前已經(jīng)研制成土壤、煤、石油、礦砂、酒精、玉米、稻谷、塑料、皮革等一批含水量測(cè)量?jī)x。研制成土壤、煤、石油、礦砂、酒精、玉米、稻谷、塑料、皮革等一批含水量測(cè)量?jī)x。(7-13) 儲(chǔ)能的度量?jī)?chǔ)能的度量常數(shù)常數(shù)衰減的度量衰減的度量 高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 圖圖7-157-15給出了一臺(tái)測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，其中，給出了一臺(tái)測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，其中，MSMS產(chǎn)生的微波產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功器分成兩路，再經(jīng)過(guò)相同的衰減器功率經(jīng)分功器分成兩路，再經(jīng)過(guò)相同的衰減器A1A1，A

51、2A2后分別注入到兩后分別注入到兩個(gè)完全相同的傳輸線(xiàn)轉(zhuǎn)換器個(gè)完全相同的傳輸線(xiàn)轉(zhuǎn)換器T1T1、T2T2中。其中中。其中T1T1放置無(wú)水酒精，放置無(wú)水酒精，T2T2放置放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PTPT、ATAT）分別反復(fù)接通兩路，自動(dòng)記）分別反復(fù)接通兩路，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定出樣品酒精的含水量。錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定出樣品酒精的含水量。應(yīng)該指出，對(duì)于顆粒狀物料，由于其形狀各異、裝料不均等影響，測(cè)應(yīng)該指出，對(duì)于顆粒狀物料，由于其形狀各異、裝料不均等影響，測(cè)量其含水量時(shí)，對(duì)微波傳感器要求不高。量其含水量時(shí)，對(duì)微波傳感器

52、要求不高。圖圖7-15 7-15 酒精含水量測(cè)量?jī)x器酒精含水量測(cè)量?jī)x器高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 2. 微波液位計(jì) 微波液位計(jì)原理如圖微波液位計(jì)原理如圖7-167-16所示。相距為所示。相距為S S的發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)，相互構(gòu)成的發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)，相互構(gòu)成一定角度，波長(zhǎng)為一定角度，波長(zhǎng)為的微波從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線(xiàn)。接收天線(xiàn)接收的微波從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線(xiàn)。接收天線(xiàn)接收到的微波功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異，接收天線(xiàn)接收到的功率到的微波功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異，接收天線(xiàn)接收到的功率P PV V為：為： 當(dāng)發(fā)射功率、波長(zhǎng)、增益均恒當(dāng)發(fā)射功率、波長(zhǎng)、增益均恒定時(shí)，只要測(cè)出

53、接收功率，就可定時(shí)，只要測(cè)出接收功率，就可得到被測(cè)液面的高度。得到被測(cè)液面的高度。(7-14)(7-14)dsPGGpV44202接受天線(xiàn)的接接受天線(xiàn)的接受功率受功率, ,單位單位W W發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射天線(xiàn)的功率功率接受天線(xiàn)接受天線(xiàn)的的增益增益兩天線(xiàn)的間距兩天線(xiàn)的間距離，單位離，單位m m圖圖7-16 7-16 微波液位計(jì)微波液位計(jì)兩天線(xiàn)與被測(cè)兩天線(xiàn)與被測(cè)表面間的垂直表面間的垂直距離，單位距離，單位m m發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射天線(xiàn)的增益增益高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 3. 微波物位計(jì) 微波物位計(jì)的原理如圖微波物位計(jì)的原理如圖7-177-17所示。所示。當(dāng)被測(cè)物體位置較低時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)當(dāng)被測(cè)物體位置較

54、低時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射的微波束全部由接收天線(xiàn)接收，發(fā)射的微波束全部由接收天線(xiàn)接收，經(jīng)檢波、放大與定電壓比較之后發(fā)經(jīng)檢波、放大與定電壓比較之后發(fā)出物體位置正常信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物體出物體位置正常信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物體位置升高到天線(xiàn)所在高度時(shí)，微波位置升高到天線(xiàn)所在高度時(shí)，微波束部分被物體吸收，部分被反射，束部分被物體吸收，部分被反射，接收天線(xiàn)接收到的微波功率相應(yīng)減接收天線(xiàn)接收到的微波功率相應(yīng)減弱，經(jīng)檢波、放大、與定電壓比較，弱，經(jīng)檢波、放大、與定電壓比較，低于定電壓值，微波物位計(jì)就發(fā)出低于定電壓值，微波物位計(jì)就發(fā)出被測(cè)物體位置高出設(shè)定物位信號(hào)。被測(cè)物體位置高出設(shè)定物位信號(hào)。圖圖7-177-17微波物位計(jì)微波物位

55、計(jì)高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 4. 微波測(cè)厚儀微波測(cè)厚儀原理如圖微波測(cè)厚儀原理如圖7-187-18所示。這種測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物金屬表所示。這種測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行厚度測(cè)量的。面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行厚度測(cè)量的。如圖如圖7-187-18所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過(guò)環(huán)行器經(jīng)過(guò)環(huán)行器A A，經(jīng)上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)金屬物體的上，經(jīng)上傳輸波導(dǎo)管傳

56、輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)金屬物體的上表面上，微波在這個(gè)表面被全反射后又回到上終端器，再經(jīng)傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器表面上，微波在這個(gè)表面被全反射后又回到上終端器，再經(jīng)傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A A、下傳、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)金屬物體的下表面上，微波在這個(gè)表輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)金屬物體的下表面上，微波在這個(gè)表面被全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過(guò)傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)行器面被全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過(guò)傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)行器A A。因此被測(cè)物的厚度與。因此被測(cè)物的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系。當(dāng)被測(cè)物厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便微波傳輸過(guò)程中的行

57、程長(zhǎng)度有密切關(guān)系。當(dāng)被測(cè)物厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。減小。圖圖7-187-18微波測(cè)厚儀微波測(cè)厚儀高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 5.微波溫度傳感器 任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都將向外輻射熱量。當(dāng)輻射熱到任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都將向外輻射熱量。當(dāng)輻射熱到達(dá)接收機(jī)輸入端口時(shí)，若仍然高于基準(zhǔn)溫度（或室溫），在接收機(jī)的輸出達(dá)接收機(jī)輸入端口時(shí)，若仍然高于基準(zhǔn)溫度（或室溫），在接收機(jī)的輸出端將有信號(hào)輸出，這就是輻射計(jì)或噪聲溫度接收機(jī)的基本原理。端將有信號(hào)輸出，這就是輻射計(jì)或噪聲溫度接收機(jī)的基本原理。微波頻段的輻射計(jì)就是一個(gè)微波溫微波頻段的輻射計(jì)就是一個(gè)微波溫度傳感器

58、。圖度傳感器。圖7-19 7-19 給出了微波溫度給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。其中傳感器的原理方框圖。其中TinTin為輸為輸入溫度（被測(cè)溫度）；入溫度（被測(cè)溫度）；TcTc為基準(zhǔn)溫為基準(zhǔn)溫度；度；C C為環(huán)行器；為環(huán)行器；BPFBPF為帶通濾波器；為帶通濾波器；LNALNA為低噪聲放大器；為低噪聲放大器；M M為混頻器；為混頻器；LOLO為本機(jī)振蕩器。這個(gè)傳感器的關(guān)為本機(jī)振蕩器。這個(gè)傳感器的關(guān)鍵部件是低噪聲放大器，它決定了鍵部件是低噪聲放大器，它決定了傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度。圖圖7-19 7-19 微波溫度傳感器微波溫度傳感器高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 u微波傳感器最有價(jià)

59、值的應(yīng)用，是微波遙測(cè)，將微波溫度微波傳感器最有價(jià)值的應(yīng)用，是微波遙測(cè)，將微波溫度傳感器裝在航天器上，可遙測(cè)大氣對(duì)流層狀況，進(jìn)行大傳感器裝在航天器上，可遙測(cè)大氣對(duì)流層狀況，進(jìn)行大地測(cè)量與探礦；可以遙測(cè)水質(zhì)污染程度；確定水域范圍；地測(cè)量與探礦；可以遙測(cè)水質(zhì)污染程度；確定水域范圍；判斷土地肥沃程度；判斷植物品種等。判斷土地肥沃程度；判斷植物品種等。u近年來(lái)，微波傳感器又有新的重要應(yīng)用，這就是用其探近年來(lái)，微波傳感器又有新的重要應(yīng)用，這就是用其探測(cè)人體癌變組織。癌變組織與周?chē)＝M織之間存在著測(cè)人體癌變組織。癌變組織與周?chē)＝M織之間存在著一個(gè)微小的溫度差。早期癌變組織比正常組織高一個(gè)微小的溫度差。早

60、期癌變組織比正常組織高0.10.1，腫瘤組織比正常組織偏高腫瘤組織比正常組織偏高11。如果能精確測(cè)量出。如果能精確測(cè)量出0.10.1的溫差，就可以發(fā)現(xiàn)早期癌變，從而可以早日治療。的溫差，就可以發(fā)現(xiàn)早期癌變，從而可以早日治療。高職高專(zhuān)傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 6. 微波定位傳感器 圖圖7-207-20為微波定位傳感器的原理圖。微波源（為微波定位傳感器的原理圖。微波源（MSMS）發(fā)射的微波經(jīng)環(huán)）發(fā)射的微波經(jīng)環(huán)行器（行器（C C）從天線(xiàn)發(fā)射出微波信號(hào)。當(dāng)物料遠(yuǎn)離小孔（）從天線(xiàn)發(fā)射出微波信號(hào)。當(dāng)物料遠(yuǎn)離小孔（O O）時(shí)，反射）時(shí)，反射信號(hào)很?。划?dāng)物料移近小孔時(shí)，反射信號(hào)突然增大，該信號(hào)進(jìn)入轉(zhuǎn)信號(hào)很?。?/p>