《傳感器》課件-第11章-傳感檢測(cè)技術(shù)

核輻射檢測(cè)1.2第11章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲檢測(cè)11.111.2激光檢測(cè)11.3微波檢測(cè)11.411.5紅外檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)一.超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第一節(jié)超聲(Ultrasonic)檢測(cè)

振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在16-2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波稱為聲波,低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波,高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波，如圖所示。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)圖11.2波的反射和折射當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在異質(zhì)界面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。第一節(jié)超聲(Ultrasonic)檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)1.波的反射和折射當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角α的正弦與反射角α’的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相等，入射角α即等于反射角α’。當(dāng)波在界面外產(chǎn)生折射時(shí)，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比，即第一節(jié)超聲(Ultrasonic)檢測(cè)圖11.2波的反射和折射第11章傳感檢測(cè)技術(shù)

2.超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換第一節(jié)超聲(Ultrasonic)檢測(cè)當(dāng)聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同時(shí)，聲波的波型也有所不同。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面?zhèn)鞑?。圖11.3波型轉(zhuǎn)換圖當(dāng)聲波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還會(huì)發(fā)生橫波的反射和折射，如圖所示。在一定條件下還能產(chǎn)生表面波。各種波型均符合幾何光學(xué)中的反射定律。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)3.聲波的衰減第一節(jié)超聲(Ultrasonic)檢測(cè)

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射、吸收等因素有關(guān)。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下第11章傳感檢測(cè)技術(shù)

超聲波探頭是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。圖11.4電式探頭結(jié)構(gòu)圖探頭結(jié)構(gòu)圖

1-壓電片；2-保護(hù)膜；3-吸收塊；4-接線；5-導(dǎo)線螺桿；6-絕緣柱；7-接觸座；8-接線片；9-壓電片座

二.超聲波探頭第11章傳感檢測(cè)技術(shù)

超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。圖11.4為壓電式探頭結(jié)構(gòu)圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換。圖11.4電式探頭結(jié)構(gòu)圖第11章傳感檢測(cè)技術(shù)1.超聲波測(cè)厚度

超聲波檢測(cè)厚度的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。圖11.5所示為脈沖回波法檢測(cè)厚度的工作原理圖11.5聲波測(cè)厚工作原理圖三.超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用第11章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波探頭與被測(cè)物體表面接觸，主控制器控制發(fā)射電路使探頭發(fā)出的超聲波，到達(dá)被測(cè)物體底面反射回來(lái)，該脈沖信號(hào)又被探頭接收，經(jīng)放大器放大加到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。標(biāo)記發(fā)生器輸出時(shí)間與標(biāo)記脈沖信號(hào)同時(shí)加到該垂直偏轉(zhuǎn)板上。而掃描電壓則加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此，在示波器上可直接讀出發(fā)射與接收超聲波之間的時(shí)間間隔t。則被測(cè)物體的厚度h為：圖11.5聲波測(cè)厚工作原理圖三.超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用第11章傳感檢測(cè)技術(shù)2.超聲波測(cè)液位

在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位、水位等的液位測(cè)量。圖11.6所示為脈沖回波式測(cè)量液位的工作原理圖。探頭發(fā)出的超聲脈沖通過(guò)介質(zhì)到達(dá)液面，經(jīng)液面反射后又被探頭接收。測(cè)量發(fā)射與接收超聲脈沖的時(shí)間間隔和介質(zhì)中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。圖11.6脈沖回波式超聲液位測(cè)量根據(jù)傳聲方式和使用探頭數(shù)量的不同，可以分為單探頭液介式〔圖(a)〕；單探頭氣介式〔圖(b)〕；單探頭固介式〔圖(c)〕；雙探頭液介式〔圖(d)〕等數(shù)種。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)圖11.7超聲波定點(diǎn)液位計(jì)在一些應(yīng)用中，有時(shí)只需要知道液面是否到達(dá)某個(gè)或幾個(gè)固定高度，則可采用下圖所示的超聲波定點(diǎn)式液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)報(bào)警或液面控制。圖(a)(b)為連續(xù)波阻抗式液位計(jì)的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體接觸時(shí)，發(fā)射電路中通過(guò)的電流也就明顯不同。因此利用一個(gè)處于諧振狀態(tài)的超聲波探頭，就能通過(guò)指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖(c)為連續(xù)波透射式液位計(jì)示意圖。圖中相對(duì)安裝的兩個(gè)探頭，一個(gè)發(fā)射，另一個(gè)接收。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)生頻率較高的超聲波時(shí)，只有在兩個(gè)探頭之間有液體時(shí)，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達(dá)到探頭的高度。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)3.超聲波測(cè)流量圖11.8波測(cè)流量的原理圖利用超聲波測(cè)流量對(duì)被測(cè)流體并不產(chǎn)生附加阻力，測(cè)量結(jié)果不受流體物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，超聲波在靜止和流動(dòng)液體中的傳播速度是不同的，進(jìn)而形成傳播時(shí)間和相位上的變化，由此可求得流體的流速和流量。圖為超聲波測(cè)流體流量的工作原理圖。圖中v為流體的平均流速，c為超聲波在流體中的速度，θ為超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角，A、B為兩個(gè)超聲波探頭，L為其間距離。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)（1）時(shí)差法測(cè)流量圖11.8波測(cè)流量的原理圖

當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭時(shí)，超聲波傳播速度為C+vcosθ,于是順流傳播時(shí)間t1為。

當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時(shí)，超聲波傳播速度為C-vcosθ,于是逆流傳播時(shí)間t2為。時(shí)差：流速：第11章傳感檢測(cè)技術(shù)（2）相位差法測(cè)流量圖11.8波測(cè)流量的原理圖

當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭時(shí)，接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射超聲波的相位角Ψ1為

當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時(shí)，接收信號(hào)相對(duì)發(fā)射超聲波的相位角Ψ2為相位差：流速：第11章傳感檢測(cè)技術(shù)（3）頻率差法測(cè)流量圖11.8波測(cè)流量的原理圖

當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭時(shí)，超聲波的重復(fù)頻率f1為

當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時(shí)，超聲波的城府頻率f2為頻率差：流速：第11章傳感檢測(cè)技術(shù)一.核輻射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1.同位素原子序數(shù)相同,但原子質(zhì)量數(shù)不同的元素,稱作同位數(shù)。當(dāng)沒(méi)有外因作用時(shí)同位數(shù)的原子核會(huì)自動(dòng)在衰變中放出射線。其衰減規(guī)律為第三節(jié)核輻射檢測(cè)式中α、α0——分別為初始時(shí)與經(jīng)過(guò)時(shí)間t秒后的原子核數(shù)；

λ——衰變常數(shù)（不同放射性同位數(shù)有不同的λ值。上式表明放射性同位數(shù)的原子核數(shù)按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間減少，其衰變速度用半衰期表示。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)二.核輻射傳感器1.電離室

圖11.11為電離室示意圖。電離室兩側(cè)設(shè)有二塊平行極板，對(duì)其加上極化電壓E使二極板間形成電場(chǎng)。當(dāng)有粒子或射線射向二極板間空氣時(shí)，空氣分子被電離成正、負(fù)離子。帶電離子在電場(chǎng)作用下形成電離電流，并在外接電阻R上形成壓降。測(cè)量此壓降值即可得核輻射的強(qiáng)度。電離室主要用于探測(cè)α、β粒子，它具有堅(jiān)固、穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流很小。

圖11.11為電離室示意圖第11章傳感檢測(cè)技術(shù)2.氣體放電計(jì)數(shù)管(蓋格計(jì)數(shù)管)圖11.12體放電計(jì)數(shù)管示意圖

正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)得到一定的動(dòng)能，能從陰極打出次級(jí)電子。由于此時(shí)陽(yáng)極附近的電場(chǎng)已恢復(fù)，次級(jí)電子又能再一次產(chǎn)生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續(xù)放電。若在計(jì)數(shù)管內(nèi)加入少量有機(jī)分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產(chǎn)生次級(jí)電子，而使放電自動(dòng)停止。

第11章傳感檢測(cè)技術(shù)氣體放電計(jì)數(shù)管的特性曲線如圖11-13所示。圖中I1、I2代表入射的核輻射強(qiáng)度，I1＞I2。由圖可見(jiàn)，在相同外電壓U時(shí)不同輻射強(qiáng)度將得到不同的脈沖數(shù)N。氣體放電計(jì)數(shù)管常用于探測(cè)β粒子和γ射線。

圖11-13氣體放電計(jì)數(shù)管特性曲線第11章傳感檢測(cè)技術(shù)3.閃爍計(jì)數(shù)器

當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，晶體原子受激發(fā)光，透過(guò)晶體射到光電倍增管的光陰極上，根據(jù)光電效應(yīng)在光陰極上產(chǎn)生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽(yáng)極上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。圖11-14閃爍計(jì)數(shù)器示意圖第11章傳感檢測(cè)技術(shù)三.輻射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用1.核輻射在線測(cè)厚儀2.核輻射物位計(jì)3.核輻射流量計(jì)4.核輻射探傷第11章傳感檢測(cè)技術(shù)一.激光檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1、激光的形成第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)

在正常分布狀態(tài)下，原子多處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，如無(wú)外界的作用，原子可長(zhǎng)期保持此狀態(tài)。但在外界光子作用下，賦予原子一定的能量ε，原子就從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激吸收。光子能量ε與原子能級(jí)躍遷的關(guān)系為

處在高能級(jí)E2的原子在外來(lái)光的誘發(fā)下，躍遷至低能級(jí)E1而發(fā)光，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)光子具有完全相同的頻率、傳播方向、偏振方向。一個(gè)外來(lái)光子誘發(fā)出一個(gè)光子，在激光器中得到兩個(gè)光子，這兩個(gè)光子又可誘發(fā)出兩個(gè)光子，得到四個(gè)光子，這些光子進(jìn)一步誘發(fā)出其他光子，這個(gè)過(guò)程稱為光放大。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)

如果通過(guò)光的受激吸收，使介質(zhì)中處于高能級(jí)的粒子比處于低能級(jí)的多，稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，則光放大作用大于光吸收作用。這時(shí)受激輻射占優(yōu)勢(shì)，光在這種工作物質(zhì)內(nèi)被增強(qiáng)，這種工作物質(zhì)就稱為增益介質(zhì)。若增益介質(zhì)通過(guò)提供能量的激勵(lì)源裝置形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)大量處于低能級(jí)的原子在外來(lái)能量作用下將躍遷到高能級(jí)。為了使受激輻射的光具有足夠的強(qiáng)度，還須設(shè)置一個(gè)光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔內(nèi)設(shè)有兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡，一個(gè)為全反射鏡，另一個(gè)為半反半透鏡。當(dāng)沿軸線方向行進(jìn)的光遇到反射鏡后，就被反射折回，如此在兩反射鏡間往復(fù)運(yùn)行并不斷對(duì)有限容積內(nèi)的工作物質(zhì)進(jìn)行受激輻射，產(chǎn)生雪崩式的放大，從而形成了強(qiáng)大的受激輻射光---激光，通過(guò)半反半透鏡輸出。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)

可見(jiàn)，激光的形成條件：(1)具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)——增益介質(zhì)；(2)具有供給能量的激勵(lì)源；(3)具有提供反復(fù)進(jìn)行受激輻射場(chǎng)所的光學(xué)諧振腔。第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)2、激光的特性:(1)方向性強(qiáng)，亮度高

激光束的發(fā)散角很小，激光能量在空間高度集中，其亮度比普通光源高百萬(wàn)倍。(2)單色性好

(3)相干性好

光的相干性是指兩光束相遇時(shí)“在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)出的波相疊加”并能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩(wěn)定的拍頻信號(hào)。第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)二.激光器的分類（1）固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)是固體。這類激光器結(jié)構(gòu)大致相同，共同特點(diǎn)是小而堅(jiān)固，功率高。（2）氣體激光器氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體。其特點(diǎn)是小巧，能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率不及固體激光器。（3）液體激光器液體激光器的工作物質(zhì)是液體，其中較重要的是有機(jī)染料激光器。其最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長(zhǎng)可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。（4）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是輸出功率較小。第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)三.激光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用激光技術(shù)用于檢測(cè)工作主要是利用激光的優(yōu)異特性，將它作為光源，配以相應(yīng)的光電元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它具有精度高、測(cè)量范圍大、檢測(cè)時(shí)間短、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，常用于測(cè)量長(zhǎng)度、位移、速度、振動(dòng)等參數(shù)。下面介紹幾種應(yīng)用實(shí)例。

1.激光測(cè)距

2.激光測(cè)流速

3.激光測(cè)車速第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)第11章傳感檢測(cè)技術(shù)第四節(jié)激光(Laser)檢測(cè)1.激光測(cè)距第11章傳感檢測(cè)技術(shù)圖11-31激光多普勒流速計(jì)原理圖2.激光測(cè)流速激光測(cè)量流速用得較多的是多普勒流速計(jì)，用它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、大氣風(fēng)速、火箭燃料的燃速等。圖為激光多普勒流速計(jì)原理圖。當(dāng)激光照射到隨被測(cè)流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)“激光被運(yùn)動(dòng)著的微粒所散射，根據(jù)多普勒原理，散射光的頻率相對(duì)于入射光將產(chǎn)生正比于流體速度的頻率偏移，測(cè)出散射光的頻率偏移，就可得到被測(cè)流體的流速。如圖所示，散射光與未散射光分別由兩個(gè)接收透鏡收集，并經(jīng)平面鏡和分光鏡重合后在光電倍增管中進(jìn)行混頻，輸出一個(gè)交流信號(hào)。對(duì)該交流信號(hào)進(jìn)行處理，即可得到多普勒頻偏值，從而獲得流體的流速。第11章傳感檢測(cè)技術(shù)3.激光測(cè)車速利用激光具有高方向性的特點(diǎn)可以測(cè)量汽車、火車等運(yùn)動(dòng)物體的速度。圖為激光測(cè)速儀原理框圖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入相距為S的兩個(gè)激光器區(qū)間(測(cè)速區(qū)內(nèi))時(shí)，先后遮斷兩個(gè)激光器發(fā)出的激光光束。利用計(jì)數(shù)器記錄主振蕩器在先后遮斷兩激光束的時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)N，即可求得被測(cè)物體的速度，見(jiàn)右式。式中，f為主振蕩器的振蕩頻率。這種激光測(cè)速儀的測(cè)量精度較高，當(dāng)被測(cè)對(duì)象時(shí)速為200Km時(shí)，精度可達(dá)1.5%，時(shí)速為100Km時(shí)，精度為0.8%。圖11-32激光測(cè)速儀方塊原理圖第11章