新傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

1、第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-161 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傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-162 7.1 7.1 超聲波傳感

2、器超聲波傳感器 次聲波頻率次聲波頻率低于低于20Hz20Hz的聲的聲 波，人耳聽不到，但可與人波，人耳聽不到，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人們聽到的人們聽到的聲音聲音是由是由物體振動(dòng)物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的產(chǎn)生的，它的 頻率在頻率在20 20kHz范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張

3、玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-163 2 2、可聞聲波、可聞聲波 頻率頻率在在20Hz20kHz的聲波的聲波 美妙的音樂能使人陶醉美妙的音樂能使人陶醉 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-164 3.3.超聲波超聲波 超聲波：超聲波：頻率頻率超過超過20kHz的聲波。的聲波。 超聲波超聲波人耳感覺不到人耳感覺不到，但許多動(dòng)物，但許多動(dòng)物 都能感受到，如都能感受到，如海豚、蝙蝠海豚、蝙蝠以及某些以及某些 昆蟲

4、昆蟲，都能很好地感受可發(fā)出超聲波。，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： 47 1 101 10HzHz 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-165 u超聲波對(duì)液體、固體的超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很穿透能力很 強(qiáng)強(qiáng)，尤其是對(duì)不透光的固體，它可以，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

5、，具有能量集中的特點(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)生超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生反反 射、折射和波形變換射、折射和波形變換等現(xiàn)象。正是因等現(xiàn)象。正是因 為超聲為超聲 波的這些特性，在工業(yè)、國波的這些特性，在工業(yè)、國 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，其波長短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，傳播能量集中，波長短，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 超聲波在傳播過程中超聲波在傳播過程中衰減很小衰減很小。在傳播過程中，遇到不同的媒介

6、，大部分。在傳播過程中，遇到不同的媒介，大部分 能量能量 會(huì)被會(huì)被反射回來反射回來； 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-166 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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-167

7、質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)振動(dòng)方向與波的方向與波的傳播傳播方向方向一致一致的波稱為縱波的波稱為縱波。 縱波能在縱波能在固體、液體和氣體中傳播。固體、液體和氣體中傳播。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-168 橫波橫波質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)振動(dòng)方向與波的方向與波的傳播傳播方向方向垂直垂直的波稱為橫波。的波稱為橫波。 橫波只能在橫波只能在固體中傳播固體中傳播。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 97

8、8-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-169 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，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?，振?隨深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，只能在隨深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，只能在固體固體 中傳播中傳播。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1610 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

9、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，稱為中，稱為反射波反射波； 另一部分能透過界面，另一部分能透過界面， 在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播 稱為稱為折射波折射波。 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超聲波反射與折射超聲波反射與折射 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1611 1. 傳播速度 超聲波的傳

10、播速度與超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也有關(guān)，也 與環(huán)境條件有關(guān)。與環(huán)境條件有關(guān)。 對(duì)于對(duì)于液體液體，其傳播速度，其傳播速度c c為為 1 g c B （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) 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1612 在在氣體氣體中，傳播速度與氣體中，傳播速度與氣體種類、壓力及溫度種類、壓力及溫度有關(guān)，有關(guān)， 在空氣中傳播速度在空氣中傳播速度c c為為 3

11、31.50.607 (/ )ct m s （7-2） 對(duì)對(duì)固體固體，其傳播速度，其傳播速度c c為為 （7-3） 環(huán)境環(huán)境 溫度溫度 (1) (1)(12 ) E c 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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1613 2. 反射定律 入射角入射角的正弦與的正弦與反射角反射角的正弦之比等于入射波所處介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

12、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。 1 sin sin c c 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1614 3折射定律 入射角入射角的正弦與的正弦與折射角折射角的正弦之比等于超聲波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） 2 sin

13、 sin C C 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。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1615 4. 透射率與反射率 超聲波從第一介質(zhì)超聲波從第一介質(zhì)垂直入射垂直入射到第二介質(zhì)中時(shí)，透射聲壓與入射聲到第二介質(zhì)中時(shí)，透射聲壓與入射聲 壓之比稱為壓之比稱為透射率透射率。而反射聲壓與入射聲壓之比稱為。而反射聲壓與入射

14、聲壓之比稱為反射率反射率。 有理論和實(shí)驗(yàn)得知，超聲波從有理論和實(shí)驗(yàn)得知，超聲波從密度小密度小的介質(zhì)入射到的介質(zhì)入射到密度大密度大的介質(zhì)的介質(zhì) 時(shí)，時(shí)，透射率較大透射率較大，反射率也較大反射率也較大。例如，超聲波從水中入射到鋼。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

15、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。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1616 5. 超聲波在介質(zhì)中的衰

16、減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的散射或漫射及吸收散射或漫射及吸收等會(huì)導(dǎo)致能量的衰減，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)度為I I0 0，通過厚度為，通過厚度為的介質(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

17、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，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) A eII 0 圖圖7-2 7-2 超聲波能量的衰減超聲波能量的衰減 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)

18、技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1617 7.1.2 超聲波換能器及耦合技術(shù) 超聲波換能器又稱超聲波換能器又稱超聲波探頭超聲波探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不 同，分為同，分為壓電式壓電式、磁致伸縮式、電磁式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。在檢測(cè)技術(shù)中主等數(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)探頭頭、雙探頭、表面探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以以 及其它專用探頭等。及其它專用探頭等

19、。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1618 1. 以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的探頭 用于用于固體介質(zhì)固體介質(zhì)的單晶直探頭的單晶直探頭 （俗稱直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖（俗稱直探頭）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

20、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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1619 雙晶直探頭雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖的結(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

21、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)晶片下方增設(shè)延遲塊延遲塊，使超聲波的，使超聲波的發(fā)射發(fā)射 和接受互不干擾和接受互不干擾。在雙探頭中，一只壓。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 電路卻較為簡單。電路卻較為簡單。 圖圖7-3b7-3b 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與

22、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1620 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1621 有時(shí)為了使超聲波能有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射傾斜入射 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

23、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)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， 折射角可通過計(jì)算求得。折射角可通過計(jì)算求得。 圖圖7-3c7-3c 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1622 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技

24、術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1623 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1624 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1625 2. 耦合劑 在圖在圖7-37-3中，無論

25、是直探頭還是斜探頭，一般不能直接中，無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）來回移動(dòng)，將其放在試件表面（特別是粗糙金屬表面）來回移動(dòng)， 以防探頭磨損以防探頭磨損。更重要的是，由于超聲探頭與被測(cè)物。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物體表面間必然存在一層空氣薄層空氣薄層。由于空氣的密度。由于空氣的密度 很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)界面間很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波強(qiáng)烈的雜亂反射波， 造成嚴(yán)重的造成嚴(yán)重的測(cè)量干擾測(cè)量干擾，而且空氣還會(huì)

26、造成超聲波的嚴(yán)，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重衰減。因此必須將接觸面之間的空氣排擠掉空氣排擠掉，使超，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。 在工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一種稱為在工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑耦合劑的液體物質(zhì)，的液體物質(zhì)， 使之充滿在接觸層中，起到使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波傳遞超聲波的作用。常用的作用。常用 的耦合劑有的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿 糊糊等。根據(jù)不同的被測(cè)介質(zhì)而選定。耦合劑的厚度應(yīng)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

27、減小耦合損耗。該盡量薄一些，以減小耦合損耗。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1626 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設(shè)置射器和接受器一般是分開設(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)簡圖。發(fā)射器上的

28、壓電的結(jié)構(gòu)簡圖。發(fā)射器上的壓電 片上粘貼了一只錐形共振盤，片上粘貼了一只錐形共振盤， 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 共振盤上還增加了一只阻抗匹共振盤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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1627 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件

29、 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1628 7.1.3 超聲波傳感器的應(yīng)用 根據(jù)超聲波的走向來看，超聲波傳根據(jù)超聲波的走向來看，超聲波傳 感器的應(yīng)用有兩種基本類型，如圖感器的應(yīng)用有兩種基本類型，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)，這種類器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類 型稱為型稱為透射型透射型，如圖，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

30、、接近開關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā)報(bào)警器、接近開關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā) 生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類 型稱為型稱為反射型反射型，如圖，如圖7-5b7-5b所示。反所示。反 射型的典型應(yīng)用有：接近開關(guān)、距射型的典型應(yīng)用有：接近開關(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)用兩種基本類型超聲波應(yīng)用兩種基本類型 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮

31、978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1629 1.超聲波探傷 超聲波探傷是超聲波探傷是無損探傷無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它 主要用于檢測(cè)主要用于檢測(cè)金屬板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的金屬板材、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、材料的晶缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、材料厚度、材料的晶 粒粒等，配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)估。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、

32、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 的不同分為的不同分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。下面等。下面 分別給予介紹。分別給予介紹。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1630 （1）縱波探傷法 測(cè)試前，先將探頭插入探傷

33、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. . 工件中沒有缺陷，則超聲波傳播到工件中沒有缺陷，則超聲波傳播到 工件底部便產(chǎn)生反射，在熒光屏上工件底部便產(chǎn)生反射，在熒光

34、屏上 只產(chǎn)生開始脈沖只產(chǎn)生開始脈沖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) 開始脈沖開始脈沖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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1631 高職高專

35、傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1632 （2）橫波探傷法 用用斜探頭斜探頭進(jìn)行探傷的方法稱進(jìn)行探傷的方法稱橫波探傷法橫波探傷法。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是： 超聲波超聲波波束中心線與缺陷截面積波束中心線與缺陷截面積垂直垂直時(shí)時(shí)，探測(cè)靈敏度探測(cè)靈敏度最高最高。如遇到。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， 但但并不能真實(shí)反

36、映缺陷的大小并不能真實(shí)反映缺陷的大小。如用斜探頭探測(cè)，探傷的效果良好。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，則應(yīng)該采用不同種類的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。探傷質(zhì)量，則應(yīng)該采用不同種類的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。 圖圖7-77-7 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張

37、玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1633 （3）表面波探傷法 表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷表面附近的缺陷存在與否，如圖存在與否，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一定值后，折射角超過一定值后，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)稱為表面波。當(dāng)工件表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為表面波。當(dāng)工件 表面存在缺陷時(shí)，表面波被反

38、射回探頭，可在熒光屏上顯示出來。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。 圖圖7-8 7-8 表面波探傷表面波探傷 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1634 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， 分別安裝分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接受探頭兩對(duì)超聲波發(fā)射和接受探頭（F F1 1，T T1 1）、（）、（F F

39、2 2，T T2 2），其中），其中 （F F1 1，T T1 1）的超聲波是）的超聲波是順流傳播順流傳播的，而（的，而（F F2 2，T T2 2）的超聲波是）的超聲波是逆流傳逆流傳 播播的。根據(jù)這兩束波在流體中傳播的的。根據(jù)這兩束波在流體中傳播的速度不同速度不同，采用測(cè)量兩個(gè)接收，采用測(cè)量兩個(gè)接收 探頭上超聲波傳播的探頭上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差和頻率差時(shí)間差、相位差和頻率差等方法可測(cè)出流體的等方法可測(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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)

40、檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1635 （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: : cos 1 vcv cos 2 vcv v 超聲波由反射探頭超聲波由反射探頭F F2 2

41、 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: : 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1636 222 12 cos cot2 cos sin/ cos sin/ vc dv vc d vc d ttt 超聲波順流與逆流傳播的超聲波順流與逆流傳播的時(shí)間差時(shí)間差為為 cot 2 2 c dv t 因?yàn)橐驗(yàn)関 v c c，所以，所以 2 tan 2 c vt d 則體積流量約為則體積流量約為 22 tan 48

42、 V Qd 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)。上述方法被稱為時(shí)間差法。在這現(xiàn)。上述方法被稱為時(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)的速一般隨介質(zhì)的溫度溫度變化而變化，因變化而變化，因 此將造成此將造成溫漂溫漂。 v 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1

43、637 （2）頻率差法 是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控 制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器使用。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、 FF F 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)間的時(shí)間較長較長 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)間的時(shí)間較短較短 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張

44、玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1638 v D fff 2sin 21 超聲波流量計(jì)最大的特點(diǎn)是：超聲波流量計(jì)最大的特點(diǎn)是：探頭可以裝在探頭可以裝在 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性關(guān)系，測(cè)量精度一其輸出基本上與流量成線性關(guān)系，測(cè)量精度一 般可達(dá)到般可達(dá)到1%1%。其價(jià)格與管道的尺寸無關(guān)，因此。其價(jià)格與管道的尺寸無關(guān)，因此 特別適合大口

45、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。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1639 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脈沖反射法進(jìn)行測(cè)厚?？蛇M(jìn)行測(cè)厚。可 以測(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、硬塑料等的厚度。 圖圖7-117-11是超聲波測(cè)厚

46、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，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，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)件體內(nèi)所經(jīng)歷的來回距離，也就代內(nèi)的

47、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)歷的來回距離，也就代 表了厚度值，即表了厚度值，即 1 2 ct 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 理電路趨于簡化，有利與縮小儀表的體理電路趨于簡化，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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自

48、動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1640 4. 超聲波測(cè)密度 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)量室的長度為，根據(jù)的關(guān)系外側(cè)。測(cè)量室的長度為，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

49、播速度c,c,傳播速度與液體的密度傳播速度與液體的密度有關(guān)。有關(guān)。 因此可通過時(shí)間因此可通過時(shí)間t t的大小來反映液體的密的大小來反映液體的密 度。度。 本儀器采用數(shù)字顯示，測(cè)量精度較高，本儀器采用數(shù)字顯示，測(cè)量精度較高， 能連續(xù)在線測(cè)量并能參與給以過程的自能連續(xù)在線測(cè)量并能參與給以過程的自 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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1641 5超

50、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脈沖反射原理，根據(jù)超聲波的，根據(jù)超聲波的往往 返時(shí)間返時(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Ь涂蓽y(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?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

51、速隨溫度變化而變化，這樣會(huì)造成由于溫度變化帶來的測(cè)量誤差，通常稱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的測(cè)量誤差，通常稱之 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 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-2194

52、5-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1642 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1643 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

53、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)象被稱之為上千大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為 “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)生的沖擊波來達(dá)到清洗和中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到

54、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)。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1644 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1645 返回本章目錄返回本章

55、目錄 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1646 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) 微波是波長為微波是波長為1000mm1000mm、頻率頻率300MHz300MHz300GHz300GHz的電磁波的電磁波。它既有電。它既有電 磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)：磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)： 可定向輻射，空間直線傳輸。

56、可定向輻射，空間直線傳輸。 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。 傳輸特性好，傳輸過程中受傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很等影響很 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，被廣泛用于由于微波有以上特性，被廣泛用于液位、物位、厚度及含水量液位、物位、厚度及含水量 的測(cè)量。的測(cè)量。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3

57、傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1647 7.2.2 微波傳感器的工作原理及 其分類 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傳感器就是指利用微波特性來檢測(cè)一些非電量的微波特性來檢測(cè)一些非電量的 器件和裝置器件和裝置。 其原理是：其原理是：由發(fā)射天線發(fā)射出微波，當(dāng)遇到被測(cè)物體由發(fā)射天線發(fā)射出微波，當(dāng)遇到被測(cè)物體 時(shí)將時(shí)將被吸收或反射被吸收或反射，使微波，使微波功率功率發(fā)生變化發(fā)生變化。若利用接。若利用接 受天線接收到通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波，受天線接收到通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波， 將它轉(zhuǎn)換

58、成電信號(hào)，再經(jīng)過信號(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)過程。根據(jù)上述原理，示出被測(cè)量，這就是微波檢測(cè)過程。根據(jù)上述原理， 微波傳感器可分為如下兩類。微波傳感器可分為如下兩類。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1648 2. 微波傳感器的分類 根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類。根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類。 （1 1）反射式微波傳感器）反射式微波傳感器 反射

59、式微波傳感器就是指通過檢測(cè)被測(cè)物反射式微波傳感器就是指通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的反射回來的 微波功率微波功率的大小或的大小或經(jīng)過的時(shí)間間隔經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)物的位來測(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檢測(cè)接收天線接收到的微波遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)接收天線接收到的微波 功率的大小功率的大小，來判斷發(fā)射天線與被測(cè)天線之間有無被，來判斷發(fā)射天線與被測(cè)天線之間有無被 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)物的位置與含水量等參數(shù)。 高職高專傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件 第7章 波式傳感器 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張

60、玉蓮 978-7-111-21945-3 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 張玉蓮 978-7-111-21945-3 2021-6-1649 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，稱之為有源微波傳感器；如果合二為