第十章波式傳感器

第十章波式傳感器第一頁，共八十八頁，2022年，8月28日引言超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個物理過程來完成的。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速測量、超聲顯微鏡及超聲成像等。第二頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波及其物理性質(zhì)1超聲波傳感器的原理2超聲波傳感器應(yīng)用3第三頁，共八十八頁，2022年，8月28日10.1超聲波及其物理性質(zhì)1、超聲波的概念和波形機械振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱為波。人能聽見聲音的頻率為20Hz～20kHz，即為聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為次聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強10.1.1超聲波的基本概念第四頁，共八十八頁，2022年，8月28日圖10-1聲波的頻率界限圖當超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。第五頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波的波型及其傳播速度

聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：

①縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；

②橫波：質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；

③表面波：質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。第六頁，共八十八頁?022年，8月28日超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；

Ba——絕對壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，使超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。第七頁，共八十八頁，2022年，8月28日0～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化第八頁，共八十八頁，2022年，8月28日從表可見，蒸餾水溫度在0～100℃范圍內(nèi)，聲速隨溫度的變化而變化，在74℃時達到最大值，大于74℃后，聲速隨溫度的增加而減小。此外，水質(zhì)、壓強也會引起聲速的變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。氣體中縱波聲速為344m/s，液體中縱波聲速在900～1900m/s。第九頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波的反射和折射

聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射,另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。第十頁，共八十八頁，2022年，8月28日由物理學(xué)知，當波在界面上產(chǎn)生反射時，入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當波在界面處產(chǎn)生折射時，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，即第十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強；

α、β——分別為聲波的入射角和折射角；

z1、z2——分別為兩介質(zhì)的聲阻抗。第十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日當超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則可知，若z2≈zc1，則反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質(zhì)透射入第二介質(zhì)；若z2>>z1,反射系數(shù)R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。同理，當z1>>z2時，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。如：在20℃水溫時，水的特性阻抗為z1=1.48×106kg/(m2·s),空氣的特性阻抗為z2=0.000429×106kg/(m2·s),z1>>z2,故超聲波從水介質(zhì)中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。第十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波的聲速和波長（1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度ρ和聲速c的乘積，即Z=ρc

（2）波長超聲波的波長λ與頻率f乘積恒等于聲速c，即λ

f=c

第十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日常用材料的密度、聲阻抗與聲速（0℃）材料密度ρ(103kg·m-1)聲阻抗Z（103MPa·s-1）縱波聲速cL（km/s）橫波聲速cs（km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92—水（20℃）1.01.481.48—油0.91.281.4—空氣0.00130.00040.34—第十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波的指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而減小。1—超聲源2—軸線3—指向角4—等強度線第十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日指向角θ與超聲源的直徑D、以及波長λ之間的關(guān)系為 sinθ=1.22λ/D

設(shè)超聲源的直徑D=20mm，射入鋼板的超聲波（縱波）頻率為5MHz，則根據(jù)式（可得θ=4o，可見該超聲波的指向性是十分尖銳的。第十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波的衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時，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散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強；

x——聲波與聲源間的距離；

α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。第十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散衰減，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。

散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時，固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波產(chǎn)生散射，其中一部分聲能不再沿原來傳播方向運動，而形成散射。散射衰減與散射粒子的形狀、尺寸、數(shù)量、介質(zhì)的性質(zhì)和散射粒子的性質(zhì)有關(guān)。

吸收衰減是由于介質(zhì)粘滯性，使超聲波在介質(zhì)中傳播時造成質(zhì)點間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱傳導(dǎo)進行熱交換，導(dǎo)致聲能的損耗。第十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日10.2超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。第二十頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波探頭主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護膜、引線等組成。壓電晶片多為圓板形，厚度為δ。超聲波頻率f與其厚度δ成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是降低晶片的機械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當激勵的電脈沖信號停止時，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。第二十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日第二十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日第二十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日雙晶直探頭由兩個單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲波信號的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。第二十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30°、45°等）的有機玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強的阻尼吸收塊覆蓋。當斜楔塊與不同材料的被測介質(zhì)（試件）接觸時，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計算求得。第二十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日第二十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日聚焦探頭分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭，是一種很有發(fā)展前途的新型探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波，也可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，還可利用類似光學(xué)反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。如果將雙晶直探頭的延遲塊按上述方法加工，也可具有聚焦功能。第二十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日箔式探頭利用壓電材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高分子薄膜，制作出的薄膜式探頭稱為箔式探頭，可以獲得0.2mm直徑的超細聲束，用在醫(yī)用CT診斷儀器上可以獲得很高清晰度的圖像。第二十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日空氣傳導(dǎo)型探頭超聲探頭的發(fā)射換能器和接收換能器一般是分開設(shè)置的，兩者結(jié)構(gòu)也略有不同，發(fā)射器的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，以提高發(fā)射效率和方向性。接收器在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以濾除噪聲，提高接收效率?？諝鈧鲗?dǎo)的超聲發(fā)射器和接收器的有效工作范圍可達幾米至幾十米。第二十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日1—外殼2—金屬絲網(wǎng)罩3—錐形共振盤4—壓電晶體片

5—引腳6—阻抗匹配器7—超聲波束第三十頁，共八十八頁，2022年，8月28日第三十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波探頭耦合劑一般不能直接將其放在被測介質(zhì)表面來回移動，以防磨損?？諝獾拿芏群苄?，將引起3個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對超聲波造成很大的衰減。常用的耦合劑有水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。第三十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日10.3超聲波傳感器應(yīng)用超聲波物位傳感器

超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對物位進行測量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個換能器擔任。第三十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖(a)超聲波在液體中傳播；(b)超聲波在空氣中傳播第三十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則式中：h——換能器距液面的距離；

c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。第三十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日對于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點到換能器的距離；

a——兩換能器間距之半。第三十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。第三十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日第三十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波測厚傳感器

超聲波測厚常用脈沖回波法。超聲波探頭與被測物體表面接觸。主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經(jīng)電流放大后激勵壓電式探頭，以產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。脈沖波傳到被測工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速υ是已知的，設(shè)工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔t可以測量，因此可求出工件厚度為δ=υt/2第三十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日環(huán)境考慮因素氣流外部噪音溫度作用傳感器被污染目標物體第四十頁，共八十八頁，2022年，8月28日氣流氣流會造成聲波的偏轉(zhuǎn)折射目標物體Sensor第四十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日外部噪音第四十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日溫度作用冷低溫環(huán)境會降低聲波的傳播速度高溫環(huán)境會提高聲波的傳播速度3cm3cm3cm3cm熱第四十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日傳感器被污染異物的聚集作用*導(dǎo)致弱信號輸出*導(dǎo)致無反射信號注意: 盡管傳感器被污染也是一個需要考慮的因素，但超聲波傳感器仍然能夠在充滿異物的操作環(huán)境中，卓越的完成傳感監(jiān)測工作。第四十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日目標物體材料目標表面粗糙的目標表面會對聲波有散射作用如目標物體是柔軟或海面狀的，反射信號是最小值。33cm3cm3第四十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日目標形狀-目標物體上的突起會對聲波有散射作用33cm3cm3第四十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日目標大小小型目標物體只能反射部分聲波1cm13cm第四十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日由于超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀、物位測量儀等。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用的是反射式檢測方式。即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波后就立即停止計時。超聲波在空氣中傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s。即：s=340·t/2，這就是所謂的時間差測距法。

超聲波測距儀的設(shè)計第四十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日第四十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮：(1)如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。

(2)工作頻率越高，對相同尺寸的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辯識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。(3)從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。第五十頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波測距儀的總體設(shè)計方案超聲波發(fā)射頭超聲波接收頭振蕩電路驅(qū)動電路波形變換放大電路控制處理單元顯示電源部分發(fā)射電路接收電路控制部分電源部分第五十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

超聲波發(fā)射電路主要由振蕩電路、驅(qū)動電路和超聲波發(fā)射頭組成。振蕩電路產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40kHz頻率信號。由于超聲波振子也有約2000PF的電容，有充放電電流流通，因此，采用驅(qū)動電路增大驅(qū)動電流，有效驅(qū)動超聲波振子發(fā)送超聲波。使用方波進行驅(qū)動時，由于振子的諧振作用，也變?yōu)檎也ㄟM行發(fā)送。振蕩電路可用555產(chǎn)生占空比可調(diào)的40kHz方波信號。超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅(qū)動電路第五十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日振蕩電路部分驅(qū)動電路部分控制電路部分第五十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日

本電路中采用555定時器構(gòu)成振蕩電路，2腳（6腳）及地之間的電容不斷的進行充、放電，導(dǎo)致555時基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高電平與低電平，輸出波形為近似矩形波，此電路也稱為自激多諧振蕩器。第五十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日555多諧振蕩器的基本電路如圖所示。電路初次通電時，由于電容C兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，555時基電路置位，即3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時正電源VDD通過電阻R1、R2向電容C充電，使C兩端電壓不斷升高，約經(jīng)時間tH，C兩端電壓即閾值端（6腳）電平升至2VCC/3時，555時基電路翻轉(zhuǎn)復(fù)位，3腳輸出低電平，同時內(nèi)部放電晶體管導(dǎo)通，7腳也為低電平，此時電容C儲存電荷將通過R2向7腳放電，使C兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng)tL時間，電壓降至VCC/3時，555時基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳又輸出高電平，7腳再次被懸空，正電源又通過R1,R2向C充電，如此周而復(fù)始，電容C不斷處于充電與放電狀態(tài)，電路引起振蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平。第五十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

555多諧振蕩電路的脈沖寬度TL由電容C的放電時間來決定：

TL≈0.7R2CTH由電容C的充電時間來決定：TH≈0.7（R1+R2）C輸出振蕩信號的周期為：

T=TL+TH頻率為：輸出脈沖占空比為：占空比：正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。第五十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日若調(diào)整可調(diào)電阻VR1，可改變輸出矩形波的頻率和占空比。當調(diào)整VR1使得輸出為40kHz時，由于（VR1+R2）>>R3，輸出波形占空比約為50%，為近似理想對稱方波。555的強制復(fù)位端4腳由另一個555低頻振蕩器的輸出取反后控制。第五十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日ControlIC2組成超聲波載波信號發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出約1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止約70ms。第五十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

本電路采用CMOS六反相器CD4069構(gòu)成驅(qū)動電路，為了增大驅(qū)動電流，可以采用CD4069中兩個甚至三個方向器并聯(lián)的方式實現(xiàn)。第五十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日CD4069由于超聲波傳感器具有高阻特性，其正常工作時需要一定的驅(qū)動電流，而每個反相器的輸出電流（負載能力）是一定的。兩個并聯(lián)，輸出電流加倍，驅(qū)動能力提高。第六十頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波接收電路的基本工作原理超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。由于經(jīng)接收頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號需要變換為直流信號以判斷是否有回波及回波的大小。

超聲波接收頭波形變換放大電路第六十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波接收電路圖放大電路1檢波電路放大電路2接收部分比較輸出第六十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)IC4的2級放大1000倍（60dB），第1級放大100倍（40dB），第2級放大10倍（20dB）。

用R10和R11進行分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。

第六十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進行處理。檢波電路作用：檢出反射脈沖信號的直流電壓以判斷有無反射信號。

第六十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日電容的作用1）旁路旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。第六十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日2）去耦去耦，又稱解耦。從電路來說，總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負載。如果負載電容比較大，驅(qū)動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作。這就是耦合。

去耦電容就是起到一個電池的作用，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。第六十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日3）濾波從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。第六十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日第六十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日第六十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在300～300000MHz(相應(yīng)的波長為100～0．1cm)在300MHz至300GHz之間．它具有波動性、高頻性、熱特性和非熱特性四大基本特性。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量為199×l0-25～1．99×10-22j．它與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)。微波能夠透射到生物組織內(nèi)部使偶極分子和蛋白質(zhì)的極性側(cè)鏈以極高的頻率振蕩，引起分子的電磁振蕩等作用，增加分子的運動，導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。微波還能夠?qū)滏I、疏水鍵和范德華產(chǎn)生作用，使其重新分配，從而改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象與活性。生物體的非熱特性一生物效應(yīng)是微波的重要特性之一，它已成為醫(yī)學(xué)、細胞學(xué)等方面研究的一個重要方面，同時它也能為微波理療或微波手術(shù)等方面提供理論依據(jù)隨著人們對微波加熱技術(shù)認識的深入，它已引起了許多科學(xué)工作者的關(guān)注，并在一些方面進行了深入而廣泛的研究。微波傳感器第七十頁，共八十八頁，2022年，8月28日概述：微波傳感器是利用微波特性來檢測一些物理量的器件。包括感應(yīng)物體的存在，運動速度，距離，角度信息。第七十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日微波傳感器--原理：由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收通過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理，就實現(xiàn)了微波檢測。

第七十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

微波傳感器主要由微波振蕩器和微波天線組成。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需用波導(dǎo)管傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有一致的方向性，天線應(yīng)具有特殊的構(gòu)造和形狀。第七十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日二、微波傳感器及其分類微波傳感器就是指利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路后，即可顯示出被測量，從而實現(xiàn)微波檢測過程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。第七十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日1、反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測物的位置、位移、厚度等參數(shù)。2、遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置與含水量等參數(shù)。第七十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日微波傳感器的優(yōu)點及存在的問題1、優(yōu)點實現(xiàn)非接觸測量測量速度、靈敏度高能在惡劣環(huán)境條件下檢測輸出信號可以調(diào)制在載頻信號上進行發(fā)射與接收，便于實現(xiàn)遙測與遙測2、微波傳感器存在的問題微波傳感器的主要問題是零點漂移和標定問題，這尚未得到很好的解決。其次，使用的時候外界因素影響比較多，如溫度、氣壓，取樣位置等。第七十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日微波傳感器的應(yīng)用1、微波濕度（水分）傳感器酒精含水量測量儀框圖

MS

A1

A2

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T2

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含水酒精不含水酒精第七十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日授課教師：王

翥2、微波液位計

微波液位計

微波發(fā)射天線

微波接收天線

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第七十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日3、微波物位計

微波發(fā)射天線

微波接收天線

振蕩器

電源

被測對象

前置放大器

放大器

電壓比較器

第七十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日射線式傳感器

測量原理利用核輻射粒子的電離作用、穿透能力、物體吸收、散射和反射等物理特性工作的傳感器。可用來測量物質(zhì)的密度、厚度，分析氣體成分，探測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，它是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要部分。

第八十頁，共八十八頁，2022年，8月28日1、核輻射源—放射性同位素

在核輻射傳感器中，常采用α、β、γ和X射線的核輻射源，產(chǎn)生這些射線的物質(zhì)通常是放射性同位素。

放射性同位素的特點：在沒有外力作用下能自動發(fā)生衰變，并釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：式中J、J0分別為t和t0時刻的輻射強度，λ為衰變常數(shù)。核輻射檢測要采用半衰期比較長的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半所需要的時間，這個時間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測除了要求使用半衰期比較長的同位素外，還要求放射出來的射線要有一定的輻射能量。第八十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日2）核輻射與物質(zhì)的相互作用——核輻射線的吸收、散射和反射α、β、γ射線穿透過物質(zhì)程中，一部分粒子能量被物質(zhì)吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰減規(guī)律為式中J、J0分別為射線穿透物質(zhì)前、后的輻射強度，h為穿透物質(zhì)的厚度，ρ為物質(zhì)的密度，am為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。三種射線中，γ射線穿透能力最強，β射線次之，α射線最弱，γ射線的穿透厚度比α、β要大得多。β射線穿透物質(zhì)時容易產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當產(chǎn)生相反方向散射時，即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。反射的大小與反射物質(zhì)的厚度關(guān)系為：

式中：Jh—反射物質(zhì)厚度為h(mm)時，放射線被反射的強度；

Jm—當h趨向無窮大時的反射強度，Jm與原子序數(shù)有關(guān)；

μh—輻射能量的常數(shù)。當J0、am、Jm、μh、ρ等已知后，只要測出J或Jh就可求出其穿透厚度h。第八十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日電離作用當具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)時，在它們經(jīng)過的路程上就會產(chǎn)生電離作用，形成許多離子對，電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。

α粒子（射線）由于能量、質(zhì)量和帶電量大，故電離作用最強，但射程(帶電粒子在物質(zhì)中穿行時、能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離)較短。

β粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。

γ粒子幾乎沒有直接的電離作用。

第八十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日核輻射傳感器

核輻射與物質(zhì)的相互作用是核輻射傳感器檢測物理量的基礎(chǔ)。利用電離、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射線的特性可以檢測多種物理量。常用電離室、氣體放電計數(shù)管、閃爍計數(shù)器和半導(dǎo)體檢測核輻射強度，分析氣體，鑒別各種粒子等。

1)電離室如圖，在電離室兩側(cè)的互相絕緣的電極上，施加極化電壓，使兩極板間形成電場。在射線作用下，兩極板間的氣體被電離，形成正離子和電子，帶電粒子在電場作用下定向運動形成電流I，在外