第9章輻射以及波式傳感器

第9章波式和輻射式傳感器9.1超聲波的物理特性9.2超聲波傳感器及其應(yīng)用9.3微波傳感器及其應(yīng)用9.4紅外傳感器9.5核輻射傳感器

9.1.1超聲波的物理特性波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16Hz的機(jī)械波超聲波：高于2×104Hz的機(jī)械波微波：頻率在3×108~3×1011Hz之間的波聲波的頻率界限圖

超聲波的波型

縱波-——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播；

橫波——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；

表面波——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深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形（其長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

超聲波的傳播速度

縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900～1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90％。

9.1.3超聲波的反射和折射

超聲波的反射和折射

9.1.4超聲波的衰減

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。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：式中:

、

——

聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；

、

——

聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；

——

聲波與聲源間的距離；

——

衰減系數(shù)。

9.2超聲波傳感器及其應(yīng)用

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來(lái)。

壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖

磁致伸縮式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來(lái)工作的。磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)（即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來(lái)。超聲波傳感器的應(yīng)用脈沖回波法檢測(cè)厚度工作原理超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)物位(d)

(c)

(b)

(a)

幾種超聲波檢測(cè)物位工作原理

超聲波測(cè)流量

超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。時(shí)差法測(cè)流量

相位差法測(cè)流量

頻率差法測(cè)流量

超聲波測(cè)流體流量工作原理

超聲波探傷

穿透法探傷：穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來(lái)判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。

反射法探傷：

反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來(lái)探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。穿透法探傷

優(yōu)點(diǎn)：指示簡(jiǎn)單，適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測(cè)薄板。缺點(diǎn)：探測(cè)靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無(wú)缺陷，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。穿透法探傷原理

一次脈沖反射法

一次脈沖反射法探傷原理多次脈沖反射法

多次脈沖反射法探傷原理9.3微波傳感器及其應(yīng)用微波作為一種電磁波，具有電磁波的所有性質(zhì)微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)某些物理量的器件或裝置微波傳感器是一種新型非接觸式測(cè)量傳感器

微波是波長(zhǎng)為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段。微波特點(diǎn)：需要定向輻射裝置；遇到障礙物容易反射；繞射能力差；傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、灰塵等的影響較??；介質(zhì)對(duì)微波的吸收大小與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，如水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。

微波傳感器的測(cè)量原理及分類原理：由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。分類：分為反射式和遮斷式兩類。微波傳感器的原理和組成

1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、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(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。微波傳感器的組成微波傳感器通常由微波發(fā)生器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。

1.微波發(fā)生器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。

2、微波天線

由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線有喇叭形、拋物面形、介質(zhì)天線與隙縫天線等。喇叭形天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)管與空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線使微波發(fā)射方向性得到改善。

常用的微波天線扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線

3.微波檢測(cè)器電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件可用種類較多（半導(dǎo)體PN結(jié)元件、隧道結(jié)元件等），根據(jù)使用情形選用。微波傳感器的特點(diǎn)

一種新型的非接觸傳感器。①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm~1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口。⑤傳輸距離遠(yuǎn)，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；

⑥微波無(wú)顯著輻射公害。缺點(diǎn)：微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果影響大，如溫度、氣壓、取樣位置等。微波傳感器的應(yīng)用

微波液位計(jì)微波濕度傳感器水分子是極性分子。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（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)特性可用水分子自身介電常數(shù)ε來(lái)表征，即ε=ε′+αε″ε′與ε″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，其ε′在1～5范圍內(nèi)，而水的ε′則高達(dá)64，因此如果材料中含有少量水分子時(shí)，其復(fù)合ε′將顯著上升，ε″也有類似性質(zhì)。使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。

酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖微波輻射計(jì)（溫度傳感