傳感檢測(cè)技術(shù)

傳感技術(shù)與智能儀器SensingTechnologyandIntelligentInstrument

朱啟兵zhuqib@163.com傳感技術(shù)與智能儀器第13章傳感檢測(cè)技術(shù)紅外檢測(cè)1.2超聲檢測(cè)13.113.2激光檢測(cè)13.3微波檢測(cè)13.413.1.1超聲波傳感器的工作原理

13.1.2超聲波傳感器的應(yīng)用

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波傳感器13.1.1超聲波傳感器的工作原理第13章傳感檢測(cè)技術(shù)1.超聲波及其物理性質(zhì)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之間的波圖13.1聲波的頻率界限圖

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的波型超聲波的傳播速度超聲波的反射和折射超聲波的衰減

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)2.超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換縱波-——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?，振幅隨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>

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的波型

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?？烧J(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％。

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的傳播速度氣體和液體固體圖13.2超聲波的反射和折射

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的反射和折射和波形轉(zhuǎn)換

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)。

超聲波的衰減和超聲波的頻率和材料的介質(zhì)密度有關(guān)。第13章傳感檢測(cè)技術(shù)固體和液體的介質(zhì)密度大，故衰減也大。頻率高，衰減也大壓電式超聲波傳感器

磁致伸縮式超聲波傳感器13.1.2超聲波傳感器的工作原理第13章傳感檢測(cè)技術(shù)

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。

壓電式超聲波傳感器第13章傳感檢測(cè)技術(shù)圖13.3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)壓電式超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十W／cm2。

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。磁致伸縮式超聲波傳感器第13章傳感檢測(cè)技術(shù)磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千W／cm2，能耐較高的溫度。超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)物位超聲波測(cè)流量超聲波探傷

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)13.1.2超聲波傳感器的應(yīng)用圖13.4脈沖回波法檢測(cè)厚度工作原理第13章傳感檢測(cè)技術(shù)(d)

(c)

(b)

(a)

圖13.5幾種超聲波檢測(cè)物位工作原理

超聲波測(cè)物位液體中有其他成分的存在及溫度的不均勻都會(huì)使超聲波速度發(fā)生變化，引起測(cè)量的誤差，故在精密測(cè)量時(shí)，要考慮采取補(bǔ)償措施第13章傳感檢測(cè)技術(shù)

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

圖13.6超聲波測(cè)流體流量工作原理

超聲波測(cè)流量第13章傳感檢測(cè)技術(shù)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。超聲波探傷第13章傳感檢測(cè)技術(shù)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缺陷，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。圖13.7穿透法探傷原理

穿透法探傷第13章傳感檢測(cè)技術(shù)當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)出來。圖13.8一次脈沖反射法探傷原理一次脈沖反射法第13章傳感檢測(cè)技術(shù)由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大??；由缺陷波的形狀，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。圖13.9多次脈沖反射法探傷原理第13章傳感檢測(cè)技術(shù)多次脈沖反射法第13章傳感檢測(cè)技術(shù)13.2紅外傳感器紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器。紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類振動(dòng)過程是物體受熱而引起的，只有在絕對(duì)零度(-273.16℃)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以在絕對(duì)零度時(shí)，沒有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（－273℃），就會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。溫度愈低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長(zhǎng)，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。

紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長(zhǎng)的乘積。一、紅外輻射第13章傳感檢測(cè)技術(shù)第13章傳感檢測(cè)技術(shù)物體溫度與輻射功率的關(guān)系斯蒂芬-玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律即：物體輻射強(qiáng)度W與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比

式中：W——單位面積輻射功率，W·mσ；

σ——斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T——熱力學(xué)溫度，K；

ε——比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。第13章傳感檢測(cè)技術(shù)任何溫度下能全部吸收任何波長(zhǎng)輻射的物體稱為黑體，即ε＝1黑體的熱輻射能力比其他物體強(qiáng)一般物體的ε<1，即：不能全部吸收投射到它表面的輻射功率，發(fā)射熱輻射的能力也小于黑體，稱為灰體黑體是理想物體一般物體雖不等于黑體，但輻射強(qiáng)度與熱力學(xué)溫度的四次方成正比物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯地增強(qiáng)第13章傳感檢測(cè)技術(shù)維恩維移定律

紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。第13章傳感檢測(cè)技術(shù)

二、紅外探測(cè)器

1.熱探測(cè)器

熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測(cè)量物理參數(shù)的變化來確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，約10-3s量級(jí)。任何波長(zhǎng)的紅外輻射，只要功率相同，對(duì)物體的加熱效果也相同熱敏探測(cè)器對(duì)各種輻射波長(zhǎng)有基本相同的響應(yīng)，光譜響應(yīng)曲線平坦，響應(yīng)波段寬測(cè)量波長(zhǎng)范圍內(nèi)靈敏度基本不變，且能在常溫下工作——也稱“無選擇性紅外探測(cè)器”熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。第13章傳感檢測(cè)技術(shù)光子探測(cè)器是一種半導(dǎo)體器件，其核心是光敏元件光子投射到光敏元件上時(shí)，促使電子-空穴對(duì)分離產(chǎn)生電信號(hào)光電效應(yīng)產(chǎn)生速度很快光電探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間要比熱敏探測(cè)器快得多最短可達(dá)納秒

2.光子探測(cè)器第13章傳感檢測(cè)技術(shù)第13章傳感檢測(cè)技術(shù)光子探測(cè)器的波長(zhǎng)范圍一般不變對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)率存在峰值λp，超過λp時(shí)響應(yīng)曲線迅速截止

圖中曲線2

原因是在大于一定波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，光子儲(chǔ)量不足以激發(fā)電子的釋出，電活性消失光子探測(cè)器以光子為單元起作用光子探測(cè)器必須在低溫下才能工作第13章傳感檢測(cè)技術(shù)3.紅外檢測(cè)應(yīng)用運(yùn)用斯蒂芬-玻爾茨曼定律可進(jìn)行輻射溫度測(cè)量被測(cè)物的輻射線經(jīng)物鏡聚焦在受熱板——人造黑體上人造黑體通常采用涂黑的鉑片，吸熱后溫度升高該溫度被裝在受熱板上的熱敏電阻或熱電偶所測(cè)到被測(cè)物通常為ε<1的灰體以黑體輻射作為定標(biāo)基準(zhǔn)，已知被測(cè)物ε值，就可求出被測(cè)物溫度(1)輻射溫度計(jì)

第13章傳感檢測(cè)技術(shù)若灰體輻射的總能量全部被黑體吸收，則它們的總能量相等，即：

式中：ε——被測(cè)物的比輻射率；

ε0——黑體的比輻射率，ε0=1；

T——被測(cè)物溫度；

T0——黑體溫度；

σ——斯蒂芬—玻爾茨曼常數(shù)。由此可得第13章傳感檢測(cè)技術(shù)(2)紅外測(cè)溫

輻射溫度計(jì)多用于800℃以上的高溫測(cè)量紅外測(cè)溫是指低溫及紅外光范圍的測(cè)溫第13章傳感檢測(cè)技術(shù)熱敏電阻接在電橋的一個(gè)橋臂上信號(hào)經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)輸出，放大后進(jìn)行顯示或記錄光柵盤是兩塊扇形的光柵片——定片和動(dòng)片動(dòng)片受光柵調(diào)制電路控制

按一定的頻率雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(光透過)和關(guān)(光不透過)，使入射光被調(diào)制成具有一定頻率的輻射信號(hào)作用于光敏探測(cè)器上紅外測(cè)溫裝置的測(cè)溫范圍為0～700℃，時(shí)間常數(shù)為4ms~8ms(2)紅外測(cè)溫

被測(cè)物的熱輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光柵盤上，被調(diào)制成一定頻率的光能入射到熱敏電阻探測(cè)器上第13章傳感檢測(cè)技術(shù)被動(dòng)式人體移動(dòng)檢測(cè)儀第13章傳感檢測(cè)技術(shù)