傳感器與檢測技術(shù)第2版輻射與波式傳感器知識點知識點1

1、第 10 章 幅射與波式傳感器第 10 章 輻射與波式傳感器（知識點）知識點 1紅外傳感器工作原理(1) 紅外輻射紅外輻射是一種人眼不可見的光線，俗稱紅外線， 因為它是介于可見光中紅色光和微波之 間 的 光 線 。 紅 外 線 的 波 長 范 圍 大 致 在0.76 1000 m ， 對 應(yīng) 的 頻 率 大 致 在4 1014 3 1011 H Z 之間，工程上通常把紅外線所占據(jù)的波段分成近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外四個部分。紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體的溫度只要高于絕對零度（ 273），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。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)（

2、輻射能正比于溫度的4 次方）。另一方面，紅外線被物體吸收后將轉(zhuǎn)化成熱能。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。(2) 紅外探測器紅外傳感器是利用紅外輻射實現(xiàn)相關(guān)物理量測量的一種傳感器。紅外傳感器的構(gòu)成比較簡單，它一般是由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號調(diào)節(jié)電路和顯示單元等幾部分組成。其中，紅外探測器是紅外傳感器的核心器件。紅外探測器種類很多，按探測機(jī)理的不同，通?？煞譃閮纱箢悾簾崽綔y器和光子探測器。1) 熱探測器紅外線被物體吸收后將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱探測器正是利用了紅外輻射的這一熱效應(yīng)。當(dāng)熱探測器的敏

3、感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器的主要優(yōu)點：響應(yīng)波段寬， 響應(yīng)范圍為整個紅外區(qū)域，室溫下工作， 使用方便。熱探測器主要有四種類型，它們分別是：熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動型和熱釋電型。在這四種類型的探測器中，熱釋電探測器探測效率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種傳感器發(fā)展得比較快，應(yīng)用范圍也最廣。熱釋電紅外探測器是一種檢測物體輻射的紅外能量的傳感器，是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的。所謂 熱釋電效應(yīng) 就是由于溫度的變化而產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。在外加電場作用下，電介質(zhì)中的帶電粒子（電子、原子核等）將受到電場

4、力的作用，總體上講，正電荷趨向于陰極、負(fù)電荷趨向于陽極，其結(jié)果使電介質(zhì)的一個表面帶正電、相對的表面帶負(fù)電，如圖10.2 所示，把這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的“電極化”。對于大多數(shù)電介質(zhì)來250傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）說，在電壓去除后，極化狀態(tài)隨即消失，但是有一類稱為“鐵電體”的電介質(zhì)，在外加電壓去除后仍保持著極化狀態(tài)。一般而言，鐵電體的極化強(qiáng)度Ps （單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度降低。溫度升高到一定程度，極化將突然消失，這個溫度被稱為“居里溫度”或“居里點”，在居里點以下，極化強(qiáng)度Ps 是溫度的函數(shù)，利用這一關(guān)系制成的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。熱釋電探測器的構(gòu)造是把敏感元件

5、切成薄片，在研磨成5 50m 的極薄片后，把元件的兩個表面做成電極，類似于電容器的構(gòu)造。為了保證晶體對紅外線的吸收，有時也用黑化以后的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。當(dāng)紅外光照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄片上時，引起薄片溫度的升高，使其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）降低，表面的電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫熱釋電型紅外傳感器。釋放的電荷可以用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。如果紅外光繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達(dá)到新的平衡濃度，不再釋放電荷， 也就不再有輸出信號。熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率，不取決于晶體與輻射是否達(dá)到熱平衡。近年來，熱釋電型紅

6、外傳感器在家庭自動化、保安系統(tǒng)以及節(jié)能領(lǐng)域的需求大幅度增加，熱釋電型紅外傳感器常用于根據(jù)人體紅外感應(yīng)實現(xiàn)自動電燈開關(guān)、自動水龍頭開關(guān)、自動門開關(guān)等。2) 光子探測器光子探測器型紅外傳感器是利用光子效應(yīng)進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)， 就是當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。通過測量半導(dǎo)體材料中電子能量狀態(tài)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測器主要有內(nèi)光電探測器和外光電探測器兩種，內(nèi)光電探測器又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器三種類型。半導(dǎo)體紅外傳感器廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如紅外制導(dǎo)、響尾蛇空對空及空對地

7、導(dǎo)彈、夜視鏡等設(shè)備。光子探測器的主要特點：靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般工作于低溫。紅外傳感器的應(yīng)用1) 紅外測溫儀紅外測溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。近 20 年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大，市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。如在2003 年我國發(fā)生“非典”疫情期間，曾在一些窗口單位（如機(jī)場、港口、車站等）大量使用紅外測溫儀。251第 10 章 幅射與波式傳感器圖 10.4 常見的紅

8、外測溫儀方框圖。它是一個光、機(jī)、電一體化的系統(tǒng)，測溫系統(tǒng)主要由下列幾部分組成：紅外光透鏡系統(tǒng)、紅外濾光片、調(diào)制盤、紅外探測器、信號調(diào)理電路、微處理器和溫度傳感器等。紅外線通過固定焦距的透射（也有采用反射的）系統(tǒng)、濾光片聚焦到紅外探測器的光敏面上， 紅外探測器將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 步進(jìn)電機(jī)可以帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外測溫儀的電路包括前置放大、選頻放大、發(fā)射率（ ）調(diào)節(jié)、線性化等?，F(xiàn)在還可以容易地制作帶單片機(jī)的智能紅外測溫儀，其穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性更高。圖 10.4紅外測溫儀原理框圖2) 紅外線氣體分析儀紅外線在大氣中傳播時，由于大氣中不同的氣體分子、水

9、蒸氣、 固體微粒和塵埃等物質(zhì)對不同波長的紅外線都有一定的吸收和散射作用，形成不同的吸收帶，稱為“大氣窗口”，從而會使紅外輻射在傳播過程中逐漸減弱。由圖10.5 可見： CO氣體對波長為4.65 m 附近的紅外線有很強(qiáng)的吸收能力；CO2 的吸收帶位于2.78 m 、 4.26 m 和波長大于13 m 的范圍?？諝庵械碾p原子氣體具有對稱結(jié)構(gòu)、無極性，如N2、O2 和 H2 等氣體；以及單原子惰性氣體，如 He、 Ne、 Ar 等；它們不吸收紅外輻射。紅外線被吸收的數(shù)量與吸收介質(zhì)的濃度有關(guān)，當(dāng)射線進(jìn)入介質(zhì)被吸收后，其透過的射線強(qiáng)度 I 按指數(shù)規(guī)律減弱，由朗伯貝爾定律確定，即：I I 0 e cl（

10、10.3 ）式中：I ， I 0 分別為吸收后、吸收前射線強(qiáng)度吸收系數(shù)c 介質(zhì)濃度l 介質(zhì)厚度。252傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）紅外線氣體分析儀利用了氣體對紅外線選擇性吸收這一特性。它設(shè)有一個測量室和一個參比室。測量室中含有一定量的被分析氣體，對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，而參比室（即對照室） 中的氣體不吸收紅外線，因此兩個氣室中的紅外線的能量不同，將使氣室內(nèi)壓力不同，導(dǎo)致薄膜電容的兩電極間距改變，引起電容量C 變化，電容量C 的變化反映被分析氣體中被測氣體的濃度。圖 10.6 是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、濾波氣室、 紅外探測器及測量電路等部分組成。光源由鎳鉻

11、絲通電加熱發(fā)出3 10 m 的紅外線，同步電機(jī)帶動切光片旋轉(zhuǎn)，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外探測器檢測。測量氣室中通入被分析氣體，參比室中注入的是不吸收紅外線的氣體（如N2 等）。紅外探測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體， 當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。測量時（如分析CO氣體的含量） ，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量室和參比室，由于測量室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65 m 的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力；而參比室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個吸收氣室的紅外線造成能量差異，使兩吸收氣室內(nèi)壓力不同， 測量邊的壓力減

12、小， 于是薄膜偏向定片方向， 改變了薄膜電容兩極板間的距離，也就改變了電容量 C 。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強(qiáng)的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度大小，最后通過測量電路的輸出電壓或輸出頻率等來反映。圖 10.6 紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖圖 10.6 中設(shè)置濾波氣室的目的是為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。知識點 2微波傳感器微波是介于紅外線與無線電波之間的一種電磁波，其波長范圍是1 m 1 mm ，通常還按照波長特征將其細(xì)分為：分米波、厘米波和毫米波三個波段。253第 10 章幅射與波式傳感器另一方面， 微波作為一種電磁波， 它具有電磁波的所

13、有性質(zhì)， 利用微波與物質(zhì)相互作用所表現(xiàn)出來的特性， 人們制成了微波傳感器， 即微波傳感器就是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。工作原理(1) 微波傳感器的原理及分類微波傳感器的基本測量原理： 發(fā)射天線發(fā)出微波信號， 該微波信號在傳播過程中遇到被測物體時將被吸收或反射， 導(dǎo)致微波功率發(fā)生變化， 通過接收天線將接收到的微波信號轉(zhuǎn)換成低頻電信號，再經(jīng)過后續(xù)的信號調(diào)理電路等環(huán)節(jié)，即可顯示出被測量。根據(jù)微波傳感器的工作原理，可將其分為反射式和遮斷式兩種。(2) 微波傳感器的組成微波傳感器的組成主要包括三個部分：微波發(fā)生器（或稱微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器。(3) 微波傳感器的特點1) 優(yōu)點

14、·微波傳感器是一種非接觸式傳感器，如進(jìn)行活體檢測時，大部分不需要取樣；·其波長在1 m 1 mm ，對應(yīng)的頻率范圍為300MHz300GHz，因此有極寬的頻譜；·可在惡劣環(huán)境下工作，如高溫、高壓、有毒、有放射線等，它基本不受煙霧、灰塵、溫度等影響；·頻率高，時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可用于動態(tài)檢測與實時處理；·測量信號本身是電信號，無須進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，簡化了處理環(huán)節(jié)；·輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進(jìn)行發(fā)射和接收，傳輸距離遠(yuǎn)， 可實現(xiàn)遙測、 遙控；·不會帶來顯著的輻射。2) 缺點·存在零點漂移，給標(biāo)定帶來困難；&

15、#183;測量環(huán)境對測量結(jié)果影響較大，如取樣位置、氣壓等。微波傳感器的應(yīng)用(1) 微波液位計如圖 10.8 所示。微波發(fā)射天線和接收天線相距s，相互成一定角度，波長為的微波從被測液面反射后進(jìn)入接收天線。接收天線接收到的微波功率的大小隨著被測液面的高低不同而不同。接收天線接收的功率Pr 可表示為：2PrPGtt Gr（ 10.4 ）4s2 4d2式中：d 兩天線與被測液面間的垂直距離254傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）s 兩天線間的水平距離Pt, Gt 發(fā)射天線發(fā)射的功率和增益Gr 接收天線的增益。當(dāng)發(fā)射功率、 波長、 增益均恒定， 且兩天線間的水平距離確定時，只要測得接收功率Pr就可以獲得被測液

16、面的高度d 。微波發(fā)射天線S微波接收天線d圖 10.8微波液位計原理圖(2) 微波濕度傳感器水分子是極性分子， 在常態(tài)下形成偶極子雜亂無章地分布著。 當(dāng)有外電場作用時， 偶極子將形成定向排列。 在微波場作用下， 偶極子不斷地從電場中獲得能量 （這是一個儲能的過程），表現(xiàn)為微波信號的相移；又不斷地釋放能量（這是一個放能的過程） ，表現(xiàn)為微波的衰減。這個特性用水分子的介電常數(shù)可表示為： （10.5 ）式中：水分子的介電常數(shù)介電常數(shù)的儲能分量（相移）介電常數(shù)的放能分量（衰減）常數(shù)。、與材料和測試信號頻率均有關(guān)，且所有極性分子均有此性質(zhì)。一般干燥的物體，其在 1 5 范圍內(nèi)，而水的高達(dá) 64，因此，如

17、果被測材料中含有水分時，其復(fù)合（指材料與水分的總體效應(yīng)）的將顯著上升。也有類似的性質(zhì)。微波濕度傳感器就是基于上述特性來實現(xiàn)濕度測量的，即同時測量干燥物體和含有一定水分的潮濕物體，前者作為標(biāo)準(zhǔn)量，后者將引起微波信號的相移和衰減，從而換算出物體的含水量。(3) 微波無損檢測儀一方面，微波在不連續(xù)的界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面，微波還能與被檢測材料產(chǎn)生相互作用，被檢測材料的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)將引起微波場的變化，通過檢測微波信號基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。 這種檢測不會對材料本身造成任何破壞，因此，稱為微波的無損檢測。255第 10 章幅射與波式傳感器微波無損檢測儀主要由微

18、波天線、微波電路、記錄儀等部分組成，如圖10.11所示。檢測時，當(dāng)金屬介質(zhì)內(nèi)有氣孔時，氣孔將成為微波散射源 （使微波信號的相位發(fā)生變化，此時，被檢測介質(zhì)相當(dāng)于一個移相器）。當(dāng)產(chǎn)生明顯的散射效應(yīng)時，最小氣隙的半徑與波長的關(guān)系符合以下公式：K a1（ 10.7 ）式中：K 2（ 為波長）a 氣隙的半徑。被測介質(zhì)（移相器）發(fā)射天線接收天線微波信號可變衰減移相器微波檢波源器器接收放大穩(wěn)壓電源記錄儀器圖 10.11微波無損檢測原理框圖(4) 微波多普勒傳感器利用多普勒效應(yīng)可以探測運動物體的速度、方向與方位。 微波多普勒傳感器是利用雷達(dá)將微波發(fā)射到被測對象，并接收返回的反射波來實現(xiàn)的。若對以相對速度v 運

19、動的物體發(fā)射微波，由于多普勒效應(yīng)，反射波的頻率發(fā)生偏移（稱為多普勒頻移），表示為：fdvcos（ 10.10 ）式中：fd 多普勒頻率v 物體的運動速度微波信號波長方位角。當(dāng)物體靠近發(fā)射天線時，fd 取“”號；物體遠(yuǎn)離發(fā)射天線時，f d 取“”號。在確定 v 、中任意兩個參數(shù)后，由于fd 可測出，因此，根據(jù)式（10.10 ）即可確定第三個參數(shù)，通常用于測定物體的運動速度。fd 的測量基于接收機(jī)將來自發(fā)射機(jī)的參照信號和來自運動物體的反射信號混合后，可得到多普勒輸出信號：256傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）ud U d sin2 f dt4r（ 10.11）式中： r 運動物體與發(fā)射天線間的距離；u

20、d 多普勒電壓信號；U d 多普勒電壓信號的幅值。如果要確定運動物體與發(fā)射天線間的距離r ，可發(fā)射兩個不同波長的信號，引起式（ 10.15 ）中的信號初始相位的變化，即：411(10.12)r21因此有：r12(10.13)412由式（ 10.13 ）可知，只要測出不同波長1 、2 下的初始相位差，即可確定距離 r 。微波多普勒傳感器的應(yīng)用非常廣泛，如多普勒測速儀可用于交通管制的車輛測速雷達(dá)；水文站用的流速測定儀；海洋氣象站用來測定海浪與熱帶風(fēng)暴；火車進(jìn)站速度監(jiān)控等。知識點 3超聲波傳感器超聲波傳感器是一種以超聲波作為檢測手段的新型傳感器。利用超聲波的各種特性，可做成各種超聲波傳感器，再配上不

21、同的測量電路，制成各種超聲波儀器及裝置，廣泛地應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個工業(yè)部門的超聲探測、超聲清洗、超聲焊接，醫(yī)院的超聲醫(yī)療和汽車的倒車?yán)走_(dá)等方面。工作原理(1) 超聲波及其物理性質(zhì)1) 超聲波的概念頻率高于 2× 104 Hz 的機(jī)械波，稱為超聲波。超聲波的頻率高、波長短、繞射小。它最顯著的特性是方向性好，且在液體、固體中衰減很小，穿透力強(qiáng)，碰到介質(zhì)分界面會產(chǎn)生明顯的反射和折射，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測中。2) 超聲波的物理性質(zhì) 超聲波的波型由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也有所不同。通常有：·縱波質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。它

22、能在固體、液體和氣體中傳播；·橫波質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播；257第 10 章幅射與波式傳感器·表面波質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間， 沿著表面?zhèn)鞑ィ?其振幅隨深度增加而迅速衰減的波。 表面波隨深度增加衰減很快， 只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?為了測量各種狀態(tài)下的物理量，多采用縱波。 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，氣體中聲速為344 m s，液體中聲速為900 1900 m 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

23、橫波聲速的 90。值得指出的是，介質(zhì)中的聲速受溫度影響變化較大，在實際使用中注意采取溫度補(bǔ)償措施。 超聲波的反射和折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分則透過分界面，在另種介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。這兩種情況分別稱為超聲波的反射和折射。(2) 超聲波傳感器的工作原理要以超聲波作為檢測手段， 必須能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。 完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波傳感器按其工作原理， 可分為壓電式、 磁致伸縮式、 電磁式等， 以壓電式最為常用。下面以壓電式和磁致伸縮式超聲波傳感器為例介紹其工作原理。1) 壓電式超聲波傳

24、感器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。 常用的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器（發(fā)射探頭）和接收器（接收探頭）兩種。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轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，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會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。 壓電式超聲波傳感器可以產(chǎn)生幾十kHz 到幾十 MHz 的高頻超聲波， 其聲強(qiáng)可達(dá)幾十瓦 / cm2 。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引起晶片伸縮， 在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些

25、電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路， 最后記錄或顯示出來。 壓電式超聲波接收器的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時就用同一個傳感器兼作發(fā)生器和接收器兩種用途。258傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）（ a）(b)圖 10.16壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)(a) 通用型(b)高頻型通用型和高頻型壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)分別如圖10.16 （ a）、（b）所示。通用型壓電式超聲波傳感器的中心頻率一般為幾十kHz，主要由壓電晶體、圓錐諧振器、柵孔等組成；高頻型壓電式超聲波傳感器的頻率一般在100kHz 以上，主要由壓電晶片、 吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜等組成。壓電晶片多為圓板形，設(shè)其厚度為，超聲波頻率f 與其厚度

26、成反比。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作為導(dǎo)電的極板，底面接地，上面接至引出線。為了避免傳感器與被測件直接接觸而磨損壓電晶片，在壓電晶片下粘合一層保護(hù)膜（0.3 mm 厚的塑料膜、不銹鋼片或陶瓷片） 。阻尼塊的作用是降低壓電晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收超聲波的能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)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。2) 磁致伸縮式超聲波傳感器鐵磁材料在交變的磁場中沿著磁場方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流時，它可以工作在特性最好的區(qū)域。

27、磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鈷釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作頻率范圍較窄，僅在幾萬赫茲以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬瓦，聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦/ mm2 ，且能耐較高的溫度。磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動，從而產(chǎn)生出超聲波。它是用幾個厚為0.1 0.4 mm 的鎳片疊加而成，片間絕緣以減少渦流損失，其結(jié)構(gòu)形狀有矩形、窗形等。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， 引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場（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)電動勢。此電動勢被送入測量電路，最后記錄或顯示出

28、來。磁致伸縮式超聲259第 10 章幅射與波式傳感器波接收器的結(jié)構(gòu)與超聲波發(fā)生器基本相同。超聲波傳感器的應(yīng)用(1) 超聲波測厚超聲波測量厚度常采用脈沖回波法。圖10.17 為脈沖回波法檢測厚度的工作原理。圖 10.17 脈沖回波法檢測厚度工作原理在用脈沖回波法測量試件厚度時， 超聲波探頭與被測試件某一表面相接觸。由主控制器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號， 送往發(fā)射電路， 經(jīng)電流放大后加在超聲波探頭上，從而激勵超聲波探頭產(chǎn)生重復(fù)的超聲波脈沖。 脈沖波傳到被測試件另一表面后反射回來，被同一探頭接收。若已知超聲波在被測試件中的傳播速度v ，設(shè)試件厚度為 d ，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔 t 可以測量，因此

29、可求出被測試件厚度為：v t（ 10.18 ）d2為測量時間間隔t ，可采用圖10.17 所示的方法，將發(fā)射脈沖和回波反射脈沖加至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。 標(biāo)記發(fā)生器所輸出的已知時間間隔的脈沖，也加在示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上。線性掃描電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此可以直接從示波器屏幕上觀察到發(fā)射脈沖和回波反射脈沖，從而求出兩者的時間間隔t 。當(dāng)然，也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時間標(biāo)準(zhǔn)信號來測量時間間隔t ，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表。(2) 超聲波測物位將存于各種容器內(nèi)的液體表面高度及所在的位置稱為液位；固體顆粒、 粉料、塊料的高度或表面所在位置稱為料位。兩者統(tǒng)稱為物位。超聲波測量物位是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上

30、的反射特性而工作的。圖10.18為幾種超聲波檢測物位的工作原理圖。260傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）圖 10.18 超聲波物位檢測的工作原理根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，超聲波物位傳感器可分為單換能器和雙換能器兩種。單換能器在發(fā)射和接收超聲波時均使用一個換能器（如圖10.18 (a) 、 (c) 所示），而雙換能器對超聲波的發(fā)射和接收各由一個換能器擔(dān)任（如圖10.18(b)、 (d) 所示）。超聲波傳感器可放置于水中（如圖10.18(a)、 (b) 所示），讓超聲波在液體中傳播。由于超聲波在液體中衰減比較小， 所以即使產(chǎn)生的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波傳感器也可以安裝在液面的上方（如圖1

31、0.18(c)、(d) 所示），讓超聲波在空氣中傳播。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。超聲波傳感器還可安裝在容器的外壁，此時超聲波需要穿透器壁，遇到液面后再反射，注意：為了超聲波最大限度地穿過器壁，需滿足的條件是器壁厚度應(yīng)為四分之一波長的奇數(shù)倍。如果已知從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接收換能器接收到反射波為止的這個時間間隔，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以實現(xiàn)對物位的測量。對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反射回?fù)Q能器的時間間隔為：t2h（10.19 ）v則：vth（ 10.20 ）2式中：h 換能器距液面的距離v 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。對于雙換能器來

32、說，超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s ，而261t1 為：第 10 章幅射與波式傳感器v ts（ 10.21 ）2因此，液位高度為：hs2a 2(10.22)式中：s 超聲波反射點到換能器的距離a 兩換能器間距之半。從以上公式中可以看出，只要測得從發(fā)射到接收超聲波脈沖的時間間隔t ，便可以求得待測的物位。（ 3）超聲波測流量超聲波測量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時， 在靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點，從而求得流體的流速和流量。圖 10.19超聲波測流體流量工作原理圖 10.19 為超聲波測流體流量的工作原理圖。圖中v 為被測流體的平均流速，c 為超聲波在靜止流體中的傳播速度，

33、為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角（必須不等于900）， A、 B 為兩個超聲波換能器，L 為兩者之間距離。以下以時差法為例。1）時差法測流量當(dāng) A 為發(fā)射換能器， B 為接收換能器時， 超聲波為順流方向傳播，傳播速度為cv cos，所以順流傳播時間t1L(10.23)cv cos當(dāng) B 為發(fā)射換能器， A 為接收換能器時， 超聲波為逆流方向傳播， 傳播速度為 cv cos ，所以逆流傳播時間t2 為：t2L(10.24)cv cos因此超聲波順、逆流傳播時間差為：t t 2LL2Lv cos(10.25)t1c v cosc 2v2 cos2c vcos一般來說，超聲波在流體中的傳播速度遠(yuǎn)大于流體的流速，即c >> v ，所以式（ 10.25 ）262傳感器與檢測技術(shù)（第2 版）可近似為：2Lv cos（ 10.26 ）t2c因此被測流體的平均流速為：c2(10.27)vt2L cos測得流體流速v 后，再根據(jù)管道流體的截面積，即可求得被測流體的流量。（ 4）超聲波探傷超聲波探傷的方法很多，按其原理