波傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1波傳感器波傳感器第一頁，共46頁。本章中將介紹主要的幾種波傳感器。第1頁/共46頁第二頁，共46頁。 9.1 聲傳感器聲傳感器聲波基本概念聲波基本概念 1. 聲波聲波 聲波與振動是緊密相關(guān)的，機(jī)械振動常常聲波與振動是緊密相關(guān)的，機(jī)械振動常常引起聲輻射。物體引起聲輻射。物體(wt)振動時激勵著它周圍的振動時激勵著它周圍的空氣質(zhì)點振動，由于空氣具有慣性和彈性，在空空氣質(zhì)點振動，由于空氣具有慣性和彈性，在空氣質(zhì)點的相互作用下，振動物體氣質(zhì)點的相互作用下，振動物體(wt)四周的空四周的空氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播而形成聲波。按照頻率范圍

2、，聲波可分為次聲波而形成聲波。按照頻率范圍，聲波可分為次聲波、可聽聲波、超聲波。可聽聲波的頻率在、可聽聲波、超聲波?？陕犅暡ǖ念l率在16Hz20kHz之間。低于之間。低于16Hz的振動產(chǎn)生的機(jī)械的振動產(chǎn)生的機(jī)械波稱為次聲波。頻率超過波稱為次聲波。頻率超過20kHz的機(jī)械波稱為超的機(jī)械波稱為超聲波。聲波。 第2頁/共46頁第三頁，共46頁。2. 聲波的波形聲波的波形 由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波型也會不同。通傳播方向不同，聲波的波型也會不同。通常有以下三種：常有以下三種：(1)縱波縱波 (2) 橫波橫波 (3) 表面波表面波3.

3、聲波的特性聲波的特性(1) 聲壓聲壓(P) 當(dāng)聲波傳播時，某處的空氣疏密地變化，當(dāng)聲波傳播時，某處的空氣疏密地變化，使壓強使壓強(yqing)在大氣壓附近上下變化，在大氣壓附近上下變化，相當(dāng)于在原來的大氣壓強相當(dāng)于在原來的大氣壓強(yqing)上疊加上疊加一個變化的壓強一個變化的壓強(yqing)，這個疊加上去，這個疊加上去的壓強的壓強(yqing)就叫聲壓。通常所說的聲就叫聲壓。通常所說的聲壓，是指一段時間內(nèi)瞬時聲壓的均方根值壓，是指一段時間內(nèi)瞬時聲壓的均方根值(即有效聲壓即有效聲壓)，故總是正值。對于正弦波形，故總是正值。對于正弦波形，有效聲壓等于瞬時聲壓最大值，有效聲壓等于瞬時聲壓最大值

4、Pmax除以除以，即，即 一般來說，如未加說明，聲壓指有效聲壓一般來說，如未加說明，聲壓指有效聲壓。2/maxPP max/2PP第3頁/共46頁第四頁，共46頁。 (2) 聲功率聲功率 聲波是能量傳播的一種形式，因此也常用能量的大小來表示聲音的聲波是能量傳播的一種形式，因此也常用能量的大小來表示聲音的強弱。聲源在單位時間強弱。聲源在單位時間(shjin)內(nèi)向外輻射的聲能量叫做聲功率，用符內(nèi)向外輻射的聲能量叫做聲功率，用符號號W表示，單位為表示，單位為W。(3) 聲強聲強 聲強也是衡量聲波在傳播過程中聲音強弱的物理量。它是指單位時聲強也是衡量聲波在傳播過程中聲音強弱的物理量。它是指單位時間間(

5、shjin)內(nèi)內(nèi)(每秒鐘每秒鐘)，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，用符號，用符號I表示，單位為表示，單位為W/m2。若聲能通過的面積為。若聲能通過的面積為S，則聲強為，則聲強為 在無反射聲波的自由場中，點聲源發(fā)出的球面波，均勻地向四周輻在無反射聲波的自由場中，點聲源發(fā)出的球面波，均勻地向四周輻射聲能，因此，距離聲源中心為射聲能，因此，距離聲源中心為r的球面上的聲強為的球面上的聲強為/IW S24WIr第4頁/共46頁第五頁，共46頁。(4) 聲壓級、聲強級和聲功率級聲壓級、聲強級和聲功率級 通常通常(tngchng)采用按對數(shù)方式分級的辦

6、法來表示聲采用按對數(shù)方式分級的辦法來表示聲音大小音大小,這就是聲壓級、聲強級、聲功率級。這就是聲壓級、聲強級、聲功率級。聲壓級聲壓級(LP) 聲壓級聲壓級Lp指測量的聲壓指測量的聲壓P與參考聲壓與參考聲壓Pref的比值取常用的比值取常用對數(shù)，再乘以對數(shù)，再乘以20, 單位為分貝單位為分貝(dB)，即，即式中，參考(cnko)聲壓Pref=210-5 Pa，為1kHz時的聽閾。聲強級(LI) 聲強級LI是指測量的聲強I與參考(cnko)聲強Iref比值取常用對數(shù)，再乘以10，單位為分貝(dB)，即20lg()prefPLdBP10lgIrefILI第5頁/共46頁第六頁，共46頁。聲功率級(LW

7、) 聲功率級是指測量的聲功率W與參考(cnko)功率Wref的比值取常用對數(shù)，再乘以10，單位為分貝(dB)，即10lgWrefWLW式中，參考功率Wref =10-12，為1HZ時聽閾聲功率值。 由于(yuy)在一定條件下，聲壓級、聲強級、聲功率級在數(shù)值上是相等的，因此，可將三者統(tǒng)一用聲級表示。第6頁/共46頁第七頁，共46頁。 式中，P，I分別為平面波在x處的聲壓和聲強；P0 ，I0為平面波在x=0處的聲壓和聲強；為衰減系數(shù)。5. 聲波(shn b)的多普勒效應(yīng)0 xPPe20 xII e4. 聲波的衰減聲波的衰減 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著(su zhe)傳播距傳播

8、距離的增加，能量逐漸衰減，衰減的程度以衰減系離的增加，能量逐漸衰減，衰減的程度以衰減系數(shù)數(shù)來表示。在平面波的情況下，其聲壓和聲強來表示。在平面波的情況下，其聲壓和聲強的衰減規(guī)律如下的衰減規(guī)律如下第7頁/共46頁第八頁，共46頁。第8頁/共46頁第九頁，共46頁。1. 電阻變換型聲敏傳感器電阻變換型聲敏傳感器 按照轉(zhuǎn)換原理將這類傳感器可分為接觸阻抗型按照轉(zhuǎn)換原理將這類傳感器可分為接觸阻抗型和阻抗變換型兩種。接觸阻抗型聲敏傳感器的一個典和阻抗變換型兩種。接觸阻抗型聲敏傳感器的一個典型實例是碳粒式送話器，其工作原理如圖所示，當(dāng)聲型實例是碳粒式送話器，其工作原理如圖所示，當(dāng)聲波經(jīng)空氣傳播至膜片時，膜片

9、產(chǎn)生振動，使膜片和電波經(jīng)空氣傳播至膜片時，膜片產(chǎn)生振動，使膜片和電極之間碳粒的接觸電阻發(fā)生變化，從而調(diào)制通過送話極之間碳粒的接觸電阻發(fā)生變化，從而調(diào)制通過送話器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器經(jīng)放大后輸器的電流，該電流經(jīng)變壓器耦合至放大器經(jīng)放大后輸出。阻抗變換型聲敏傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或半導(dǎo)出。阻抗變換型聲敏傳感器是由電阻絲應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在膜片上構(gòu)成體應(yīng)變片粘貼在膜片上構(gòu)成(guchng)的。當(dāng)聲壓作的。當(dāng)聲壓作用在膜片上時膜片產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變用在膜片上時膜片產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻抗發(fā)生變化，檢測電路將這種變化轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出從而完化，檢測電路將這種變化轉(zhuǎn)換為電壓

10、信號輸出從而完成聲成聲-電的轉(zhuǎn)換。電的轉(zhuǎn)換。第9頁/共46頁第十頁，共46頁。碳粒式送話器的工作(gngzu)原理圖 第10頁/共46頁第十一頁，共46頁。2. 壓電聲敏傳感器壓電聲敏傳感器 壓電聲敏傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制壓電聲敏傳感器是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的。下圖是壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電晶體的一成的。下圖是壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電晶體的一個極面和膜片相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振個極面和膜片相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動時，膜片帶動壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動，壓電晶體動時，膜片帶動壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動，壓電晶體在機(jī)械應(yīng)力在機(jī)械應(yīng)力(yngl)的作的作用下產(chǎn)生隨聲壓用下產(chǎn)生隨

11、聲壓大小變化而變化大小變化而變化的電壓，從而完的電壓，從而完成聲電的轉(zhuǎn)換。成聲電的轉(zhuǎn)換。壓電聲敏傳感器壓電聲敏傳感器可廣泛用于水聲可廣泛用于水聲器件、微音器和器件、微音器和噪聲計等方面。噪聲計等方面。 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)圖 第11頁/共46頁第十二頁，共46頁。3. 電容式聲敏傳感器電容式聲敏傳感器(靜電型靜電型) 下圖為電容式送話器的結(jié)構(gòu)示意圖。它下圖為電容式送話器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由膜片、外殼及固定電極等組成，膜片為一片由膜片、外殼及固定電極等組成，膜片為一片質(zhì)輕而彈性好的金屬薄片，它與固定電極組成質(zhì)輕而彈性好的金屬薄片，它與固定電極組成一個間距很小的可變電容器。當(dāng)膜片在聲波作一個間距很小的可

12、變電容器。當(dāng)膜片在聲波作用下振動時，膜片與固定電極間的距離用下振動時，膜片與固定電極間的距離(jl)發(fā)發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。如果在傳感生變化，從而引起電容量的變化。如果在傳感器的兩極間串接負(fù)載電阻器的兩極間串接負(fù)載電阻RL和直流電流極化電和直流電流極化電壓壓E，在電容量隨聲波的振動變化時，在，在電容量隨聲波的振動變化時，在RL的的兩端就會產(chǎn)生交變電壓。兩端就會產(chǎn)生交變電壓。 電容式聲敏傳感器的輸出阻抗呈容性，電容式聲敏傳感器的輸出阻抗呈容性，由于其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保由于其容量小，在低頻情況下容抗很大，為保證低頻時的靈敏度，必須有一個輸入阻抗很大證低頻時的靈敏度，必須有

13、一個輸入阻抗很大的變換器與其相連，經(jīng)阻抗變換后，再由放大的變換器與其相連，經(jīng)阻抗變換后，再由放大器進(jìn)行放大。器進(jìn)行放大。第12頁/共46頁第十三頁，共46頁。電容式送話器結(jié)構(gòu)(jigu)示意圖 第13頁/共46頁第十四頁，共46頁。4. 音響傳感器音響傳感器 音響傳感器包括：將聲音載于通信網(wǎng)的電話音響傳感器包括：將聲音載于通信網(wǎng)的電話話筒；將可聽頻帶范圍話筒；將可聽頻帶范圍(20Hz20KHz)的聲音真實的聲音真實地進(jìn)行電變換的放音、錄音話筒；從媒質(zhì)所記錄的地進(jìn)行電變換的放音、錄音話筒；從媒質(zhì)所記錄的信號還原成聲音的各種傳感器等。根據(jù)信號還原成聲音的各種傳感器等。根據(jù)(gnj)不同不同的工作原

14、理的工作原理(有電磁變換、靜電變換、電阻變換、光有電磁變換、靜電變換、電阻變換、光電變換等電變換等)，可制成多種音響傳感器。下面介紹一種，可制成多種音響傳感器。下面介紹一種音響傳感器音響傳感器水聽器。水聽器。 一般來說，水聲觀測設(shè)備主要由兩部分組成一般來說，水聲觀測設(shè)備主要由兩部分組成，一是電子設(shè)備，一是電子設(shè)備產(chǎn)生、放大、接收和指示電信產(chǎn)生、放大、接收和指示電信號的部分，它具體包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、指示器等號的部分，它具體包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、指示器等；二是水聲換能器；二是水聲換能器它的作用是完成電聲信號的它的作用是完成電聲信號的轉(zhuǎn)換。下圖是幾種常用的水聲設(shè)備的作用示意圖。轉(zhuǎn)換。下圖是幾種常用的

15、水聲設(shè)備的作用示意圖。第14頁/共46頁第十五頁，共46頁。(a)被動式聲吶(shn n)(b)主動式聲吶(shn n)幾種水聲設(shè)備(shbi)的工作示意圖 第15頁/共46頁第十六頁，共46頁。 當(dāng)水聲換能器工作(gngzu)在發(fā)射狀態(tài)時，它的任務(wù)就是把電的振蕩能轉(zhuǎn)換為機(jī)械系統(tǒng)的振動能，再推動水介質(zhì)向外輻射聲能量。當(dāng)水聲換能器工作(gngzu)在接收狀態(tài)時，它的任務(wù)和發(fā)射狀態(tài)時相反，即先把水介質(zhì)中的聲信號通過機(jī)械振動系統(tǒng)耦合到電路中并變成電信號，然后再把電信號送到接收或指示設(shè)備上去。(c)水聲通信(tng xn)儀第16頁/共46頁第十七頁，共46頁。9.2 聲表面波傳感器聲表面波傳感器概述

16、概述 聲表面波聲表面波(SAWSurface Acoustic Wave)是英國物理學(xué)家瑞利在是英國物理學(xué)家瑞利在1886年研究地年研究地震波過程中發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)髡鸩ㄟ^程中發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡āＢ暠砻娌ㄖC振器的核心是叉指換播的聲波。聲表面波諧振器的核心是叉指換能器?；诼暠砻娌ㄖC振器的頻率特性，配能器?；诼暠砻娌ㄖC振器的頻率特性，配上必要的電路和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)敏感許多上必要的電路和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)敏感許多(xdu)參數(shù)的聲表面波傳感器。參數(shù)的聲表面波傳感器。 SAW傳感器主要有以下優(yōu)點。傳感器主要有以下優(yōu)點。1. 高準(zhǔn)確度、高靈敏度。高準(zhǔn)確度、高靈敏度。2. 結(jié)構(gòu)

17、工藝性好，便于批量生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)工藝性好，便于批量生產(chǎn)。3. 體積小，質(zhì)量小，功耗低，易于集成。體積小，質(zhì)量小，功耗低，易于集成。4. 與微處理器相連，接口簡單。與微處理器相連，接口簡單。第17頁/共46頁第十八頁，共46頁。傳感器的基本原理傳感器的基本原理 SAW傳感器的基本原理是在壓電材料表面形成傳感器的基本原理是在壓電材料表面形成叉指換能器，構(gòu)成叉指換能器，構(gòu)成SAW振蕩器或諧振器，適當(dāng)設(shè)計振蕩器或諧振器，適當(dāng)設(shè)計SAW振蕩器或諧振器，使其對微細(xì)的待測量敏感。一振蕩器或諧振器，使其對微細(xì)的待測量敏感。一般是使被測量作用般是使被測量作用SAW的傳播路徑的傳播路徑(ljng)，引起，引起SAW的

18、傳播速度發(fā)生變化，從而使振蕩頻率發(fā)生變化的傳播速度發(fā)生變化，從而使振蕩頻率發(fā)生變化，通過頻率的變化檢測被測量。，通過頻率的變化檢測被測量。1. 聲表面波叉指換能器聲表面波叉指換能器 圖圖7-11所示為叉指換能器的基本結(jié)構(gòu)，它由若所示為叉指換能器的基本結(jié)構(gòu)，它由若干淀積在壓電襯底材料上的金屬膜電極組成，這些電干淀積在壓電襯底材料上的金屬膜電極組成，這些電極條互相交叉放置，兩端由匯流條連在一起，其形狀極條互相交叉放置，兩端由匯流條連在一起，其形狀如同交叉平放的兩排手指，故稱為均勻如同交叉平放的兩排手指，故稱為均勻(或非色散或非色散)叉叉指換能器。指換能器。第18頁/共46頁第十九頁，共46頁。 當(dāng)

19、在發(fā)射叉指換能器上施加適當(dāng)頻率的交流(jioli)電信號后，在電基片內(nèi)部的電場分布如圖所示。該電場可分解為垂直與水平兩個分量EV和EH。由于基片的逆壓電效應(yīng)，這個電場使指條電極間的材料發(fā)生形變，使質(zhì)點發(fā)生位移，EH使質(zhì)點產(chǎn)生平行于表面的壓縮(膨脹)位移，EV則產(chǎn)生垂直于表面的剪切位移。這種周期性的應(yīng)變就產(chǎn)生沿叉指換能器兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW，其頻率等于所施加電信號的頻率。第19頁/共46頁第二十頁，共46頁。叉指換能器的基本(jbn)結(jié)構(gòu) 叉指電極下某一瞬間的電場(din chng)分布第20頁/共46頁第二十一頁，共46頁。2. 聲表面波諧振器聲表面波諧振器 聲表面波諧振器有兩種實現(xiàn)方式。

20、一種以聲表面波諧振器有兩種實現(xiàn)方式。一種以聲表面波諧振子聲表面波諧振子(SAWRSurface Acoustic Wave Resonator)為核心，一種以聲表面波延遲線為核心，一種以聲表面波延遲線為核心，再配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鹘M成。由為核心，再配以適當(dāng)?shù)姆糯笃鹘M成。由SAWR構(gòu)構(gòu)成成(guchng)的聲表面波諧振器是目前在甚高頻的聲表面波諧振器是目前在甚高頻和超高頻段實現(xiàn)高和超高頻段實現(xiàn)高Q值的唯一器件。值的唯一器件。SAWR由一對叉指換能器及金屬柵條式反射器由一對叉指換能器及金屬柵條式反射器構(gòu)成構(gòu)成(guchng)，如圖所示，如圖所示SAWR基本(jbn)結(jié)構(gòu)第21頁/共46頁第二十二頁，共

21、46頁。聲表面波傳感器的應(yīng)用聲表面波傳感器的應(yīng)用1. SAW壓力傳感器壓力傳感器 SAW壓力傳感器通常采用周邊固定的石英膜片壓力傳感器通常采用周邊固定的石英膜片為敏感元件。由于敏感膜片受到的壓力與該作用力引為敏感元件。由于敏感膜片受到的壓力與該作用力引起的起的SAW振蕩器輸出振蕩器輸出(shch)頻率的變化具有對應(yīng)關(guān)頻率的變化具有對應(yīng)關(guān)系，因此通過測量系，因此通過測量SAW的輸出的輸出(shch)頻率偏移，即頻率偏移，即可得知壓力的大小。下面是可得知壓力的大小。下面是SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。圖。SAW壓力(yl)傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖第22頁/共46頁第二十三頁，共46頁。2

22、. SAW氣敏傳感器氣敏傳感器 在在SAW氣敏傳感器中，要使氣敏傳感器中，要使SAW器件對某些器件對某些(mu xi)特殊氣體敏感，需要在延遲線的兩個叉指特殊氣體敏感，需要在延遲線的兩個叉指換能器之間，即聲表面波的傳播路徑上敷設(shè)一層具換能器之間，即聲表面波的傳播路徑上敷設(shè)一層具有特殊選擇性的吸附膜，該吸附膜只對所需敏感的有特殊選擇性的吸附膜，該吸附膜只對所需敏感的氣體有吸附作用。吸附膜吸收了環(huán)境中的某種特定氣體有吸附作用。吸附膜吸收了環(huán)境中的某種特定氣體，使基片表面性氣體成分的含量增多。為了實氣體，使基片表面性氣體成分的含量增多。為了實現(xiàn)對環(huán)境溫度變化的補償，現(xiàn)對環(huán)境溫度變化的補償，SAW氣敏

23、傳感器大多采氣敏傳感器大多采用雙通道延遲線結(jié)構(gòu)。用雙通道延遲線結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器的原理(yunl)結(jié)構(gòu)第23頁/共46頁第二十四頁，共46頁。9.3 超聲波超聲波(shn b)傳感器傳感器 超聲波超聲波(shn b)技術(shù)是一門以物理、電子技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的各行各業(yè)都要使用的、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。超聲波通用技術(shù)之一。超聲波(shn b)技術(shù)是通過技術(shù)是通過超聲波超聲波(shn b)產(chǎn)生、傳輸及接收的物理過產(chǎn)生、傳輸及接收的物理過程完成的。通常，程完成的。通常，20kHz以上頻率的高頻聲波以上頻率的高頻聲波(shn b)稱為超聲波稱為超聲波(

24、shn b)。超聲波。超聲波(shn b)的應(yīng)用都必須借助于超聲波的應(yīng)用都必須借助于超聲波(shn b)探頭探頭(換能器或傳感器換能器或傳感器)來實現(xiàn)。目前，超聲來實現(xiàn)。目前，超聲波波(shn b)技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個工業(yè)部門的超聲探傷、超聲清械、醫(yī)療等各個工業(yè)部門的超聲探傷、超聲清洗、超聲焊接、超聲檢測和超聲醫(yī)療等方面，洗、超聲焊接、超聲檢測和超聲醫(yī)療等方面，無論在使用效果、經(jīng)濟(jì)價值以及適用范圍方面無論在使用效果、經(jīng)濟(jì)價值以及適用范圍方面，都有著良好的發(fā)展前景。，都有著良好的發(fā)展前景。第24頁/共46頁第二十五頁，共46頁。 超聲波具有(jy

25、u)以下四個基本特性: 1.束射特性 2.吸收特性 3.高功率 4.聲壓作用 上述基本特性使超聲波在媒體中產(chǎn)生(chnshng)如下效應(yīng)：機(jī)械效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)、空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)和生物學(xué)效應(yīng)。超聲波的波型、轉(zhuǎn)換方式以及傳輸速度等方面同聲波一致。第25頁/共46頁第二十六頁，共46頁。超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理 超聲波傳感器是檢測伴隨超聲波傳播的聲超聲波傳感器是檢測伴隨超聲波傳播的聲壓或介質(zhì)形變的裝置。利用壓電效應(yīng)、電應(yīng)變壓或介質(zhì)形變的裝置。利用壓電效應(yīng)、電應(yīng)變(yngbin)效應(yīng)、磁應(yīng)變效應(yīng)、磁應(yīng)變(yngbin)效應(yīng)、光彈性效應(yīng)、光彈性效應(yīng)等應(yīng)變效應(yīng)等應(yīng)變(yngbin)與其

26、它物理特性相互作用的與其它物理特性相互作用的方法，或用電磁的、靜電的或光學(xué)的手段等可檢方法，或用電磁的、靜電的或光學(xué)的手段等可檢測由聲壓作用產(chǎn)生的振動。超聲檢測技術(shù)的基本測由聲壓作用產(chǎn)生的振動。超聲檢測技術(shù)的基本原理通常是利用某種待測的非聲量原理通常是利用某種待測的非聲量(如密度、濃度如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、液面、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流量、液面、厚度、缺陷等、厚度、缺陷等)與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量量(如聲速、衰減、聲阻抗等如聲速、衰減、聲阻抗等)之間存在著的直接之間存在著的直接或間接關(guān)系，在探索到這些關(guān)系的規(guī)律之后就可或間接

27、關(guān)系，在探索到這些關(guān)系的規(guī)律之后就可通過超聲量的測定來測出那些待測的非聲量。通過超聲量的測定來測出那些待測的非聲量。 超聲波傳感器的敏感元件多用壓電晶體，超聲波傳感器的敏感元件多用壓電晶體，依據(jù)的原理是壓電效應(yīng)。依據(jù)的原理是壓電效應(yīng)。第26頁/共46頁第二十七頁，共46頁。 右圖是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖。它采用雙晶振子，即把雙壓電片以相反極化方向黏在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，分別用引線接到兩個電極上。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊(lingbin)由圓弧形凸起部分支撐著，這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓

28、錐形振子有較強的方向性，高效率地發(fā)送超聲波。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，產(chǎn)生高頻電壓。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖第27頁/共46頁第二十八頁，共46頁。 下圖是雙晶振子超聲波傳感器的工作原理示意圖。若在雙晶振子上施加40kHz的高頻電壓，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片a、b就隨所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，送給超聲波接收器。圖中接收器中也有與發(fā)射器結(jié)構(gòu)相同的雙晶振子，若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動，由于壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就產(chǎn)生壓電效應(yīng)，一面產(chǎn)生正電(zhngdin)荷

29、，另一面產(chǎn)生負(fù)電荷；于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓非常小，要用放大器進(jìn)行放大。超聲波傳感器的工作(gngzu)原理示意圖第28頁/共46頁第二十九頁，共46頁。 下圖是超聲波傳感器的等效電路與阻抗特性。圖(a)為等效電路，相當(dāng)于L0、C0、R0串聯(lián)與CP并聯(lián)的電路，這些參數(shù)之間關(guān)系如圖所示。圖(b)為阻抗特性，振子阻抗Z隨頻率f而變化，Z最小時為串聯(lián)諧振(xizhn)頻率fr，最大時為并聯(lián)諧振(xizhn)頻率fa。然而，傳感器的數(shù)據(jù)表中都沒有記載這兩種頻率，一般用標(biāo)稱頻率來表示。超聲波傳感器的等效電路與阻抗(zkng)特性第29頁/共46頁第三十頁，共46頁。超聲波傳感

30、器的選擇性用振子Q值進(jìn)行(jnxng)評價，Q值是表示諧振頻率時振子振動特性的尖銳程度。若電容為C，則Q值可按下式進(jìn)行(jnxng)計算，這時的Q用Qm表示，即該式計算(j sun)比較復(fù)雜，一般采用下式進(jìn)行簡單計算(j sun)，這時Q用Q0表示，即2222()amrrarfQf Z C ff012rfQff式中， 、 為振幅低于諧振(xizhn)點3dB時的上下限頻率。1f2f第30頁/共46頁第三十一頁，共46頁。超聲波傳感器的分類超聲波傳感器的分類 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁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。實際使用中壓電式探頭最為致伸縮式、電磁式等

31、。實際使用中壓電式探頭最為常見。常見。1. 壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)和使用的波型不壓電式超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)和使用的波型不同又可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波同又可分為直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭、雙晶探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭和其它專用探頭等。探頭和其它專用探頭等。2. 磁致超聲波型超聲波傳感器磁致超聲波型超聲波傳感器 此外此外(cwi)還有電磁型超聲波傳感器，有振還有電磁型超聲波傳感器，有振動板的超聲波傳感器，彈性表面波傳感器，光纖超動板的超聲波傳感器，彈性表面波傳感器，光纖超聲波

32、傳感器等類型的超聲波傳感器。聲波傳感器等類型的超聲波傳感器。第31頁/共46頁第三十二頁，共46頁。超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用1. 超聲測距傳感器超聲測距傳感器 從發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后從發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后沿原路返回接收器所需的時問，即渡越時間。沿原路返回接收器所需的時問，即渡越時間。通過測量渡越時間，利用介質(zhì)中已知的聲速即通過測量渡越時間，利用介質(zhì)中已知的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器的距離。可求得目標(biāo)與傳感器的距離。 超聲測距傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航和避障超聲測距傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航和避障，其它還有焊縫跟蹤，物體，其它還有焊縫跟蹤，物體(wt)識別。超聲測識別。超聲

33、測距傳感器探測距離為距傳感器探測距離為15200mm，分辨力為，分辨力為0.1mm。第32頁/共46頁第三十三頁，共46頁。2. 超聲波探傷儀超聲波探傷儀 超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種(y zhn)主要檢測手段。它主要用于檢測板材、主要檢測手段。它主要用于檢測板材、管材、鍛件和焊接等材料中的缺陷管材、鍛件和焊接等材料中的缺陷(如裂縫、氣如裂縫、氣孔、夾渣等孔、夾渣等)、測定材料的厚度、檢測材料的晶、測定材料的厚度、檢測材料的晶粒、配合斷裂力學(xué)對材料使用壽命進(jìn)行評價等粒、配合斷裂力學(xué)對材料使用壽命進(jìn)行評價等。超聲波探傷因具有檢測靈敏度高、速度快、。超聲波探傷因

34、具有檢測靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點，因而得到人們普遍的重視，并成本低等優(yōu)點，因而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用。第33頁/共46頁第三十四頁，共46頁。3. 超聲波診斷儀超聲波診斷儀 超聲波診斷儀是通過向體內(nèi)發(fā)射超聲波超聲波診斷儀是通過向體內(nèi)發(fā)射超聲波(主要采主要采用縱波用縱波)，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來的超聲波并，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來的超聲波并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異進(jìn)行診斷的。由于超聲波對人體無損害、特性的差異進(jìn)行診斷的。由于超聲波對人體無損害、操作簡

35、便、結(jié)果迅速、受檢查者無不適感、對軟組織操作簡便、結(jié)果迅速、受檢查者無不適感、對軟組織成像清晰，因此，超聲波診斷儀已成為成像清晰，因此，超聲波診斷儀已成為(chngwi)臨臨床上重要的現(xiàn)代診斷工具。超聲波診斷儀類型較多，床上重要的現(xiàn)代診斷工具。超聲波診斷儀類型較多，最常用的有最常用的有A型超聲波診斷儀、型超聲波診斷儀、M型超聲波心電圖儀型超聲波心電圖儀和和B型超聲波斷層顯像儀等。此外還有超聲波測厚，型超聲波斷層顯像儀等。此外還有超聲波測厚，超聲波物位測量，超聲波流量測量等應(yīng)用。超聲波物位測量，超聲波流量測量等應(yīng)用。第34頁/共46頁第三十五頁，共46頁。9.4 微波傳感器微波傳感器微波的性質(zhì)與

36、特點微波的性質(zhì)與特點 微波是波長為微波是波長為lmlmm的電磁波，可以的電磁波，可以細(xì)分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波細(xì)分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波。既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線。既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波，是一種相對波長較長的電磁波電波和光波，是一種相對波長較長的電磁波，微波具有下列特點：，微波具有下列特點：(1) 空間輻射的裝置容易制造；空間輻射的裝置容易制造；(2) 遇到各種障礙物易于反射；遇到各種障礙物易于反射；(3) 繞射能力較差；繞射能力較差；(4) 傳輸傳輸(chun sh)特性良好，傳輸特性良好，傳輸(chun sh)過程中受煙、火焰、灰

37、塵、強光等的影過程中受煙、火焰、灰塵、強光等的影響很?。豁懞苄?；(5) 介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。比例，水對微波的吸收作用最強。第35頁/共46頁第三十六頁，共46頁。1. 微波振蕩器與微波天線微波振蕩器與微波天線 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，頻率很高波長很短，頻率很高(300MHz300GHz)，要求，要求(yoqi)振蕩回路具有非常微小的電感與電容，振蕩回路具有非常微小的電感與電容，故不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。故不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。

38、構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些構(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。小型微波振蕩器也可以采用場效應(yīng)管固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場效應(yīng)管。 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管管(波長在波長在10cm以上可用同軸線以上可用同軸線)傳輸，并通過天傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線有喇叭形性，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線有喇叭形天線，拋物面天線，介質(zhì)天線與隙縫天線等。天線，拋物面天線，介質(zhì)天線與隙縫天線等。第36頁/共46頁第三十

39、七頁，共46頁。2. 微波檢測器微波檢測器 電磁波作為空間電磁波作為空間(kngjin)的微小電場變動的微小電場變動而傳播，所以要選擇使電流而傳播，所以要選擇使電流電壓特性呈現(xiàn)非電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍必須有傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通?？捎冒雽?dǎo)體幾兆赫以下的頻率通?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對于結(jié)，而對于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在

40、靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測器、檢測器、SIS(Safety-instrumented system)檢測器檢測器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬氧化物金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。用由金屬氧化物金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。第37頁/共46頁第三十八頁，共46頁。微波傳感器的分類與特點微波傳感器的分類與特點 根據(jù)微波傳感器的原理，微波檢測傳感器可根據(jù)微波傳感器的原理，微波檢測傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。分為反射式與遮斷式兩種。 微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具微波傳感

41、器作為一種新型的非接觸傳感器具有以下特點：有以下特點：1. 有極寬的頻譜有極寬的頻譜(波長波長=1.0mm1.0m)可供選用，可供選用，可根據(jù)被測對象可根據(jù)被測對象 的特點選擇不同的測量頻率；的特點選擇不同的測量頻率；2. 在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；劣環(huán)境下工作； 3. 時間常數(shù)小，反映速度快，可以進(jìn)行動態(tài)檢測時間常數(shù)小，反映速度快，可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；與實時處理，便于自動控制；4. 測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非

42、電量的測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控于實現(xiàn)遙測和遙控(yokng)；5. 微波無顯著輻射公害。微波無顯著輻射公害。第38頁/共46頁第三十九頁，共46頁。微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用(yngyng)1. 微波液位儀微波液位儀 微波液位儀原理如圖微波液位儀原理如圖7-29所示。相距為所示。相距為S的的發(fā)射天線與接收天線，相互成一定角度。波長為發(fā)射天線與接收天線，相互成一定角度。波長為的微波信號從被測液面反射后進(jìn)入接收天線。的微波信號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將隨著被測液接收天線接收到的微波功率的大小將隨著被測液面的高低不同而異。面的高低不同而異。微波(wib)液位儀第39頁/共46頁第四十頁，共46頁。2. 微波濕度傳感器微波濕度傳感器 水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶極式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶