傳感器與檢測(cè)技術(shù)第九章

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)第九章 2022/8/31第1頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日9.1 光纖傳感器及其應(yīng)用19.2 超聲波傳感器及其應(yīng)用2目 錄2022/8/31第2頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日知識(shí)目標(biāo)：（1）了解光纖傳感器和超聲波傳感器的概念。 （2）掌握光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及超聲波傳感器的物理性質(zhì)。（3）熟悉兩種新型傳感器在工程上的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠使用常用儀器檢查兩種傳感器性能，判別其好壞。（2）能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作基本檢測(cè)單元模塊電路。（3）能夠?qū)χ谱鞯哪K電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。2022/8/31第3頁(yè)，共73頁(yè)，

2、2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。 （2）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團(tuán)隊(duì)合作能力。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：超聲波的物理性質(zhì)和光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理。教學(xué)難點(diǎn)：超聲波的物理性質(zhì)。2022/8/31第4頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日9.1 光纖傳感器及其應(yīng)用光纖傳感器具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕以及耗能少等優(yōu)點(diǎn)。 2022/8/31第5頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 光的全反射實(shí)驗(yàn) 2022/8/31第6頁(yè)，共73頁(yè)

3、，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日各種裝飾性光導(dǎo)纖維 2022/8/31第7頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠2022/8/31第8頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日9.1.1 光纖的基本概念（a）光纖的截面圖 （b）光纖的外觀圖圖9-1 光纖的結(jié)構(gòu)1纖芯； 2包層； 3緩沖層； 4加強(qiáng)層； 5PVC護(hù)套1.光纖的結(jié)構(gòu)2022/8/31第9頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光纜的外形及光纖的拉制 2

4、022/8/31第10頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光的反射、折射 當(dāng)一束光線以一定的入射角1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。 2022/8/31第11頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 光的全反射 當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角c。當(dāng)入射角小于c時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。2022/8/31第12頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光在光纖中的全反射

5、 2022/8/31第13頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光纖的類型 階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點(diǎn)均勻一致，稱為多模光纖。 2022/8/31第14頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開(kāi)軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時(shí)，降低到與包層區(qū)一樣。 2022/8/31第15頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日單孔型光纖 單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長(zhǎng)，光以電磁場(chǎng)“模”的原理在纖芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。 2022/8/31第

6、16頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日（a） 傳統(tǒng)傳感器9.1.2 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理2022/8/31第17頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日（b）光纖傳感器光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，在經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。 2022/8/31第18頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日（a）功能型 1）功能型光纖傳感器1.根據(jù)光纖在傳感器中的作用進(jìn)行分類分

7、為功能型光纖傳感器、非功能型光纖傳感器和拾光型光纖傳感器 9.1.3 光纖傳感器的分類2022/8/31第19頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等2022/8/31第20頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光纖水聽(tīng)器 2022/8/31第21頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日（b）非功能型2）非功能型光纖傳感器2022/8/31第22頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光纖傳感器外形 2022/8/31第23頁(yè)，共73頁(yè)

8、，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日3）拾光型光纖傳感器（c）拾光型2022/8/31第24頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日光纖溫度傳感器 2022/8/31第25頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日2.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式進(jìn)行分類 分為：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 2022/8/31第26頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)量的變化而引起敏感元件參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致光強(qiáng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的傳感器。

9、這種光纖傳感器可利用光纖的微彎損耗、振動(dòng)膜或者液晶的反射光強(qiáng)度的變化，以及物質(zhì)的熒光輻射或者光路的遮斷等構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。 2022/8/31第27頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日2）偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器是一種利用光偏振的變化來(lái)傳遞被測(cè)信號(hào)的傳感器。這種傳感器可利用光在磁場(chǎng)媒介中傳播的法拉第效應(yīng)做成電流或磁場(chǎng)傳感器，它可以避免光源強(qiáng)度的變化對(duì)其產(chǎn)生的影響，因此，靈敏度較高。 2022/8/31第28頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日3）頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器是一種利用單色

10、光照射到被測(cè)量物體上時(shí)反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。2022/8/31第29頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日4）相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器是利用被測(cè)量對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或者傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光的相位發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位的變化量，從而得到被測(cè)量的信息。 2022/8/31第30頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日1.反射式光纖位移傳感器 圖9-6 反射式光纖位移傳感器的工作原理9.1.4 光纖傳感器的應(yīng)用2022/8/31第31頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，

11、21點(diǎn)22分，星期日2022/8/31第32頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日2022/8/31第33頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日2.光纖壓力傳感器圖9-7 膜片反射式光纖壓力傳感器的原理圖1Y形光纖束； 2殼片； 3膜片2022/8/31第34頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日3.光纖溫度傳感器圖9-8 光纖溫度傳感器示意圖1感溫黑色殼體； 2彩色液晶； 3入射光纖； 4出射光纖2022/8/31第35頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器 2022/8

12、/31第36頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日4.熱雙金屬式光纖溫度開(kāi)關(guān)圖9-9 熱雙金屬式光纖溫度開(kāi)關(guān)的原理圖1遮光板； 2雙金屬片2022/8/31第37頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日5.球面光纖液位傳感器（a）不接觸液體的工況 （b）浸在液體中的工況圖9-10 球面光纖液位傳感器的原理圖1入射光纖； 2透明球形端面； 3包層； 4出射光纖2022/8/31第38頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日6.斜端面光纖液位傳感器（a）在空氣中 （b）在液體中 圖9-11 反射式斜端面光纖液位傳感器的原理圖1、2光纖； 3棱

13、鏡2022/8/31第39頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日7.單光纖液位傳感器圖9-12 單光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)1光纖； 2耦合器2022/8/31第40頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日（a）尖頂磨平的探頭 （b）尖頂磨平并粘上突出物的探頭圖9-13 改進(jìn)的光纖液位探頭2022/8/31第41頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日9.2 超聲波傳感器及其應(yīng)用主要學(xué)習(xí)超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測(cè)技術(shù)中的一些應(yīng)用，也涉及無(wú)損探傷的設(shè)備及方法。2022/8/31第42頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，

14、星期日9.2.1 超聲波的物理性質(zhì)1.超聲波的性質(zhì)高于20 KHz的聲波具有指向性好、能量集中、穿透本領(lǐng)大等特點(diǎn) 2022/8/31第43頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日蝙蝠依靠超聲波捕食2022/8/31第44頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 超聲波與可聞聲波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。超聲波霧化器超聲波加濕器2022/8/31第45頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波塑料焊接機(jī) 壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。 2022/8

15、/31第46頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日便攜式超聲波探魚器 超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。2022/8/31第47頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日2.超聲波的傳播方式超聲波的傳播方式主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。2022/8/31第48頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日縱波2022/8/31第49頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日橫波 2022/8/31第50頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分

16、，星期日表面波2022/8/31第51頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日3.聲速和波長(zhǎng)1.聲速 取決于介質(zhì)2.波長(zhǎng) c = f彈性系數(shù)密度聲阻抗Z：Z=c2022/8/31第52頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日4.超聲波的反射與折射當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，如果兩者的聲阻抗不同，就會(huì)在其分界面上產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，使一部分能量返回第一種介質(zhì)，另一部分能量穿過(guò)分界面進(jìn)入第二種介質(zhì)。當(dāng)兩種不同的介質(zhì)聲阻抗相差較大時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生超聲波反射。 2022/8/31第53頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日9.2.2 超聲波

17、傳感器的應(yīng)用 雙晶直探頭中的壓電晶片發(fā)射超聲振動(dòng)脈沖，超聲脈沖到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來(lái)，并被另一只壓電晶片所接收。只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c，就是超聲脈沖在被測(cè)件中所經(jīng)歷的來(lái)回距離，再除以2，就得到厚度 ： 2022/8/31第54頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日手持式超聲波測(cè)厚儀2022/8/31第55頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波測(cè)厚儀石料測(cè)厚2022/8/31第56頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波手持式測(cè)厚混凝土測(cè)厚木材測(cè)厚小提琴 木料測(cè)厚20

18、22/8/31第57頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日雙晶超聲波測(cè)厚探頭2022/8/31第58頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日雙晶超聲波測(cè)厚探頭（續(xù)）2022/8/31第59頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波清洗機(jī)當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體中時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間

19、產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千個(gè)大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。2022/8/31第60頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波清洗原理及清洗器（參考湖南省瀏陽(yáng)市醫(yī)用儀具廠 、北京德泰隆科技發(fā)展有限責(zé)任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物2022/8/31第61頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日3.超聲波液位計(jì) 在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。 2022/8/31第62頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日超聲波液位計(jì)的原理圖 1液面；2直管；3空氣超聲探頭； 4反射小板； 5電子開(kāi)關(guān) 2022/8/31第63頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日 喇叭形超聲發(fā)生器2022/8/31第64頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，21點(diǎn)22分，星期日4.超聲防盜報(bào)警器 圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接