傳感器與檢測技術(shù)第九章

1、傳感器與檢測技術(shù)第九章 2022/8/31第1頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日9.1 光纖傳感器及其應用19.2 超聲波傳感器及其應用2目 錄2022/8/31第2頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日知識目標：（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用。教學目標技能目標：（1）能夠使用常用儀器檢查兩種傳感器性能，判別其好壞。（2）能夠運用所學知識設(shè)計制作基本檢測單元模塊電路。（3）能夠?qū)χ谱鞯哪K電路進行簡單的測試。2022/8/31第3頁，共73頁，

2、2022年，5月20日，21點22分，星期日情感目標：（1）養(yǎng)成良好的工作責任心、堅強的意志力和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L。 （2）具有工作與學習良好的交流與團隊合作能力。教學重難點教學重點：超聲波的物理性質(zhì)和光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理。教學難點：超聲波的物理性質(zhì)。2022/8/31第4頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日9.1 光纖傳感器及其應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、動態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕以及耗能少等優(yōu)點。 2022/8/31第5頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日 光的全反射實驗 2022/8/31第6頁，共73頁

3、，2022年，5月20日，21點22分，星期日各種裝飾性光導纖維 2022/8/31第7頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日 發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到東方明珠球體的表面。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠2022/8/31第8頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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加強層； 5PVC護套1.光纖的結(jié)構(gòu)2022/8/31第9頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光纜的外形及光纖的拉制 2

4、022/8/31第10頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光的反射、折射 當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，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。 2022/8/31第11頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日 光的全反射 當減小入射角時，進入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應減小，將導致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角c。當入射角小于c時，入射光線將發(fā)生全反射。2022/8/31第12頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光在光纖中的全反射

5、 2022/8/31第13頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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均勻一致，稱為多模光纖。 2022/8/31第14頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。 2022/8/31第15頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，光以電磁場“?！钡脑碓诶w芯中傳導，能量損失很小，適宜于遠距離傳輸。 2022/8/31第

6、16頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點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自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 2022/8/31第18頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等2022/8/31第20頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光纖水聽器 2022/8/31第21頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光纖傳感器外形 2022/8/31第23頁，共73頁

8、，2022年，5月20日，21點22分，星期日3）拾光型光纖傳感器（c）拾光型2022/8/31第24頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日光纖溫度傳感器 2022/8/31第25頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日2.根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式進行分類 分為：強度調(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，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日1）強度調(diào)制型光纖傳感器強度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測量的變化而引起敏感元件參數(shù)的變化，從而導致光強度的變化來實現(xiàn)測量的傳感器。

9、這種光纖傳感器可利用光纖的微彎損耗、振動膜或者液晶的反射光強度的變化，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、溫度、位移等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。 2022/8/31第27頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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傳遞被測信號的傳感器。這種傳感器可利用光在磁場媒介中傳播的法拉第效應做成電流或磁場傳感器，它可以避免光源強度的變化對其產(chǎn)生的影響，因此，靈敏度較高。 2022/8/31第28頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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、光照射到被測量物體上時反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。2022/8/31第29頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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量對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或者傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導致光的相位發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位的變化量，從而得到被測量的信息。 2022/8/31第30頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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 光纖傳感器的應用2022/8/31第31頁，共73頁，2022年，5月20日，

11、21點22分，星期日2022/8/31第32頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日2022/8/31第33頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日 保護管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器 2022/8

12、/31第36頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日4.熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)圖9-9 熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)的原理圖1遮光板； 2雙金屬片2022/8/31第37頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點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 改進的光纖液位探頭2022/8/31第41頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日9.2 超聲波傳感器及其應用主要學習超聲波的物理特性，著重了解超聲波在檢測技術(shù)中的一些應用，也涉及無損探傷的設(shè)備及方法。2022/8/31第42頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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 2022/8/31第43頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日蝙蝠依靠超聲波捕食2022/8/31第44頁，共73頁，2022年，5月20日，21點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。超聲波霧化器超聲波加濕器2022/8/31第45頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日超聲波塑料焊接機 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，共73頁，2022年，5月20日，21點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，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，共73頁，2022年，5月20日，21點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，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日縱波2022/8/31第49頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日橫波 2022/8/31第50頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分

16、，星期日表面波2022/8/31第51頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日3.聲速和波長1.聲速 取決于介質(zhì)2.波長 c = f彈性系數(shù)密度聲阻抗Z：Z=c2022/8/31第52頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日4.超聲波的反射與折射當超聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，如果兩者的聲阻抗不同，就會在其分界面上產(chǎn)生反射和透射現(xiàn)象，使一部分能量返回第一種介質(zhì)，另一部分能量穿過分界面進入第二種介質(zhì)。當兩種不同的介質(zhì)聲阻抗相差較大時，便會產(chǎn)生超聲波反射。 2022/8/31第53頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日9.2.2 超聲波

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

18、22/8/31第57頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日雙晶超聲波測厚探頭2022/8/31第58頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日雙晶超聲波測厚探頭（續(xù)）2022/8/31第59頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日超聲波清洗機當弱的聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，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；而當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(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，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間

19、產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，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)生的沖擊波來達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體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。2022/8/31第60頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日超聲波清洗原理及清洗器（參考湖南省瀏陽市醫(yī)用儀具廠 、北京德泰隆科技發(fā)展有限責任公司資料）超聲換能器氣泡波浪清洗物2022/8/31第61頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日3.超聲波液位計 在液罐上方安裝空氣傳導型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時間，就可測得液體的液面。 2022/8/31第62頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日超聲波液位計的原理圖 1液面；2直管；3空氣超聲探頭； 4反射小板； 5電子開關(guān) 2022/8/31第63頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日 喇叭形超聲發(fā)生器2022/8/31第64頁，共73頁，2022年，5月20日，21點22分，星期日4.超聲防盜報警器 圖中的上半部分為發(fā)射電路，下面為接