傳感器原理與應(yīng)用yyq

傳感器原理與應(yīng)用 <三）三、發(fā)射類(lèi)傳感器1．光電傳感器(1>原理和組成光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光地變化 ,再將光地變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)地傳感器光電傳感器在一般由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路組成 .發(fā)送器里裝有發(fā)光二極管、激光

.b5E2RGbCAP二極管等發(fā)光元件 ,對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射連續(xù)光束或經(jīng)過(guò)調(diào)制地脈沖光束 .接收器里裝有光電二極管、光電三極管等光敏元件 .在接收器地前面 ,裝有透鏡、光圈等光學(xué)元件 .在接收器地后面是檢測(cè)電路,用以濾出有效信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理 .有地光電傳感器還有反射板、光導(dǎo)纖維等結(jié)構(gòu)元件.p1EanqFDPw(2>光電元件現(xiàn)在應(yīng)用地主要是半導(dǎo)體光電元件 .常用光電元件有光敏電阻、光電池和光敏晶體管 .①光敏電阻硫化鎘等半導(dǎo)體在光子轟擊下,電子由價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶,導(dǎo)電性明顯增強(qiáng),電阻率明顯下降.應(yīng)用這些材料可制成光敏電阻.在無(wú)光線(xiàn)照射地情況下,光敏電阻為兆歐級(jí)電阻<暗阻）；在有光線(xiàn)照射地條件下,光敏電阻地阻值在數(shù)千歐以下<亮阻）.DXDiTa9E3d圖54光敏電阻地特性光敏電阻地特性見(jiàn)圖 54.(a>是伏安特性.它表明隨著照度地增加 ,光電流明顯增大 ,且線(xiàn)性良好.(b>是光照特性.它光電流與光通量城非線(xiàn)性 ,宜用作開(kāi)關(guān)元件 .(c>是光譜特性.光譜特性呈峰狀.其原因是波長(zhǎng)增大時(shí)光子能量降低使靈敏度降低 ,而波長(zhǎng)減小時(shí)部分不能到達(dá)光敏電阻也使靈敏度降低 .(d>是頻率特性 .它表明靈敏度隨脈沖頻率升高而下降 ,光敏電阻也有惰性.(e>是光譜溫度特性.她表明溫度升高時(shí)特性左移.這是由于溫度升高時(shí)暗阻下降,光電流減小,靈敏度降低地緣故.RTCrpUDGiT光敏電阻具有體積小、制造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低地特點(diǎn).②光電池 是在光子轟擊下電子擴(kuò)散增強(qiáng) ,能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)地半導(dǎo)體元件 ,常見(jiàn)地有硅光電池和硒光電池 .其光譜特性、頻率特性與光敏電阻相似 .其光照特性見(jiàn)圖 55(a>、溫度特性見(jiàn)圖55(b>.圖中,U為輸出電壓、I為輸出電流、F為照度、T溫度.光電池地特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、光譜寬、效率高.5PCzVD7HxA圖55光電池地特性③光敏晶體管 是根據(jù)光子轟擊能減小 PN結(jié)阻擋層厚度制成地光電元件 ,包括光敏二極管和光敏三極管 .對(duì)于光敏二極管；無(wú)光時(shí)正向電流極小 ,而有光時(shí)正向電流顯著增大 .對(duì)于光敏三極管,無(wú)光時(shí)不導(dǎo)通；有光時(shí),出現(xiàn)基極電流,三極管導(dǎo)通.其特性與光敏電阻相似.光敏三極管地伏安特性見(jiàn)圖56.jLBHrnAILg圖56光敏三極管地伏安特性(3>光電檢測(cè)傳感器這類(lèi)傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化地光電流進(jìn)行檢測(cè) .其光源地照度均勻恒定 .所用光電元件地光照特性應(yīng)有良好地單值性和線(xiàn)性 .其主要類(lèi)型有： xHAQX74J0X①輻射式如圖57(a>所示,被測(cè)物體本身是光輻射源,由它釋出地光射向光電元件,有光電元件地輸出進(jìn)行檢測(cè).屬于這一類(lèi)地應(yīng)用有光電高溫計(jì)、光電比色高溫計(jì)、紅外偵察、紅外遙感、天文探測(cè)、防火報(bào)警等.LDAYtRyKfE②吸收式 如圖57(b>所示,被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間 ,根據(jù)被測(cè)物對(duì)光地吸收程度或?qū)ζ渥V線(xiàn)地選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù) .屬于這一類(lèi)地應(yīng)用有液體、氣體地透明度、混濁度地檢測(cè),其他成分、液體成分分等 . Zzz6ZB2Ltk③反射式 如圖57(c>所示,恒定光源釋出地光投射到被測(cè)物體 ,再?gòu)钠浔砻娣瓷涞焦怆娫?根據(jù)反射地光通量檢測(cè)被測(cè)物表面性質(zhì)和狀態(tài) .屬于這一類(lèi)地應(yīng)用有零件表面光潔度、表面缺陷、表面位移地檢測(cè)等 . dvzfvkwMI1④遮光式 如圖57(d>所示,被測(cè)物位于恒定光源與光電元件之間 ,根據(jù)被測(cè)物阻檔光通量地多少來(lái)測(cè)定被測(cè)物位移、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù) .rqyn14ZNXI⑤時(shí)差測(cè)距式 是將恒定光源發(fā)出地光投射于目標(biāo)物 ,經(jīng)目標(biāo)物反射至光電元件 ,根據(jù)發(fā)射與接收之間地時(shí)間差測(cè)出距離 .光電測(cè)距儀屬于這種裝置 .EmxvxOtOco圖57光電檢測(cè)傳感器1-被測(cè)物；2-光源；3-光電元件光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表地工作原理見(jiàn)圖 58.圖58(a>表示轉(zhuǎn)軸上涂黑白兩種顏色地工作方式當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),反光與不反光交替出現(xiàn) ,光電元件間斷地接收反射光信號(hào) ,輸出電脈沖.經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào) ,由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)得電機(jī)地轉(zhuǎn)速 .圖58(b>為電機(jī)軸上安裝一帶齒地調(diào)制盤(pán).其工作原理與圖 58(a>相同.SixE2yXPq5

.圖

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光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表(4> 光 電 開(kāi) 關(guān)①槽型光電開(kāi)關(guān) 將一個(gè)光發(fā)射器裝在槽地一側(cè) ,將一個(gè)接收器裝在槽地對(duì)側(cè) .光發(fā)射器發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光 ,在無(wú)阻礙地情況下接收器能收到光信號(hào) .當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí),光線(xiàn)被遮擋,光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作,并輸出開(kāi)關(guān)控制信號(hào),切斷或接通電路.②對(duì)射式光電開(kāi)關(guān) 相當(dāng)于一個(gè)將光發(fā)射器和光接收器分離安裝地槽型光電開(kāi)關(guān) .其檢測(cè)距 離 可 達(dá) 數(shù) M 到 數(shù) 十 M.③反光板反射式光電開(kāi)關(guān) 將光發(fā)射器和光接收器裝在同一個(gè)裝置內(nèi) ,在其前方裝一塊反光 板 , 利 用 反 射 光 制 成 地 光 電 開(kāi) 關(guān) .④擴(kuò)散反射式光電開(kāi)關(guān) 也是將光發(fā)射器和光接收器裝在同一個(gè)裝置內(nèi) ,但前方?jīng)]有反光板.正常情況下接收不到反射光 .當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí) ,把光部分反射回來(lái)起控制作用 . (5>光電耦合 器光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成<圖 59）,用以傳遞信號(hào)并屏蔽干擾.6ewMyirQFL圖59光電耦合器(6>光纖傳感器光纖傳感器是應(yīng)用光導(dǎo)纖維傳遞光信號(hào)地光電傳感器 .光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量小等許多優(yōu)點(diǎn),是一種前途寬廣地新型傳器.kavU42VRUs

感光導(dǎo)纖維用比頭發(fā)還細(xì)地石英玻璃絲制成 ,每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形纖芯和包層組成,為雙層同心圓柱結(jié)構(gòu) .光導(dǎo)纖維用光透射率高地電介質(zhì) <如石英、玻璃、塑料等）制成 .纖芯對(duì)光地折射率略大于包層對(duì)光地折射率 ,構(gòu)成光通路.如圖 60所示,當(dāng)光線(xiàn)入射角 <光線(xiàn)與界面垂線(xiàn)地夾角）地正弦大于或等于包層折射率與纖芯折射率時(shí) ,光線(xiàn)將不進(jìn)入包層 ,而在界面上發(fā)生全發(fā)射 ,逐次折射,傳遞到光導(dǎo)纖維地另一端 <詳見(jiàn)Snell定律）.y6v3ALoS89圖60光導(dǎo)纖維光纖傳感器分為功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器 .前者是由對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能地光導(dǎo)纖維制成地 “感”、“傳”合為一體地傳感器；后者地光導(dǎo)纖維只起傳輸光線(xiàn)地作用 ,與其他敏感元件一起組成測(cè)試系統(tǒng) .M2ub6vSTnP圖61所示為半導(dǎo)體吸光式光纖溫度傳感器 .在一根切斷地光纖地兩端面間夾一塊半導(dǎo)體感溫薄片.這種半導(dǎo)體感溫薄片吸收入射光地能力隨溫度變化 ,當(dāng)光纖一端輸入恒定光強(qiáng)地光時(shí),另一端接收元件所接受地光強(qiáng)將隨被測(cè)溫度地變化而變化 .0YujCfmUCw圖

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半導(dǎo)體吸光式光纖溫度傳感器(7>激光傳感器激光傳感器激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成 .其特點(diǎn)是,響應(yīng)快、精度高、量程大、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng) .eUts8ZQVRd激光由激光器產(chǎn)生 .激光器地工作物質(zhì) ,在正常狀態(tài)下 ,多數(shù)原子處于穩(wěn)定地低能級(jí)狀態(tài)；在適當(dāng)頻率地外界光線(xiàn)地作用下 ,即在光子轟擊下 ,低能級(jí)地原子吸收光子能量 <光子能量與光地頻率成正比）躍遷到高能級(jí)狀態(tài) .反之,處于高能級(jí)狀態(tài)地原子在一定頻率地光地誘發(fā)下,會(huì)躍遷到低能級(jí)狀態(tài) ,并釋放能量而發(fā)光 <受激輻射） .由此可見(jiàn),激光器必須先使工作物質(zhì)地多數(shù)原子處于高能級(jí)狀態(tài) ,實(shí)現(xiàn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 .然后,使一定頻率地光誘發(fā) ,并可通過(guò)平行地反射鏡形成雪崩式地放大作用 ,產(chǎn)生激光 .與普通光相比 ,激光地特點(diǎn)是：sQsAEJkW5T①高方向性,激光束在數(shù)千 M外地?cái)U(kuò)展范圍不過(guò)數(shù)厘 M；②高單色性,激光地頻率寬度不到普通光地 1/10；③ 高 亮 度 ,利 用激 光 束 會(huì) 聚 可產(chǎn) 生 數(shù) 百 萬(wàn)攝 氏 度 地 高 溫.按 照 工 作 物 質(zhì) , 激 光 器 分 為 以 下 幾 類(lèi) .①固體激光器 常用地有紅寶石激光器、釔鋁石榴石激光器、和釹玻璃激光器 .其特點(diǎn)是體積小、堅(jiān)固、功率高 .紅寶石激光器地組成見(jiàn)圖 62.激光在紅寶石內(nèi)往復(fù)反射并放出強(qiáng)激光.GMsIasNXkA圖62紅寶石激光器示意圖1-全反射鏡；2-紅寶石；3-部分反射鏡； 4-脈沖氙燈②氣體激光器常用地有二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器.其形狀類(lèi)似普通放電管.其特點(diǎn)是輸出穩(wěn)定、單色性好、壽命長(zhǎng),功率較小、轉(zhuǎn)換效率較低.③液體激光器 分為無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器 .其最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)④半導(dǎo)體激光器 常用地有砷化鎵激光器 .其特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大 .TIrRGchYzg激光傳感器可用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量地測(cè)量 ,還可用于探傷和大氣污染物地監(jiān)測(cè)等 .

.,2．紅外傳感器紅外傳感器是利用紅外輻射制成地傳感器

,可用于測(cè)溫、探傷、氣體分析

.(1>紅外輻射紅外輻射俗稱(chēng)紅外線(xiàn) ,是一種不可見(jiàn)光 .無(wú)線(xiàn)電波地頻率和波長(zhǎng)大約為 31053108Hz和105102cm,微波地大約為 310831011Hz和10210-1cm,紅外線(xiàn)地 3101131015Hz和10-1 -5 15 16 -5 -610cm,紫外線(xiàn)地 310 310Hz和10 10cm.頻率更高、波長(zhǎng)更小地還有 X射線(xiàn)、 射線(xiàn)、宇宙射線(xiàn).可見(jiàn)光地頻段是很窄地,波長(zhǎng)為0.1m數(shù)量級(jí).紅外線(xiàn)地頻段比可見(jiàn)光寬得多.波長(zhǎng)0.763m地為近紅外波段,波長(zhǎng)36m地為中紅外波段,波長(zhǎng)615m地為遠(yuǎn)紅外波段,波長(zhǎng)151000m地為超遠(yuǎn)紅外波段.7EqZcWLZNX紅外輻射地實(shí)質(zhì)熱輻射.物體溫度越高,輻射出來(lái)地紅外線(xiàn)越多,輻射能量大.與可見(jiàn)光一樣,紅外輻射在真空中也以光速傳播,也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性,而且具有明顯地波粒兩重屬性.lzq7IGf02E與所有電磁波一樣,紅外輻射以波地形式在空間直線(xiàn)傳播.紅外輻射在大氣中傳播時(shí),大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)地紅外線(xiàn)有不同地吸收帶.紅外氣體分析器就是利用這一特性工作地.空氣中對(duì)稱(chēng)地雙原子氣體,如N2、O2、H2等不吸收紅外線(xiàn).紅外線(xiàn)通過(guò)大氣層時(shí),有三個(gè)波段地透過(guò)率高.這三個(gè)波段是22.6μm、35μm和814μm,統(tǒng)稱(chēng)為“大氣窗口”.紅外探測(cè)器一般都工作在這zvpgeqJ1hk三個(gè)波段.(2>紅外探測(cè)器紅外傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成.紅外探測(cè)器是紅外傳感器地核心.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)地物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅NrpoJac3v1外輻射地.紅外探測(cè)器地種類(lèi)很多,按探測(cè)機(jī)理主要分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器.①熱探測(cè)器熱探測(cè)器地工作原理是：利用紅外輻射地?zé)嵝?yīng),探測(cè)器地敏感元件吸收輻射能后溫度升高,引起某些物理參數(shù)發(fā)生變化,再通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)地變化量來(lái)確定探測(cè)器所吸收地紅外輻射.熱探測(cè)器主要有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型四類(lèi).其中,熱釋電型探測(cè)器探測(cè)率最高、頻率響應(yīng)最寬 ,應(yīng)用廣泛.1nowfTG4KI熱釋電型探測(cè)器地原理見(jiàn)圖 63.電介質(zhì)加上電壓將發(fā)生極化 ,表面上生成極化電荷 .極化強(qiáng)度與溫度有關(guān) .溫度越高時(shí)極化強(qiáng)度越低 .如圖所示,在電極外側(cè)貼上黑色膜 ,令其接受紅外.fjnFLDa5Zo線(xiàn)照射.在紅外線(xiàn)照射下,溫度升高,電極上電荷減少,電路中地電流將發(fā)生變化.由于電荷減少相當(dāng)于釋放部分電荷,這種傳感器稱(chēng)為熱釋電型探測(cè)器.熱釋電型紅外探測(cè)器地電介質(zhì)采用水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體材料與光子探測(cè)器相比探測(cè)器地響應(yīng)波段寬

圖63熱釋電型紅外探測(cè)器原理,熱探測(cè)器地探測(cè)率比光子探測(cè)器地峰值探測(cè)率低,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域；可以在常溫下工作

,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng) .但熱,使用方便.tfnNhnE6e5②光子探測(cè)器 光子探測(cè)器地工作原理是：利用紅外線(xiàn)輻射地光子流與探測(cè)器材料內(nèi)地電子互相作用點(diǎn)是靈敏度高作.HbmVN777sL

,改變材料內(nèi)電子地能量狀態(tài),以改變電路地某些參數(shù).光子探測(cè)器地主要特,響應(yīng)速度快,具有較高地響應(yīng)頻率；其探測(cè)波段較窄,一般需在低溫下工(3>紅外測(cè)溫儀當(dāng)物體溫度低于 1000℃時(shí),向外輻射地不再是可見(jiàn)光而是紅外光 .紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段地輻射通量來(lái)測(cè)量溫度地 .如采用濾光片分離紅外光地波段 ,可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段 .V7l4jRB8Hs紅外測(cè)溫儀地框圖見(jiàn)圖 64.被測(cè)目標(biāo)地紅外輻射通過(guò)透鏡、濾光片、調(diào)制盤(pán)聚焦在紅外探測(cè)器上,并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到前置放大級(jí)；調(diào)制盤(pán)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) ,步進(jìn)電機(jī)由多諧振蕩器提供電源；加法器將經(jīng)紅外照射地溫度電信號(hào)與經(jīng)溫度傳感器取得地溫度電信號(hào)進(jìn)行比較和運(yùn)算；最后經(jīng)數(shù) /模轉(zhuǎn)換并顯示被測(cè)目標(biāo)地溫度 .濾光片地作用是只讓一定波長(zhǎng) <一般為814μm）地紅外光通過(guò) .調(diào)制盤(pán)地作用是將被測(cè)地紅外線(xiàn)轉(zhuǎn)換成交變地紅外線(xiàn) .83lcPA59W9圖64紅外測(cè)溫儀地框圖1-透鏡。2-濾光片。3-調(diào)制盤(pán)。4-紅外探測(cè)器。5-溫度傳感器。 6-步進(jìn)電機(jī)紅外測(cè)溫儀地光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式地 ,也可以是反射式地 .反射式光學(xué)系統(tǒng)采用凹面玻璃反射鏡,并在反射鏡地表面鍍金、鋁、鎳等對(duì)紅外輻射反射率很高地金屬材料 .mZkklkzaaP(4>紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀是根據(jù)不同氣體對(duì)紅外線(xiàn)具有不同地吸收特性來(lái)分析氣體成分地 .幾種氣體對(duì)紅外線(xiàn)地透射光譜見(jiàn)圖 65.該圖表明,CO氣體對(duì)波長(zhǎng) 4.65μm左右地紅外線(xiàn)有很強(qiáng)地吸收能力；CO2氣體對(duì)波長(zhǎng) 2.78μm、4.26μm左右以及波長(zhǎng) 13μm以上紅外線(xiàn)有很強(qiáng)地吸收能力等.根據(jù)透射光譜圖 ,選取適當(dāng)波長(zhǎng)地紅外線(xiàn)就可對(duì)氣體進(jìn)行分析 .AVktR43bpw圖65氣體對(duì)紅外線(xiàn)地透射光譜紅外氣體分析儀由紅外線(xiàn)輻射光源、氣室、紅外檢測(cè)器、測(cè)量電路等組成 <圖66）.光源是先由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出 310μm地紅外線(xiàn),再由切光片將連續(xù)地紅外線(xiàn)調(diào)制成脈沖地紅外線(xiàn),以便于紅外線(xiàn)檢測(cè)器地檢測(cè) .濾波氣室濾去不需要地紅外線(xiàn) .測(cè)量氣室中通入被分析地氣體,參比氣室中封入不吸收紅外線(xiàn)地氣體 <如N2等）.紅外檢測(cè)器是帶有兩個(gè)吸收氣室地薄膜電容型檢測(cè)器 .吸收氣室地氣體吸收了紅外輻射能量后 ,氣體溫度升高 ,室內(nèi)壓力將發(fā)生變化.例如,分析 CO氣體地含量時(shí) ,兩束紅外線(xiàn)經(jīng)反射、切光后射入測(cè)量氣室和參比氣室 ,由于CO氣體對(duì) 4.65μm地紅外線(xiàn)有較強(qiáng)地吸收能力 ,而參比氣室中氣體不吸收紅外線(xiàn) ,射入紅外探測(cè)器兩個(gè)吸收氣室地紅外線(xiàn)產(chǎn)生能量差異 ,使測(cè)量邊吸收室地壓力較小 ,薄膜向右方偏移輸出電容量增大 .也就是說(shuō),電容地變化量是被分析氣體中某種氣體濃度地函數(shù) .ORjBnOwcEd

,圖66紅外氣體分析儀組成圖(5>紅外探傷紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種 .被動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)是利用待測(cè)對(duì)象本身發(fā)熱地紅外線(xiàn)輻射來(lái)進(jìn)行檢測(cè) .2MiJTy0dTT主動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)就是紅外探傷 .紅外探傷技術(shù)包括針對(duì)各類(lèi)工件選擇不同特性地?zé)嵩催M(jìn)行周期、脈沖、直流等方式地加熱；采用紅外成像技術(shù) ,并在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行時(shí)序熱波信號(hào)探測(cè)和數(shù)據(jù)采集；使用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)圖象信號(hào)處理和分析 .人為給工件加熱后,在工件中形成熱流傳播 .由于工件有缺陷地方地?zé)醾鲗?dǎo)率不同 ,工件表面上產(chǎn)生不同地溫度,并有有不同地紅外輻射強(qiáng)度 .于是,可以根據(jù)紅外熱圖像判定工件中有無(wú)裂紋、剝離、夾層等缺陷 .gIiSpiue7A紅外探傷有穿透法和反射法 .穿透法是加熱工件地一個(gè)側(cè)面 ,在其另一個(gè)側(cè)面用紅外攝像儀接收工件表面地溫度場(chǎng)分布并生成熱圖像 .工件內(nèi)地缺陷會(huì)對(duì)熱流地傳播產(chǎn)生阻礙作用,并在待測(cè)工件表面上對(duì)應(yīng)地位置形成一個(gè)低溫區(qū) ,在紅外攝像儀上接收到地?zé)釄D像將則是一個(gè)暗區(qū) .反射法加熱工件地一面 ,在同一面用紅外攝像儀接收工件表面地溫度場(chǎng)分布并生成熱圖像 .工件內(nèi)地缺陷阻礙熱流地傳播 ,并造成能量反射 ,在缺陷部位對(duì)應(yīng)地表面形成一個(gè)高溫區(qū) ,在熱圖像出現(xiàn)一個(gè)亮區(qū) .uEh0U1Yfmh通過(guò)熱圖像可以計(jì)算出缺陷地位置、形狀、大小等需要探測(cè)地特征 .紅外檢測(cè)技術(shù)可用于有摩擦地運(yùn)動(dòng)部件、鋼包、鍋爐、 電器、電 子線(xiàn)路、 電纜、變 配電裝置等場(chǎng)合.IAg9qLsgBX3．超聲波傳感器(1>超聲波超聲波是頻率 20kHz以上地機(jī)械波 .幾種波地頻段見(jiàn)圖 67.超聲波地頻率越高 ,聲場(chǎng)地指向性越好、能量越集中,而且與光波地某些特性越接近.用于檢測(cè)地超聲波地頻段是6 60.2510 2010Hz.WwghWvVhPE圖67波地頻段超聲波地特點(diǎn)是：①波長(zhǎng)小,散射小,方向性好.②穿透性強(qiáng),在固體內(nèi)可達(dá)數(shù)十 M.③反射、折射特征明顯 ,宜用于探傷、測(cè)厚 .例如,對(duì)于厚度為 1/2波長(zhǎng)整數(shù)倍者 ,反射最小,容易穿透；對(duì)于厚度為1/4波長(zhǎng)整數(shù)倍者,反射最大,不易穿透.asfpsfpi4k超聲波有以下幾種基本波型,即①縱波 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波地傳播方向一致地波 .縱波能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播.②橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波地傳播方向垂直地波.橫波只能在固體介質(zhì)中傳播.③表面波質(zhì)點(diǎn)地振動(dòng)介于橫波與縱波之間,沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?其質(zhì)點(diǎn)軌跡為橢圓形<見(jiàn)圖68）；其振幅隨深度增加而迅速衰減地波 .表面波只在固體地表面?zhèn)鞑?.ooeyYZTjj1圖

68

表面波④蘭姆波 沿厚度與波長(zhǎng)近似相等地薄板傳播地超聲波 .超聲波地傳播速度與介質(zhì)密度、彈性、壓強(qiáng)等因素有關(guān) .超聲波在氣體和液體中傳播時(shí) ,由于不存在剪切應(yīng)力,僅有縱波地傳播.氣體中地傳播速度為344m/s、液體中地為9001900m/s.在固體中,橫波傳播速度為縱波地1/2,表面波傳播速度為橫波地90%.BkeGuInkxI如圖69所示,當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),在兩介質(zhì)地上,一部分能量從分界面反射回原介質(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.如果第一種介質(zhì)是均勻介質(zhì),則入射角等于反射角.入射角與折射角地關(guān)系是PgdO0sRlMosin c1sin c2c1和c2是超聲波在兩種介質(zhì)里地傳播速度 .折射和反射常用于超聲波檢測(cè) .圖

69

超聲波反射和折射(2>常用超聲波傳感器超聲波探頭有壓電式探頭、磁致伸縮式探頭、電磁式探頭等 .最為常用地是壓電式探頭 .壓電式探頭是利用壓電晶體、壓電陶瓷等壓電材料地壓電效應(yīng)來(lái)工作地 .發(fā)射探頭利用逆壓電效應(yīng),即將高頻電氣振蕩轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng) ,發(fā)射超聲波；接收探頭利用正壓電效應(yīng) ,即將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào) ,接收超聲波.3cdXwckm15壓電式超聲波探頭主要由壓電晶片、吸收塊

<阻尼塊）、保護(hù)膜、連接線(xiàn)等組成

.其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 70.壓電晶片多為圓形；其兩面鍍銀作導(dǎo)電地極板用；超聲波頻率與其厚度成反比阻尼塊地作用是當(dāng)激勵(lì)停止時(shí) ,晶片迅速停止振動(dòng)以提高傳感器地分辨率 .h8c52WOngM

.圖

70

壓電式超聲波探頭超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)地分界面上地反射地特性制成地 .根據(jù)發(fā)射波脈沖與反射波脈沖之間地時(shí)間間隔可測(cè)物位 <或距離）.圖71是物位傳感器探頭地幾種安裝方式.71(a>、(b>將探頭裝在液體內(nèi) ,超聲波衰減較慢 ,發(fā)射波脈沖地幅值可以較?。?71(c>、(d>將探頭裝在空氣中 ,超聲波衰減較快 ,發(fā)射波脈沖地幅值必須較大 ,但安裝方便.v4bdyGious圖71超聲波物位測(cè)量超聲波在液體里地傳播速度與液體流速有關(guān) .如在靜止液體里地傳播速度為 c、液體流速為v,則超聲波順流速方向和逆流速方向地傳播速度分別為 c+v和cv.如果在管道內(nèi)不同位置安裝超聲波發(fā)射探頭和接收探頭 ,根據(jù)發(fā)射波與反射波之間地時(shí)間間隔可測(cè)量流速、流量.J0bm4qMpJ9(3>超聲波探傷超聲波探傷常應(yīng)用反射法和穿透法 .超聲波探可利用脈沖波、連續(xù)脈沖波進(jìn)行檢測(cè) .反射法是將超聲波脈沖發(fā)射波到被檢測(cè)工件內(nèi) ,根據(jù)反射波地情況來(lái)檢測(cè)工件地缺陷 .圖72是缺陷回波法地示意圖.無(wú)缺陷時(shí),底面反射波略低于發(fā)射波.有缺陷時(shí),底面反射波明顯低于發(fā)射波甚至消失,而且中間出現(xiàn)缺陷反射波.XVauA9grYP圖72缺陷回波法(a>無(wú)缺陷 (b>有缺陷1-入射波。2-底面反射波。3-缺陷反射波圖73是多次底波法地示意圖.無(wú)缺陷時(shí),屏幕顯示均勻波形.有小缺陷時(shí),出現(xiàn)缺陷反射波,屏幕顯示不均勻.有大缺陷時(shí),相鄰波之間地間隔減小.bR9C6TJscw圖73多次底波法(a>無(wú)缺陷

(b>有缺陷

(c>有大缺陷穿透法是根據(jù)發(fā)射波穿透工件之后地能量變化來(lái)判斷缺陷情況地一個(gè)用于發(fā)射,一個(gè)用于接收 ,分置在被測(cè)工件地兩側(cè) .pN9LBDdtrd

.因此,穿透法需要兩個(gè)探頭

,為適應(yīng)被檢測(cè)工件形狀和探測(cè)要求地需要<橫波）、表面波探頭 <表面波）、蘭姆波探頭

,有多種型式地探頭 ,如直探頭<縱波）、斜探頭<蘭姆波）等.探頭陪有不同形狀地楔塊 ,并用耦合劑接觸法或液浸法與固定在被檢測(cè)工件上

.DJ8T7nHuGT4．微波傳感器微波是波長(zhǎng)為 1mm 1m地電磁波,分為分M波、厘M波、毫M波三個(gè)波段.微波地特點(diǎn)是：遇到各種障礙物易于反射；繞射能力差；傳輸能力強(qiáng)塵、強(qiáng)光地影響小；介質(zhì)對(duì)微波地吸收與介質(zhì)地介電常數(shù)成比例此外,微波定向輻射裝置工藝較簡(jiǎn)單 .QF81D7bvUA

,傳輸過(guò)程受煙霧、火焰、灰,水對(duì)微波地吸收作用最強(qiáng)

.(1>微波傳感器地組成微波傳感器地工作包括發(fā)射和接收兩個(gè)階段 .由微波天線(xiàn)發(fā)射微波 ,微波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射 ,功率發(fā)生變化 .由接收天線(xiàn)接收到通過(guò)被測(cè)物體地或由被測(cè)物體反射回來(lái)地微波,并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ,再經(jīng)過(guò)處理,即可以顯示出被測(cè)量 ,實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè) .4B7a9QFw9h微波傳感器分為反射式和遮斷式兩類(lèi) .反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)地微波功率或經(jīng)過(guò)地時(shí)間間隔來(lái)進(jìn)行測(cè)量地 ,可用于測(cè)量物體地位置、位移、厚度等參數(shù) .遮斷式微波傳感器是通過(guò)接收天線(xiàn)收到地微波功率來(lái)進(jìn)行測(cè)量地 ,可用于測(cè)量被