《气电式传感器》PPT课件

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1、自 学 一 、 气 动 测 量 原 理 分 类 1、 压 力 式 气 动 测 量 原 理 2、 流 量 式 气 动 测 量 原 理压 力 式 气 电 传 感 器流 量 式 气 电 传 感 器 二 、 压 力 式 气 动 测 量 原 理 pg pc 1、 管 道2、 进 气 喷 嘴3、 压 力 表4、 气 室5、 测 量 喷 嘴6、 工 件Z 221g )d4ad1 ZPPC （ Pg工 作 压 力 ； Pc测 量 压 力 ；a流 量 系 数 ；d测 量 喷 嘴 直 径 ；d1进 气 喷 嘴 直 径 ； 特 性 曲 线 ： Pg Z线 性 度 取 决 于 进 气 喷 嘴 直 径 的 大 小 一

2、、 振 弦 式 传 感 器 - 弦 乐 器 和 乐 鼓 改 变 弦 的 粗 细 和 长 度 ， 或 改变 鼓 皮 的 张 紧 度 和 厚 度 ， 就 可 改 变 它 们 的发 声 频 率 。 谐 振 式 传 感 器 顾 名 思 义 ， 传 感 器 的 敏 感 元 件 是 一 根 张 紧 的 金 属 丝 ， 称 为振 弦 。 在 电 激 励 下 ， 振 弦 按 其 固 有 频 率 振 动 。 改 变 振 弦 的张 力 F， 可 以 得 到 不 同 的 振 动 频 率 f， 即 张 力 与 谐 振 频 率 成单 值 函 数 关 系 。 )(Ff Ff 对 已 定 传 感 器 ： （ 一 ） 、 工

3、 作 原 理 （ 二 ） 、 振 弦 式 传 感 器 的 应 用 振 弦 式 混 凝 土 表 面 应 变计 运 用 ： 测 量 混 凝 土 表 面 的应 变 ， 主 要 设 计 用 于 安 装到 混 凝 土 结 构 上 ， 如 :混 凝土 结 构 、 桩 ； 梁 ； 桥 ； 锚筋 ； 隧 洞 衬 砌 ； 吊 索 。 在混 凝 土 结 构 上 以 及 使 用 区间 有 限 的 部 位 仅 需 一 个 小截 面 即 可 安 装 。 运 用 ： 用 于 测 量 和 控 制 纵向 运 动 ， 水 坝 和 河 堤 沉 降 ；建 筑 地 基 和 储 油 罐 的 沉 降和 隆 起 ； 海 填 埋 的 施 工

4、 控制 ； 桥 墩 和 桥 拱 座 的 沉 降 ；掩 埋 场 的 监 测 ； 频 率 高 于 20kHz的 机 械 振 动 波 称 为 超 声 波 。它 的 指 向 性 很 好 ， 能 量 集 中 ， 因 此 穿 透 本领 大 ， 能 穿 透 几 米 厚 的 钢 板 ， 而 能 量 损 失不 大 。 在 遇 到 两 种 介 质 的 分 界 面 （ 例 如 钢板 与 空 气 的 交 界 面 ） 时 ， 能 产 生 明 显 的 反射 和 折 射 现 象 。 超 声 波 的 传 播 波 型 主 要 可 分 为 纵 波 、 横 波 、表 面 波 等 几 种 。振动方向和波的传播方向一致。能在固体、液体

5、和气体中传播。振动方向和波的传播方向垂直。只能在固体中传播。 质 点 的 振 动 介 于 横 波 与 纵 波 之 间 ， 沿 着 表面 传 播 的 波 。 表 面 波 随 深 度 增 加 衰 减 很 快 。表 面 波 振 动 轨 迹 是 椭 圆 型 ， 在 固 体 表 面 传播 。 2、 超 声 波 的 反 射 和 折 射在 两 界 面 处 ， 声 波 的 传 输 与 光 传 输 类 似 ， 符 合 反 射 定 律和 折 射 定 律 。 超 声 波 的 频 率 越 高 ， 特 性 越 与 光 波 相 似 . 压 电 晶 体 ： 压 电 效 应 、 逆 压 电 效 应电 致 伸 缩 效 应 _

6、y逆 压 电 效 应在 压 电 材 料 切 片 上 施 加 交 变 电 压 ， 使 它 产 生 电 致 伸 缩振 动 ， 而 产 生 超 声 波 ， 如 图 所 示 。 当 外 加 交 变 电 压 频 率 等 于 晶 片 的 固 有 频 率 时 ，产 生 共 振 ， 这 时 产 生 的 超 声 波 最 强 。 共 振 压 电 效 应 换 能 器 可 以 产 生 几 十 千 赫 兹 到 几 十 兆赫 兹 的 高 频 超 声 波 。 压 电 材 料 的固 有 频 率 ： 在 超 声 波 技 术 中 ， 除 了 需 要 能 产 生 超 声 波 的 发 生器 以 外 ， 还 需 要 能 接 收 超 声

7、 波 的 接 收 器 。 一 般 的 超 声 波 接 收 器 是 利 用 超 声 波 发 生 器 的 逆 效应 而 进 行 工 作 的 。 压 电 式 超 声 波 接 收 器 是 利 用 正 压 电 效 应 进 行 工 作的 。 它 的 结 构 和 超 声 波 发 生 器 基 本 相 同 ， 有 时 就用 同 一 个 换 能 器 兼 做 发 生 器 和 接 收 器 两 种 用 途 。压电晶体 测量电路超 声 波 为 了 以 超 声 波 作 为 检 测 手 段 ， 必 须 产 生 超声 波 和 接 收 超 声 波 。 完 成 这 种 功 能 的 装 置就 是 超 声 波 传 感 器 ， 习 惯

8、上 称 为 超 声 波 换能 器 ， 或 超 声 波 探 头 。 1、 超 声 波 测 距 原 理 ： 超 声 波 发 射 探 头 发 出 的 超 声 波 脉 冲 在 介 质 中 传到 相 介 面 经 过 反 射 后 ， 再 反 回 到 接 收 探 头 。超 声 波 探 头 常 用 的 材 料 ： 压 电 晶 体 和 压 电 陶 瓷 ， 这 种探 头 统 称 为 压 电 式 超 声 波 探 头 。 工 作 原 理 ： 利 用 压 电 材 料 的 压 电 效 应 。 逆 压 电 效 应 将 高 频 电 振 动 转 换 成 高 频 机 械 振 动 ，以 产 生 超 声 波 ， 可 做 为 发 射

9、探 头 。 利 用 正 压 电 效 应 则 将 接 收 的 超 声 振 动 转 换 成 电信 号 ， 可 作 为 接 收 探 头 。 将 数 百 伏 的 超 声 电 脉 冲 加 到 压 电 晶 片 上 ， 利 用 逆 压电 效 应 ， 使 晶 片 发 射 出 持 续 时 间 很 短 的 超 声 振 动 波 。当 超 声 波 经 被 测 物 反 射 回 到 压 电 晶 片 时 ， 利 用 压 电效 应 ， 将 机 械 振 动 波 转 换 成 同 频 率 的 交 变 电 荷 和 电压 。 以 空 气 为 传 导 介 质 的 超 声 探 头 。 锥 形 共 振 盘 ： 提 高 发 生 效 率 ；阻

10、抗 匹 配 器 ： 提 高 接 受 效 率 。a） 超 声 发 射 器 b） 超 声 接 收 器 1外 壳 2金 属 丝 网 罩 3锥 形 共 振 盘 4压 电 晶 片 5引 脚 6阻 抗 匹 配 器 7超 声 波 束 1、 超 声 波 流 量 计 90 vc Ltcv Lt ： sin=2Fsin+=1F 21 90F 1发 射 的 超 声 波 先 到 达 T1 时 间 差 法 测 量 流 量 原 理 ： 在 被 测 管 道 上 下游 的 一 定 距 离 上 ， 分 别 安 装 两 对 超 声 波 发射 和 接 收 探 头 （ F1， T1） 、 （ F2， T2） ， 其中 F1， T1的

11、 超 声 波 是 顺 流 传 播 的 ， 而 F2， T2的 超 声 波 是 逆 流 传 播 的 。 由 于 这 两 束 超 声波 在 液 体 中 传 播 速 度 的 不 同 ， 测 量 两 接 收探 头 上 超 声 波 传 播 的 时 间 差 t， 可 得 到 流体 的 平 均 速 度 及 流 量 。 在 t1、 t2时 间 内 ， 分 别 对 频 率 为 f0的 脉 冲 进 行 计 数 ，记 得 脉 冲 数 为 N1、 N2： vc Lt cv Lt ： sin=2F sin+=1F 21 202101 = tfNtfN L vcNftfLcvNftf sin=1=sin+=1= 2022

12、1011 21 210201021 =2 sinsin+= NN NNfNfNfLv L vcLcvfff ）（ 21 2102 NN NNLfv ）（ 21 2121 210 2=2S= NN NNkNN NNSLfvq ）（）（流 量 超 声 波 流 量 计 现 场 使 用 同 学 们 是 否 注 意 ： 当 一 辆 汽 车 响 着 喇 叭 从 你 身 边 疾 驶 而 过时 ， 喇 叭 的 音 调 会 由 高 变 低 ， 好 像 汽 车 驶 来 的 时 候 唱 着 音符 “ 1”， 离 开 的 时 候 就 唱 音 符 “ 7”了 。2、 超 声 波 多 普 勒 测 量 车 速1842年 ，

13、 奥 地 利 物 理 学 家 多 普 勒 带 着 女 儿 在 铁 道 旁 散 步 时 就 注 意 到 了 类 似 的现 象 ， 他 经 过 认 真 的 研 究 ， 发 现 波 源 和 观 察 者 互 相 靠 近 或 者 互 相 远 离 时 ， 观 察 到 的 波 的 频 率 都 会 发 生 变 化 ， 并 且 做 出 了 解 释 ， 人 们 把 这 种 现 象 叫 做 多 普 勒 效应 。 交 通 警 向 行 进 中 的 车 辆 发 射 频 率 已 知 的 超 声 波 ，同 时 测 量 反 射 波 的 频 率 ， 根 据 反 射 波 频 率 变 化 的多 少 就 能 知 道 车 辆 的 速 度 。 在 液 罐 上 方 安 装 空 气 传 导 型 超 声 发 射 器 和 接 收 器 ，根 据 超 声 波 的 往 返 时 间 ， 就 可 测 得 液 体 的 液 面 。 3、 超 声 波 测 量 液 位 和 物 位 原 理