超声波传感器

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1、第 10章 辐 射 与 波 式 传 感 器10.1 红 外 传 感 器10.2 微 波 传 感 器10.3 超 声 波 传 感 器 应 用 10.1 红 外 传 感 器10.1.1 工 作 原 理 红 外 辐 射 俗 称 红 外 线 ， 它 是 一 种 不 可 见 光 ， 由 于 是 位 于可 见 光 中 红 色 光 以 外 的 光 线 ， 故 称 红 外 线 。 它 的 波 长 范 围 大 致在 0.76 1000 m。 工 程 上 又 把 红 外 线 所 占 据 的 波 段 分 为 四 部分 ， 即 近 红 外 、 中 红 外 、 远 红 外 和 极 远 红 外 。 电 磁 波 谱 图 1

2、 红 外 辐 射n 红 外 辐 射 本 质 上 是 一 种 热 辐 射 。 任 何 物 体 ， 只 要 它 的 温度 高 于 绝 对 零 度 （ 273 ） ， 就 会 向 外 部 空 间 以 红 外线 的 方 式 辐 射 能 量 ， 一 个 物 体 向 外 辐 射 的 能 量 大 部 分 是通 过 红 外 线 辐 射 这 种 形 式 来 实 现 的 。 物 体 的 温 度 越 高 ，辐 射 出 来 的 红 外 线 越 多 ， 辐 射 的 能 量 就 越 强 。 另 一 方 面 ，红 外 线 被 物 体 吸 收 后 可 以 转 化 成 热 能 。n 红 外 线 作 为 电 磁 波 的 一 种

3、形 式 ， 是 以 波 的 形 式 在 空 间 直线 传 播 的 ， 具 有 电 磁 波 的 一 般 特 性 。 红 外 线 在 真 空 中 传播 的 速 度 等 于 波 的 频 率 与 波 长 的 乘 积 。 2 红 外 探 测 器 红 外 传 感 器 一 般 由 光 学 系 统 、 探 测 器 、 信 号 调 理 电 路 及显 示 单 元 等 组 成 。 红 外 探 测 器 是 红 外 传 感 器 的 核 心 。 红 外 探 测 器 是 利 用 红外 辐 射 与 物 质 相 互 作 用 所 呈 现 的 物 理 效 应 来 探 测 红 外 辐 射 的 。按 探 测 机 理 的 不 同 ， 红

4、 外 探 测 器 可 分 为 热 探 测 器 和 光 子 探 测器 两 大 类 。 热 探 测 器 热 探 测 器 的 工 作 机 理 是 ： 利 用 红 外 辐 射 的 热 效 应 ， 探 测 器的 敏 感 元 件 吸 收 辐 射 能 后 引 起 温 度 升 高 ， 进 而 使 某 些 有 关 物 理参 数 发 生 相 应 变 化 ， 通 过 测 量 物 理 参 数 的 变 化 来 确 定 探 测 器 所吸 收 的 红 外 辐 射 。 特 点 ： 热 探 测 器 主 要 优 点 是 响 应 波 段 宽 ， 响 应 范 围 可 扩展 到 整 个 红 外 区 域 ， 可 以 在 常 温 下 工

5、作 ， 使 用 方 便 ， 应 用 相当 广 泛 。 热 探 测 器 主 要 有 四 类 ： 热 释 电 型 、 热 敏 电 阻 型 、 热 电 阻型 和 气 体 型 。热 释 电 型 探 测 器 工 作 机 理 ： 电 石 、 水 晶 、 钛 酸 钡 等 晶 体 受 热产 生 温 度 变 化 时 ， 其 原 子 排 列 将 发 生 变 化 ， 晶 体 自 然 极 化 ，在 其 两 表 面 产 生 电 荷 的 现 象 。 当 红 外 辐 射 照 射 到 已 经 极 化 的铁 电 体 薄 片 表 面 上 时 引 起 薄 片 温 度 升 高 ， 使 其 极 化 强 度 降 低 ，表 面 电 荷 减

6、 少 ， 这 相 当 于 释 放 一 部 分 电 荷 ， 所 以 叫 做 热 释 电型 传 感 器 。 如 果 将 负 载 电 阻 与 铁 电 体 薄 片 相 连 ， 则 负 载 电 阻 上便 产 生 一 个 电 信 号 输 出 。 输 出 信 号 的 强 弱 取 决 于 薄 片 温 度变 化 的 快 慢 ， 从 而 反 映 出 入 射 的 红 外 辐 射 的 强 弱 ， 热 释 电型 红 外 传 感 器 的 电 压 响 应 率 正 比 于 入 射 光 辐 射 率 变 化 的 速率 。 10.1.2 红 外 传 感 器 的 应 用 (一 ) 红 外 热 成 像 技 术 任 何 物 体 只 要

7、温度 高 于 绝 对 零 度 ， 内部 原 子 就 会 作 无 规 则运 动 ， 并 不 断 地 辐 射出 热 红 外 能 量 。 红 外探 测 器 可 将 物 体 辐 射的 红 外 功 率 信 号 转 换成 电 信 号 ， 在 计 算 机成 像 系 统 的 显 示 屏 上 ，将 得 到 与 物 体 表 面 热分 布 相 对 应 的 热 像 图 。 不 同 的 颜 色 和 亮 度 代 表 不 同 的 温 度 热 成 像 仪 的 使 用 各 种 热 像变 电 站 的 热 像从 热 像 中 可 以 判 断 过 热 位 置 人 的 热 像 热 成 像 传 感 器 热 成 像 仪 能 透 过 烟尘 、

8、 云 雾 、 小 雨 及 树 丛等 许 多 自 然 或 人 为 的 伪装 来 看 清 目 标 。 手 持 式及 安 装 于 轻 武 器 上 的 热成 像 仪 可 以 让 使 用 者 看清 800m或 更 远 的 人 体 大小 的 目 标 。 带 夜 视 仪 的 自 动 步 枪 配 备 热 成 像 传 感 器 的 自 动 步 枪 军 用 热 成 像 传 感 器 的 效 果白 亮 处 有 一 辆 坦 克 用 热 像 仪 判 断 机 械 工 业 产 品 的 质 量 用 热 像 仪 判 断 电 子 产 品的 工 作 状 态线 路 板 上 的 各 点 温 度IC的 温 度 医 疗 用 的 热 像 仪 用

9、 热 像 仪 判 断 皮 肤 肿 瘤 的位 置 及 范 围 10.3 超 声 波 传 感 器 振 动 在 弹 性 介 质 内 的 传 播 称 为 波 动 ， 简 称 波 。162 104 Hz ， 能 为 人 耳 所 闻 的 机 械 波 声 波低 于 16 Hz的 机 械 波 次 声 波高 于 2 104 Hz的 机 械 波 超 声 波3 1083 1011 Hz之 间 的 波 微 波 图 10-14 声 波 的 频 率 范 围 图 声 波 的 分 类1.次 声 波 次 声 波 是 频 率 低 于 20赫 兹 的 声 波 ， 人 耳 听 不 到 ， 但 可 与人 体 器 官 发 生 共 振 ，

10、 78Hz的 次 声 波 会 引 起 人 的 恐 怖 感 ， 动 作不 协 调 ， 甚 至 导 致 心 脏 停 止 跳 动 。 2.可 闻 声 波 美 妙 的 音 乐 可 使 人 陶 醉 。 3.超 声 波 蝙 蝠 依 靠 超 声 波 捕 食 超 声 波 与 可 闻 声 波 不 同 ，它 可 以 被 聚 焦 ， 具 有 能 量 集 中的 特 点 。 超 声 波 雾 化 器 超 声 波 加 湿 器 超 声 波 被 聚 焦 后 ， 具 有 较 好 的 方 向 性 ， 在 遇 到 两 种 介质 的 分 界 面 时 ， 能 产 生 明 显 的 反 射 和 折 射 现 象 ， 这 一 现 象类 似 于

11、光 波 。 10.1.1 超 声 波 的 波 型 及 其 传 播 速 度 1、 根 据 声 源 在 介 质 中 施 力 方 向 与 波 在 介 质 中 传 播 方 向 的 不同 ， 分 为 ： 纵 波 ： 质 点 振 动 方 向 与 波 的 传 播 方 向 一 致 的 波 ， 它能 在 固 体 、 液 体 和 气 体 介 质 中 传 播 ； 横 波 ： 质 点 振 动 方 向 垂 直 于 传 播 方 向 的 波 ， 它 只 能在 固 体 介 质 中 传 播 ； 表 面 波 ： 质 点 的 振 动 介 于 横 波 与 纵 波 之 间 ， 沿 着 介质 表 面 传 播 ， 其 振 幅 随 深 度

12、增 加 而 迅 速 衰 减 的 波 ， 表 面 波只 在 固 体 的 表 面 传 播 。 （ 1） 在 固 体 中 ， 纵 波 、 横 波 及 其 表 面 波 三 者 的 声 速 有一 定 的 关 系 ： 横 波 声 速 为 纵 波 的 一 半 ， 表 面 波 声 速 为 横波 声 速 的 90%；（ 2） 气 体 中 纵 波 声 速 为 344 m/s；（ 3） 液 体 中 纵 波 声 速 在 900 1900m/s。 2、 超 声 波 的 传 播 速 度 蒸 馏 水 温 度 在 0 100 范 围 内 ， 声 速 随 温 度 的 变 化而 变 化 。 在 74 时 达 到 最 大 值 。

13、表 10-1 0 100 范 围 内 蒸 馏 水 声 速 随 温 度 的 变 化 表 10-1 0 100 范 围 内 蒸 馏 水 声 速 随 温 度 的 变 化 10.1.2 超 声 波 的 反 射 和 折 射 声 波 从 一 种 介 质 传 播 到 另 一 种 介 质 时 ， 在 两 个 介 质的 分 界 面 上 一 部 分 声 波 被 反 射 , 另 一 部 分 折 射 过 界 面 ， 在另 一 种 介 质 内 部 继 续 传 播 。 反 射 ： 折 射 ： 入 射 角 的 正 弦 与 折 射 角 的 正 弦 之 比 ， 等 于 入 射 波 在第 一 介 质 中 的 波 速 c1与 在

14、第 二 介 质 中 的 波 速 c2之 比 ， 即 21sinsin cc 10.1.3 超 声 波 的 衰 减 声 波 在 介 质 中 传 播 时 ， 随 着 传 播 距 离 的 增 加 ， 能 量 逐 渐衰 减 。 声 压 和 声 强 的 衰 减 规 律 为 axx axx eII ePP 200 式 中 ： Px、 Ix 距 声 源 x处 的 声 压 和 声 强 ； x 声 波 与 声 源 间 的 距 离 ； 衰 减 系 数 ， 单 位 为 Np/cm（ 奈 培 /厘 米 ） 。 是 频 率的 函 数 电 平 取 自 然 对数 时 的 单 位 。常 用 n表 示 。 常用 于 电 信 网

15、 络 ，作 为 放 大 或 衰减 的 单 位 。 10.2 超 声 波 传 感 器 利 用 超 声 波 在 超 声 场 中 的 物 理 特 性 和 各 种 效 应 而 研 制 的装 置 可 称 为 超 声 波 换 能 器 、 探 测 器 或 传 感 器 。 超 声 波 探 头 的 分 类 ： 按 其 工 作 原 理 可 分 为 压 电 式 、 磁 致 伸缩 式 、 电 磁 式 等 。 u超 声 波压 电 晶 体 （ 1） 压 电 式 超 声 波 发 生 器 -利 用 压 电 晶 体 的 电 致 伸 缩 现 象 制 成超声频电信号换能器2cnf 压 电 材 料 的 固 有 频 率 与 压 电 材

16、 料 晶 体 切 片 的 厚 度 有 关 n为 谐 波 级 数 ， 取 1， 2， 3， ； 压 电 式 超 声 波 发 送 传 感 器 可 以 产 生 几 十 kHz到 几 十 MHz的超 声 波 。c为 超 声 波 在 压 电 材 料 里 的 传 播 速 度 ， 与 压 电 材 料 的 密 度 有 关 。 (2)磁 致 伸 缩 超 声 波 发 生 器 -利 用 某 些 铁 磁 材 料 的 磁 致 伸 缩 现 象 制 成 磁 致 伸 缩 超 声 波 发 生 器 产 生 的 频 率 只 能 在 几 万 Hz以 内 ， 但 声 强 可 达 几 千 W/cm2。 它 与 压 电 式 的 发 送 器

17、 比 较 ， 所 产 生 的 超 声 波 的 频 率 较低 ， 而 强 度 则 大 许 多 。 镍 、 铁 钴 钒 合 金 等 T/R40-16超 声 波 传 感 器 当 40KH的 脉 冲 电 信 号 输 入 后 ， 由 压 电 陶 瓷 激 励器 和 谐 振 片 转 换 成 机 械 振 动 ， 经 锥 形 辐 射 器 将 信 号向 外 发 射 。 传 感 器 外 形 高 频 电 源 放 大 电 路 显 示发 射 探 头 接 收 探 头工 件 1.超 声 波 探 伤 主 要 用 于 检 测 板 材 、 锻 件 和 焊 接 缝 等 材 料 中 缺 陷 ， 也 可以 测 量 材 料 的 厚 度 。

18、 穿 透 法 探 伤 当 工 件 内 部 有缺 陷 时 ， 在 缺 陷处 能 量 被 反 射 ，到 达 接 收 探 头 的能 量 损 失 了 一 部分 。10.3 超 声 波 传 感 器 应 用 B F工 件 探 头T 高 频 电 源 放 大 电 路 T F B反 射 法 探 伤 当 工 件 内 部 无 缺 陷 时 ，超 声 波 传 到 工 件 底 面 再反 射 回 来 ； 当 工 件 内 部有 缺 陷 时 ， 超 声 波 传 到缺 陷 就 反 射 回 来 ； 不 同缺 陷 会 造 成 不 同 的 接 收波 幅 度 和 周 期 。 2.超 声 波 测 厚 度 工 件 探 头 高 频 电 源 放

19、 大 电 路 T测 厚 仪 ct21t 只 要 测 量 出 超 声 波 脉 冲 通 过 工 件 的 时 间 t,经 过 信 号 处理 电 路 就 可 以 直 接 读 出 工 件 的 厚 度 。厚度计算: 手 持 式 超 声 波 测 厚 仪 超 声 波 手 持 式 测 厚混 凝 土 测 厚 木 材 测 厚小 提 琴 木 料 测 厚 3.超 声 波 物 位 传 感 器 超 声 波 物 位 传 感 器 是 利 用 超 声 波 在 两 种 介 质 的 分 界 面 上的 反 射 特 性 而 制 成 的 。 如 果 从 发 射 超 声 脉 冲 开 始 ， 到 接 收 换能 器 接 收 到 反 射 波 为

20、止 的 这 个 时 间 间 隔 为 已 知 ， 就 可 以 求 出分 界 面 的 位 置 ， 利 用 这 种 方 法 可 以 对 物 位 进 行 测 量 。传 感 器 分 类 ： 单 换 能 器 和 双 换 能 器 。单 换 能 器 的 传 感 器 发 射和 接 收 超 声 波 使 用 同 一个 换 能 器 。 传 感 器 发 射 和 接收 各 由 一 个 换 能器 担 任 。 超 声 波 发 射 和 接 收 换 能 器 可 设 置 在 液 体 介 质 中 ， 让 超 声波 在 液 体 介 质 中 传 播 。 由 于 超 声 波 在 液 体 中 衰 减 比 较 小 ， 所 以 即 使 发 射

21、的 超 声 脉 冲 幅 度 较 小 也 可 以 传 播 。 超 声 波 发 射和 接 收 换 能 器 也 可 以 安 装 在 液 面 的 上 方 ， 让 超 声 波 在 空 气 中传 播 。 这 种 方 式 便 于 安 装 和 维 修 ， 但 超 声 波 在 空 气 中 的 衰 减比 较 厉 害 。 衰 减 小衰 减 大(b) 超 声 波 在 空 气 中 传 播(a) 超 声 波 在 液 体 中 传 播 对 于 单 换 能 器 来 说 ， 超 声 波 从 发 射 器 到 接 收 的 时 间 为 22cth cht 式 中 ： h换 能 器 距 液 面 的 距 离 ； c超 声 波 在 介 质

22、中 传 播 的 速 度 。 22cth cht 对 于 双 换 能 器 ， 超 声 波 从 发 射 到 接 收 经 过 的 路 程 为 2s，2cts 22 ash 式 中 ： s超 声 波 从 反 射 点 到 换 能 器 的 距 离 ； a两 换 能 器 间 距 之 半 。 10.3.2 超 声 波 流 量 传 感 器 超 声 波 流 量 传 感 器 的 测 定 方 法 很 多 ， 如 传 播 速 度 变 化法 、 波 速 移 动 法 等 。 目 前 应 用 较 广 的 是 超 声 波 传 播 时 间 差法 。 原 理 ： 超 声 波 在 静 止 流 体 和 流 动 流 体 中 的 传 播

23、速 度 不同 ， 利 用 这 一 特 点 可 以 求 出 流 体 的 速 度 ， 再 根 据 管 道 流 体的 截 面 积 ， 可 以 计 算 出 流 体 的 流 量 。 设 顺 流 方 向 的 传 播 时 间 为t1， 逆 流 方 向 的 传 播 时 间为 t2， 流 体 静 止 时 的 超 声波 传 播 速 度 为 c， 流 体 流动 速 度 为 v， vc Lt vc Lt 21 2212 2 vc Lvttt 由 于 cv, 则 tLcv 22 忽 略 超 声 波 传 感 器 安 装 位 置 一 超 声 波 传 感 器 安 装 位 置 二 超 声 波 的 传 输 时 间 ： sinco

24、ssincos21 vc Dt vc Dt 12 ttt 超 声 波 流 量 传 感 器 具 有 不 阻 碍 流 体 流 动 的 特 点 ， 可 测 的流 体 种 类 很 多 ， 不 论 是 非 导 电 的 流 体 、 高 粘 度 的 流 体 ， 还 是浆 状 流 体 ， 只 要 能 传 输 超 声 波 的 流 体 都 可 以 进 行 测 量 。 超 声波 流 量 计 可 用 来 对 自 来 水 、 工 业 用 水 、 农 业 用 水 等 进 行 测 量 。 还 适 用 于 下 水 道 、 农 业 灌 渠 、 河 流 等 流 速 的 测 量 。 超 声 波 捕 鱼 机工 作 原 理 ： 利 用

25、 超 声 波 对 鱼 、 鳖 等 水 中 一 切 冷 血 动 物 的心 脏 和 脑 部 神 经 击 昏 缺 氧 ， 快 速 大 面 积 浮 出 水 面 ， 达 到最 佳 捕 捉 效 果 ， 并 能 将 深 层 的 动 物 击 昏 即 浮 出 水 面 任 意捕 捞 （ 过 5分 钟 后 复 活 ） ， 捕 大 留 小 ， 不 影 响 繁 殖 ， 对 人体 及 热 血 动 物 绝 对 安 全 。 超 声 波 驱 鼠 器 ： 通 过 电 子 电 路 产 生 周 期 性 的 超 声波 ， 攻 击 老 鼠 的 听 觉 和 神 经 系 统 ， 迫 使 老 鼠 逃 离现 场 。音 压 ： 140db 在 4

26、0KHz 超 声 波 马 达 超 声 波 马 达 (UltraSonic Motor)的 简 称 是 ： USM， 最早 应 用 于 照 相 机 上 是 Canon EF系 列 镜 头 。 现 在 ， 很 多数 码 相 机 或 摄 像 机 镜 头 用 超 声 波 马 达 进 行 对 焦 。原 理 ： 利 用 超 声 波 振 动 能 量 变 换 成 转 动 能 量 的 来 工 作的 。 超 声 波 马 达 分 环 形 和微 型 超 声 波 马 达 两 种 。 超 声 波 传 感 器 应 用 举 例 （ 续 ） 质 量 检 查紧 固 件 的 安 装 错 误 检 测 叠 放 高 度 测 量 物 件 放 置 错 误 检 测 透 明 塑 料 张 力 控 制 机 械 手 定 位 纸 卷 直 径 检 测 平 整 度 测 量 超 长 距 离 检 测 流 水 线 计 数