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1、第八章 湿度与噪声的检测及无损探伤技术,8.1 湿敏电阻传感器 8.2 噪声的测量 8.3 无损检测技术,8.1 湿敏电阻传感器,8.1.1大气湿度与露点 在我国江南的黄梅天，人们经常会感到闷热不适，地面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活中的地位越来越重要。例如，许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象;居室的湿度希望适中;而纺织厂要求车间的湿度保持在RH60%70%;在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,1.绝对湿度与相对湿度 地球表面的大气层
2、是由78%的氮气、21%的氧气、一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性气体混合而成的。由于地面上的水和植物会发生水分蒸发现象，因而大气中水汽的含量也会发生波动，使空气出现潮湿或干燥现象。大气的水汽含量通常用大气中水汽的密度来表示。即以每立方米大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。要想直接测量大气中的水汽含量是十分困难的，由于水汽密度与大气中水汽的分压强成正比，所以大气的绝对湿度又可以用大气中所含水汽的分压强来表示，常用单位是mmHg或Pa。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,在许多与大气湿度有关的现象中，如农作物的生长、有机物的发霉、人的干湿感觉等都与大气的绝对湿度没有很
3、大的关系，而主要是与大气中的水汽离饱和状态的远近程度即相对湿度有关。所谓饱和状态是指在某一压力、温度下，大气中的水汽的含量的最大值。相对湿度是空气的绝对湿度与同温度下的饱和状态空气绝对湿度的比值，它能准确说明空气干、湿程度。在一定的大气压力下，两者之间的数量关系是确定的，可以查表得到有关数据。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,例如，同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热夏季的中午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥;如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3，但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。 在前面所举的例子
4、中，在20、一个大气压下，1 m3的大气中只能存在17g的水汽，则此时的相对湿度为100%RH。若同样条件下的绝对湿度只有8.5g/m3，则相对湿度就只有50%RH。在上述绝对湿度下，将气温降至10以下时，相对湿度又可能接近100%RH。这就是为什么在阴冷的地下室中，人们会感到十分潮湿的原因。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,2.露点 降低温度可以使原先未饱和的水汽变成饱和水汽而产生结露现象。露点就是指:使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低温度而达到的温度值。因此，只要测出露点就可以通过查表得到当时大气的绝对湿度。这种方法可以用来标定本节介绍的湿敏电阻传感器。露点
5、与农作物的生长有很大关系。另外，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,8.1.2测量湿度的传感器 水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，从而引起固体的各种物理变化。如早期人们使用毛发吸水而变长的毛发湿度计以及湿棉花球因水分蒸发而温度降低的干湿球湿度计等。将湿度变成电信号的传感器有红外线湿度计、微波湿度计、超声波湿度计、石英晶体振动式湿度计、湿敏电容湿度计、湿敏电阻湿度计等。湿敏电阻又有多种不同的结构型式。常用的有金属氧化物陶瓷湿敏电阻、金属氧化物膜型湿敏电阻、高分子材料湿敏电阻等，下面分别予以介绍。,上一页,
6、下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,1.金属氧化物陶瓷湿度传感器 金属氧化物陶瓷湿度传感器是当今湿度传感器的发展方向。近几年研究出许多电阻型湿敏多孔陶瓷材料，如LaO3-TiO2、SnO2-Al2O3、La2O3- TiO2-V2O5、TiO2-Nb2O5、MnO2-Mn2O3、NiO等。下面重点介绍MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器，其结构示意图如图8-1所示。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,MgCr2O4-TiO2(铬酸镁-氧化钦)等金属氧化物以高温烧结的工艺制成多孔性陶瓷半导体薄片。它的气孔率高达25%以上，具有1m下的细孔分布。与日常生活中常用的结构致密的陶瓷相比
7、，其接触空气的表面积显著增大，所以水汽极易被吸附于其表层及其孔隙之中，使其电阻率下降。当相对湿度从1%RH变化到95%RH时，其电阻率变化高达4个数量级左右，所以在测量电路中必须考虑采用对数压缩技术。其电阻与相对湿度关系曲线如图8-2所示。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,由于多孔陶瓷置于空气中易被灰尘、油烟污染，从而堵塞气孔，使感湿面积下降。如果将湿敏陶瓷加热到400以上，就可使污物挥发或烧掉，使陶瓷恢复到初始状态。所以必须定期给加热丝通电(见图8-1 (b)。陶瓷湿敏传感器吸湿快(3 min左右)，而脱湿要慢许多，从而产生滞后现象，称为湿滞。当吸附的水分子不能全部脱出时，会造
8、成重现性误差及测量误差。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,有时可用重新加热脱湿的办法来解决。即每次使用前应先加热1 min左右，待其冷却至室温后，方可进行测量。陶瓷湿敏传感器的湿度一电阻的标定比温度传感器的标定困难得多。它的误差较大，稳定性也较差，使用时还应考虑温度补偿(温度每上升1 ,电阻下降引起的误差约为1%RH)，陶瓷湿敏电阻应采用交流供电，(例如50 Hz)若长期采用直流供电，会使湿敏材料极化，吸附的水分子电离，导致灵敏度降低，性能变坏。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,2.金属氧化物膜型湿度传感器 Cr2O3 、Fe2O3、Fe3O4、Al2O3、MgCr
9、O4、ZnO及TiO2及等金属氧化物的细粉吸湿后导电性增加，电阻下降(见图8-2)。吸附或释放水分子的速度比上述多孔陶瓷快许多倍，图8-3是金属氧化膜型湿度传感器结构示意图。 在陶瓷基片上先制作把金梳状电极，然后采用丝网印刷等工艺，将调制好的金属氧化物糊状物印刷在陶瓷基片上。采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜在空气中能吸附或释放水分子，而改变其自身的电阻值。通过测量两电极间的电阻值即可检测相对湿度。响应时间小于1 min。,上一页,下一页,返回,8.1 湿敏电阻传感器,3.高分子湿敏电阻传感器 高分子电阻湿度传感器是目前发展迅速、应用较广的一类新型湿敏电阻传感器。它的外形与图8-3相似，
10、只是吸湿材料用可吸湿电离的高分子材料制作。例如，高氯酸锉一聚氯乙烯、有亲水性基的有机硅氧烷、四乙基硅烷的共聚膜等。高分子湿敏电阻具有响应时间快、线性好、成本低等特点。,上一页,返回,8.2 噪声的测量,从物理学角度来讲，噪声是指声音强弱和频率变化都杂乱无章、没有规律的声音。从生理学角度来讲，凡是人们不希望听到的、令人烦恼和不安的声音均可称为噪声。 随着近代工业的发展，噪声已成为一种严重的公害。噪声不仅妨碍人们的工作、学习、生活和休息，严重时还会引起疾病和事故。高强度声压还能破坏建筑物和影响仪器的正常工作。因此，防治噪声已经成为工程技术人员的重要任务之一。精确地测量、分析噪声将为控制噪声源、改进
11、产品设计及工艺、制定环境保护措施和法律提供必要的依据。,下一页,返回,8.2 噪声的测量,8.2.1噪声的物理度量 噪声是一种声波，它具有声波的一切物理特性。噪声与声音采用相同的物理度量方法，用声压级、声强级、声功率等表示其强弱，用占有的频率成分或频谱表示其高低。 1.声压和声压级 声压是指有声波时，媒质中的压强超过静压力的值。声压用户表示，其单位为Pa。在实际使用时，一般声压均指有效声压，即该点在一段时间内各瞬时声压的均方根值。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,一般正常人双耳刚能听到的频率为1000Hz的纯音，其声压为2X10-5Pa称之为听阀声压;使双耳刚刚产生疼痛感觉的声压为2
12、0 Pa，称为痛阀声压。由于从听阀到痛阀，声压值相差一百万倍.直接用声压的绝对值表示声音的强弱很不方便。因此，采用一个成倍比关系的对数量一声压级表示。声压级Lp的定义为:该声音的声压与基准声压p0比值的常用对数的20倍，用dB(分贝)作单位，即,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,式中，Lp声压级，dB; p声压有效值，Pa; p0基准声压，常取频率1000Hz纯音的听阀声压为基准声压，p0=210-5Pa。 由式(8-1)可计算出听阀声压级为0dB，痛阀声压级为120dB。 由上可知，引人声压级概念后，原来人耳能感觉的相差一百万倍的声音变化范围，已改变为0120dB的变化范围，而且用声
13、压级表示声音的强弱，与人耳判断声音的强弱变化的感觉大体一致。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,2.声强和声强级 声强是指在声场中，垂直于声波传播方向的单位面积上、单位时间内通过的平均声能，用符号I表示，单位为W/m2。相应于听阀声压的声强为10-12W/m2，相应于痛阀声压的声强为1 W /m2。这样大的声强范围用线性标尺来度量很不方便，故在声学中用声强级L1来表示。 声强级是实际声强I与基准声强I0比值的常用对数的10倍，以dB为单位，即,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,式中，L1声强级，dB; I实际声强，W/m2。 I0基准声强，常取频率是1000 Hz时的听阀声强为
14、基准声强，其值为10-12W/m2。 3.声功率和声功率级 声源在单位时间内辐射出的总声能称为声功率，用符号尸表示，单位为W。 同样，人耳能承受的声功率变化范围也很宽，为方便表达也引人声功率级五，表示声功率的大小。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,声功率级为声功率P与基准声功率P0比值的常用对数的10倍，以dB为单位，即,式中，Lp声功率级，dB; P声功率，W; P0基准声功率，P0=10-12W。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,4.频带和噪声的频谱 声音听起来有的尖锐，有的低沉，这是由于音调高低不同。声音的高低主要与其频率有关，而噪声往往包含有复杂的频率结构。因此，对
15、工程噪声的测量，不仅要测得总声压级，而且还要弄清噪声含有哪些频率成分，分布在哪些频带上，即要对噪声作频谱分析。为便于分析，将宽广的频率范围划分为若干个频段，每一个频段称为频带，频带上、下限频率相差的距离称为频程。在噪声测量中，常用的频带宽度是倍频程带宽和1/3倍频程带宽。倍频程的中心频率及频率范围见表8-1所列。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,以中心频率为横坐标，声压级(声强级或声功率级)为纵坐标绘制出的图形，称为噪声频谱图，简称噪声的频谱。 8.2.2噪声的主观评价 由于人耳对声音的感受不仅和声压有关，而且还与频率有关。声压级相同而频率不同的声音，人们听起来是不一样响的;另外，两
16、声压级不同、频率也不同的声音，有时听起来倒是一样响。为了使测量结果能与人们的主观感觉相一致，对声音的高低与强弱还必须有主观评价的量。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,1.纯音的主观评价 (1)响度级(LN) 响度级是根据人耳特性，参考了声压和频率的综合作用度量声音的一个参数。它既考虑了声音的物理效应，又考虑了人们听觉的生理效应。国际上规定，选择1 kHz的纯音为基准声音，凡是听起来同该基准声音一样响的某一频率的纯音，其响度级值就等于基准声音的声压级值，响度级以phon(方)为单位，用符号五、表示。例如，某内燃机的噪声听起来与频率为1 kHz、声压级为70dB的基准声音一样响，则该内燃机的响度级为70 phon。,上一页,下一页,返回,8.2 噪声的测量,(2)响度(N) 声音的响度级只反映与1 kHz纯音的某一声压级一样响，不能完全表达人耳对声音感觉的强弱程度。反映噪声和声音强弱程度的是响度，以son(宋)为单位，用符号N表示。其定义是:频率为1 kHz、声压级为40dB的纯音的响度为1 son。对于其他频率的纯音而言
