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1、机械工程测试技术 其它测试技术 2 第十二章 内容 1 激光测量技术2 光纤式传感器测量技术3 固态图象传感器测量技术4 红外线检测技术5 超声波检测技术重点 掌握各种测量方法的原理与应用场合 激光特点单色性 激光的频率宽度比普通光小10倍以上方向性 激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米相干性 两束光在相遇区域内相互叠加后 能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号测量精确度高 测量范围大激光可测量长度 位移 表面形状 变形速度 转速 振动 流量激光源 波长nm 1 激光测量技术 1 激光测量技术 干涉条纹 明暗相间每移动半个光波波长 干涉条纹变化一次 计数N L L1 L2 透镜P1 P
2、2 光栏M 分光镜M1 M2 反射镜PM 光电计数器 参考光 激光测距 对准目标发射 反射激光测长原理以激光为光源 通过测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹数目 得到物体长度工作台移动距离 n 空气折射率 真空下1 检测光 一个振动周期内所得的脉冲数为N 激光测振原理以激光为光源 通过计算干涉条纹数的变化来测量振幅激光干涉测振仪被定为各国振动的国家计量基准测量准确度主要决定于计数准确度 1 激光测量技术 计数控制 激光测速原理 多普勒效应 光检测多普勒效应 激光束c照射到以速度v运动的物体p时 被物体反射或散射的光的频率f将发生变化频率差 光电转换 物体运动速度组成激光光源 氦 氖激光器
3、 氩离子激光器入射光系统 分光镜 发射透镜收集光系统 接收光栏 滤噪 接收透镜 光检测器 1 激光测量技术 激光测振 1 激光测量技术 2 光纤式传感器 典型类型 传光型 传感型结构型 传光型光纤只起到如实接收 传输光的作用 不改变光的性质在调制区 借助其它功能元件 被测量对光作用通过光电元件转换成电信号 2 光纤式传感器 结构型 传光型 光源 发射光纤 反射面经被测反射面反射 形成反射锥体接收光纤 反射光 光电元件 激光器 v振动体 光电倍增管 分光镜 f f f P 信号处理 传光光纤 2 光纤式传感器 功能型 传感型 光纤对外界信息有敏感和检测能力在外界环境因素 如温度 压力 电场 磁场
4、等 改变时 光纤的传光特性会发生变化在调制区 被测量直接对光纤作用 以改变传光性能通过光电元件转换成电信号 2 光纤式传感器 功能型 传感型 压力传感光弹性效应 导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转光纤局部变形 由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗 从而引起光振幅变化 被测量作用 2 光纤式传感器 功能型 传感型 光纤布拉格光栅 FBG FBG光栅效应 窄带光学滤波器每个FBG有独自的中心波长 B 通过拉伸 压缩光纤光栅 以改变光纤光栅的周期 和有效折射率n 从而引起光纤光栅的反射波长的移动 CCD图像传感器 电荷耦合器件 类似马赛克的网格 MOS电容器 聚光镜片以及底层的测量矩阵三角
5、法测量 3 固态图象传感器 轮廓测量原理 激光 X平面光幕 轮廓线 反射光幕 2维CMOS阵列 信号处理器 剖面图形 X为轮廓线的长度 Z为轮廓线的高低 通过移动被测物体或传感器 3D 3 固态图象传感器 红外辐射温度在绝对零度以上的物体 都会因自身的分子运动而辐射出红外线 波长在0 76 100 m物体温度愈高 则辐射到空间去的能量愈多 4 红外线检测技术 红外线 红外探测器 辐射能 电能热探测器 热电偶型 气动型 热敏电阻型 热释电型热电偶型 多对热电偶串连相接辐射能 红外辐射透镜 热端 4 红外线检测技术 红外探测器 辐射能 电能热探测器 热电偶型 气动型 热敏电阻型 热释电型气动型 吸
6、收红外辐射后 气室的气体温度升高 体积增大 4 红外线检测技术 红外辐射透镜 透红外窗口 吸收薄膜 气室 柔镜 可见光源 光栅 光栅图像 反射镜 反射镜 光电管 透镜 柔镜移动 光栅图像 栅状光栏相对位移 改变光量 光电管 红外探测器 辐射能 电能热探测器 热电偶型 气动型 热敏电阻型 热释电型热释电型热释电效应 在红外辐射下 由于温度升高 引起铁电体极化强度下降 即表面电荷减少 这相当释放一部分电荷转换元件 热释电晶体 锆钛酸铅等 转换电路 热释电晶体与负载电阻联接 在红外辐射下 负载电阻两端就有信号输出自动门 水龙头 安检 4 红外线检测技术 光子探测器 红外探测器 辐射能 电能光子探测器
7、photondetector辐射能量是以微粒形式存在的 这种微粒称为光子或量子光电效应 光子与探测器材料直接作用 产生内光电效应 使得载流子 电子空穴对 增加而产生光致电动势光电 光电导及光生伏打等探测器光子探测器的探测率一般比热探测器要大1至2个数量级 其响应时间为微秒或纳秒级选择性 光子能量与波长有关系 所以光子探测器仅对具有足够能量的光子有响应 存在着对光谱响应的选择性光子探测器通常在低温条件下工作 4 红外线检测技术 入射到结内的光子产生电子空穴对 红外探测器 辐射能 电能 4 红外线检测技术 红外测温仪 4 红外线检测技术 红外测温仪组成光学系统 收集辐射能量 聚焦在红外探测器的接收
8、光敏面上红外探测器 红外辐射能 电信号信号处理系统温度指示器红外测温仪可测0 600 范围内的物体表面温度 时间常数为4 10ms 红外测温仪 4 红外线检测技术 ST系列红外测温仪测温范围ST20 32 400 CST30 32 545 CST60 32 600 CST80 32 760 C测温精度 1 或 1 C重复性 0 5 或 1 C响应时间 500毫秒 95 响应 环境工作温度0 50 C 红外热像仪红外热图形 被测物体各点温度分布不同 因而红外辐射能量不同 形成热能图形 4 红外线检测技术 红外热像仪功能 将人眼看不见的红外热图形转变成人眼可见的电视图像或照片组成 辐射线收集 扫描
9、 探测 处理 成像应用 军事 空间技术及工农业科技领域机械制造 机床热变形 切削温度 刀具寿命控制等试验 4 红外线检测技术 DOREX红外线全身热像仪 4 红外线检测技术 高品质红外线热像仪通过感受人体自然放出的红外线 对人体疼痛部位及发病部位进行准确诊断结合利用其他诊断器 对CT或X RAY等不能检测出的病痛 生理机能异常作出精确的判断操作简便 采用自然红外线 对人无痛觉 无刺激和无毒害 超声波一种高于20kHz的机械波 具有特征 频率高 现代可以产生频率高达到109Hz的超声波 因而波长短 绕射现象小方向性好 能够成为射线而定向传播在液体 固体中衰减很小 所以穿透本领大 尤其是在对光不透
10、明的固体中 超声波能够穿透近几十米的长度 碰到杂质或分界面就会产生显著的反射超声波在介质中传播的大小取决于 介质特性 传播条件 声源几何形状 尺寸 超声波频率利用超声波反射 折射 衰减等物理性质 可以实现液位 流量 粘度 厚度 距离以及探伤等参数的测量 5 超声波检测技术 超声波测厚利用超声波在不同介质界面上 试件上下表面 的反射性质而工作的结构 压电式传感器 兼做 发射 和 接收 施加高频电压信号 产生高于20kHz的机械波接受反射回来的超声波 产生电压信号测量发射到接收的时间间隔 结合超声波在试件中传播速度 可求得试件的厚度h 5 超声波检测技术 无损探伤不损伤被检材料 工件或设备的情况下
11、 应用某些方法来测定其物理性能 状态和内部结构 检测其不均匀性 从而判断其合格与否特点 灵敏度高 设备简单 成本低 对人体无害 目前世界上使用最普遍 研究进展最快的一种无损检测方法原理 超声波遇到不同类型的缺陷后产生不同反射波 据此判断缺陷信息超声波声场一般采用周期性脉冲波声场 它可以分解为常数项和无限多个n倍基频的余弦波和正弦波之和 5 超声波检测技术 无损探伤缺陷反射体的回波频谱f与反射体 缺陷 直径d 反射体方位 s 光速c存在一定的关系 频谱中相邻峰的频率间隔 f为 其中 a 0 707R 探头结构 材料有关 5 超声波检测技术 无损探伤脉冲振荡器发出的电压加在探头上 用压电陶瓷或石英晶片製成的探测元件 探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质 如机油或水等 进入材料并在其中传播遇到缺陷后 部分反射能量沿原途径返回探头探头又将其转变为电脉冲经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上 5 超声波检测技术 Thankyou
