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1、第十一章、其他传感器 本章主要讲述超声波传感器、红外传感器、激光传感器，并简要介绍一些新型传感器。 第一节、超声波传感器 超声波传感器在检测技术中的应用，主要是利用超声波的物理性质，通过被测介质的某些声学特性来检测一些非电参数或者进行探伤。 一、超声波的物理基础 1、超声波的物理性质 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可分为次声波、声波、超声波和特超声波。人耳能听到的声波频率范围是20Hz20KHz。频率超过20KHz的声波称为超声波。超声波检测中常用的工作频率在250KHz-20MHz范围内。 超声波的波型主要可分为纵波、横波、表面波三种。纵波：质点的振动
2、方向与波的传播方向一致的波称为纵波。横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。表面波：质点的振动方式介于纵波和横波之间，且沿表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。横波和表面波只能在固体中传播；纵波可以在固体、液体和气体中传播。因此常用的超声波为纵波。 声压：声压指的是介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之差，其单位是Pa。声强：声强又称为声波的能量密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播方向。声强的单位是W/m2。声振动的频率愈高，愈容易获得较大的声压和声强。 2、超声波的传播性质 超声波的传播速度取决于介
3、质的弹性常数及介质密度。 当超声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波，如图11-1所示。图11-1、超声波的反射与折射图与超声波有关的几个定律论述如下。 (1)、反射定律：人射角和反射角的正弦与入射波和反射波在介质中的速度之间有如下的关系 （11-1） 式中：C为入射波在介质中的速度；C1为反射波在介质中的速度。当入射波和反射波波型相同、波速相同时，入射角等于反射角。 (2)、折射定律：人射角和折射角的正弦与人射波和折射波在介质中的速度之间有如下的关系式中： （11-2）式
4、中：C为入射波在介质中的速度；C2为折射波在介质中的速度。 改变人射角，可以使折射角刚好为90，此时的人射角称为临界人射角，且；当时，则只产生反射波。 (3)、透射率和反射率：透射率：超声波从一种介质垂直入射到另一种介质时，透射声压与入射声压之比称为透射率；反射率：反射声压与入射声压之比称为反射率。超声波的透射率和反射率的大小取决于两种介质的密度：当从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，反射率也较大。当从密度大的介质入射到密度小的介质时透射率和反射率较小。例如：超声波从水中入射到钢中时，透射率高达93.5%。超声波的这一特性在金属探伤、测厚技术中得到广泛应用。 (4)、超声波在介质中
5、的衰减：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，以及介质吸收能量，声强逐渐减弱，即能量逐渐衰减。如图11-2所示，超声波进入介质时的强度为，从介质出来之后的强度为，它们之间有如下关系： (11-3)式中：A为吸收系数；为介质的厚度。 图11-2、超声波的衰减示意图介质中的能量衰减与频率及介质密度有很大关系。气体的密度最小，因此衰减最快，尤其是在声波的频率较高时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率较低，而在固体和液体中则可用频率较高的超声波。二、超声波传感器 为了以超声波作为检测手段，我们必须能够产生、发送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，它由发送传感器和接收传感器两部
6、分组成，在超声波检测中成对使用。 1、发送传感器 发送传感器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的电源；换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中辐射。换能器一般有：压电式、磁致伸缩式两种。 (1)、压电式超声波发送传感器压电式发送传感器根据压电晶体的电致伸缩原理制成。 如图11-3所示，在压电材料切片上施加高频正弦交流电压，使它产生电致伸缩运动，从而产生超声波并向空中辐射。 图11-3、压电式超声波传感器工作原理常用的压电材料有：石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅等。 压电材料在高频电压作用下会产生压电晶体振动(伸缩) ，当外加高频电压的频率与压电材料的本身固有频
7、率相等时，压电材料产生共振，此时产生的超声波声强最强。 压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关： (11-4)式中：n：为谐波级数，取1， 2， 3，；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。：压电材料晶体切片的厚度。 压电式超声波发送传感器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的超声波，声强可达几十瓦每平方厘米。(2)、磁致伸缩式发送传感器磁致伸缩式发送传感器是根据铁磁物质的磁致伸缩效应原理制成的。a)矩形 b)窗形图11-4、磁致伸缩超声波发生器 磁致伸缩效应：磁致伸缩效应是指铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象。 磁致伸缩超声波发送器把铁磁材料置于交变
8、磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即产生机械振动，从而产生超声波。 磁致伸缩超声波发送器是用厚度为0.10.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。也可采用铁钴钒合金等材料制作。其结构形状有矩形、窗形等，如图11-4 所示。它的固有频率的表达式与压电式的发送器相同。 磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万赫兹以内，但声强可达几千瓦每平方厘米。它与压电式的发送器比较所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。 2、接收传感器接收传感器由换能器与放大电路组成。超声波接收器是利用超声波发生器的逆变效应进行工作的。换能器接收超声波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出。接
9、收传感器有：压电式、磁致伸缩式两种。 (1)、压电式超声波接收器当超声波作用到电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷，这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。实际使用中，发送传感器的压电陶瓷也可以用做接收器传感器的压电陶瓷。 (2)、磁致伸缩超声波接收器当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩引起内部磁场变化，根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，再将此感应电动势送到测量电路及记录显示设备。三、超声波在自动检测中的应用 超声检测和探伤的方法很多，在实际工作中比较常见的有如下几种： 1、超声波探伤 超声波探伤是无损探伤技术中
10、的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可以测量材料的厚度。其测量方法很多，一般常用的有以下两种方法。 (1)、穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判别工件内部质量的方法。穿透法有一个发射探头和一个接收探头，分别置于被测工件的两边，工作原理如图11-5所示。 图11-5、穿透法探伤示意图工作时，如果工件内部有缺陷，则有一部分超声波在缺陷处即被反射，其余部分到达工件的底部被接收探头接收。因此到达接收探头的能量有一部分损失，接收到的能量变小；如果工件内部没有缺陷，超声波都能到达接收探头，因此接收探头接收到的能量较大。这样就可以检测工件的质量。 (
11、2)、反射法探伤反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的一种方法。图11-6为反射法探伤的示意图。 反射法探伤也有两个探头，这两个探头做在一起，一个发射超声波，另一个接收超声波。工作时探头放在被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。发射探头发出超声波并以一定速度向工件内部传播，如果工件没有缺陷，则超声波传到工件底部才反射回来形成一个反射波，被接收探头接收，一般称为底波B，显示在屏幕上；如果工件有缺陷，则一部分超声波在遇到缺陷时反射回来，形成缺陷波F，其余的传到底部反射回来，显示到屏幕上，则屏幕上出现缺陷波F和底波B两种反射波形，以及发射波T波形。可以通过缺陷波在屏幕上的位置来
12、确定缺陷在工件中的位置。 图11-6、反射法探伤示意图2、超声波测量厚度 超声波测量厚度的方法很多，最常用的方法是利用超声波脉冲反射法进行厚度测量。图11-7为超声波测量厚度的示意图，双晶直探头左边的压电晶片发射超声波，该超声波进入工件到达底部，然后反射回来，被右边的压电晶片接收，经过放大，显示出来，记录发射波与接收波的时间间隔t，工件的厚度可用下式测出： (11-5)由式( 11-5)可知，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。 图11-7、超声波测厚示意图 3、超声波测量液位 超声波测量液位是利用回声原理进行的，如图11-8所示，在液位上方安装空气
13、传导型超声发射器和接收器。根据式(11-5) ，只要测量出发射波和接收波之间的时间间隔，就可以测出探头到液面的距离，如果液面晃动，就会由于反射波散射而造成接收困难，此时可用直管将超声传播路径限制在一定范围内进行测量。 超声波传感器的应用场合非常多，比如超声波传感器应用于汽车倒车防碰及车速测量等。图11-8、超声波测量液位示意图 第二节、红外传感器 红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性来实现自动检测的一种传感器；红外测量技术是发展检测技术、遥感技术和空间科学的重要手段。 红外辐射又称为红外光，是热辐射的一种形式。红外光是一种电磁波，其波长范围在0.761000m之间。红外线在电磁波谱中的位置如
14、图11-9所示。从电磁波谱中可知，红外辐射是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光。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。近红外线的波长大致在0.763m；中红外线的波长大致在36m；远红外线的波长大致在614m； 极远红外线的波长大致在14m以上。在实际应用时，随着应用场合的不同，所用红外辐射的波长也不同。图11-9、电磁波谱一、红外辐射的产生和性质 自然界中任何物体，只要其本身温度高于绝对零度( -273. 160C ) ，就会不断地辐射红外线。常温下所有物体均是红外辐射源，而且物体温度越高，辐射功率就越大。与所有电磁波一样，红外辐射也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。 红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。红外辐射在介质中传播时的输入与输出能量之间有如下关系： （11-6）式中： I：为穿过厚度为的介质时输出的通量； I0：为入射到介质时的通量； K：为吸收系数，与介质性质有关； ：为介质的厚度金属对红外辐射的衰减最大，气体的衰减次之，液体对红外辐射的衰减最小。各种气体和液体对于不同波长红外辐射的吸收是有选择的，亦即不同
