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1、2024/9/201第第9章章 波式传感器波式传感器2024/9/202引言引言n超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介
2、质中的质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。声成像等。2024/9/2039.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质n1超声波的概念和波形超声波的概念和波形n机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为为波
3、。人能听见声音的频率为20Hz20kHz，即为声波，超出此频率范围的声音，即，即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为次声波，以下的声音称为次声波，20kHz以上的以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz。n超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强越弱，但反射能力越强 9.1.1 超声波的基本概念超声波的基本概念 2024/9/204声波频率的界限划分声波频率的界限划分2024/9/205声波的分类1.次声波波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳
4、听不到，赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人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。的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。2024/9/2062.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2024/9/2073.超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。2024/9/208 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雾化器超声波加湿器超声波加湿器2024/9/209声波的波型声波的波型 n（1）纵波）纵波质点振动方向与波的传播方质点振动方向与波的传播方
5、向一致的波。向一致的波。n（2）横波）横波质点振动方向垂直于传播方质点振动方向垂直于传播方向的波。向的波。n（3）表面波）表面波质点的振动介于横波与纵质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。波之间，沿着表面传播的波。n横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多采用纵波。用纵波。 2024/9/2010纵波2024/9/2011横波 2024/9/2012表面波2024/9/20132.声速、波长与指向性声速、
6、波长与指向性 n（1）声速）声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗抗 。n介质的声阻抗介质的声阻抗Z 等于介质的密度等于介质的密度和声速和声速c的乘积，即的乘积，即nZ=c 2024/9/2014常用材料的密度、声阻抗与声速常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为（环境温度为0） 材 料密度(103kgm-1)声阻抗Z（103MPas -1）纵波声速cL（km/ s）横波声速cs（km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.
7、22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空气0.00130.00040.342024/9/2015（2）波长）波长n超声波的波长超声波的波长与频率与频率f乘积恒等于声速乘积恒等于声速c，即，即n f =c 2024/9/2016（3）指向性）指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。的增大而减小。 1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强
8、度线2024/9/2017n指向角指向角与超声源的直径与超声源的直径D、以及波长、以及波长之间的关系为之间的关系为nsin= 1.22/D n设超声源的直径设超声源的直径D=20mm，射入钢板的，射入钢板的超声波（纵波）频率为超声波（纵波）频率为5MHz，则根据式，则根据式（可得（可得=4o，可见该超声波的指向性是，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。十分尖锐的。2024/9/20183.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质，在超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上一部分能量被反射两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质，叫做反射波，另一部分透射
9、回原介质，叫做反射波，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射波。这样的两种情况分别称则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射，之为声波的反射和折射， 2024/9/2019波的反射和折射波的反射和折射 2024/9/2020n（1）反射定律）反射定律n入射角入射角 的正弦与反射角的正弦与反射角 的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角相等时，入射角 等于反射角等于反射角 。n（2）折射定律）折射定律n入射角入射角 的正弦与折射角的正弦与折射角
10、的正弦之比等于超的正弦之比等于超声波在入射波所处介质的波速声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中与在折射波中介质的波速介质的波速c2之比，即之比，即nsin / sin = c1 / c2 2024/9/20214.超声波的衰减超声波的衰减 n超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。散射及吸收等因素有关。 n超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波波的扩散、散射和
11、吸收，在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。能。 2024/9/20229.2 微波传感器微波传感器 n微微波波传传感感器器的的基基本本原原理理是是根根据据微微波波的的传传播播特特性性（反反射射、透透射射、散散射射、
12、干干涉涉等等）以以及及被被测测材材料料的的电电磁磁特特性性(介介电电常常数数和和损损耗耗角角正正切切)，通通过过对对微微波波基基本本参参数数的的测测量量，实实现现对对物物理理量量的的感感知知。因因此此在在学学习习微微波波传传感感器器之之前前，先先对对微微波波的的相相关关知知识识作作一一个个简简单单的的介介绍绍，以以更更好好地地掌掌握握和和使使用用微微波波传传感感器器来来检检测测相相应应的的物物理理量。量。2024/9/20239.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n1、微波频段的划分、微波频段的划分波 段频率范围/GHz在真空中波长/cmL0.3901.55076.919.3S1.55
13、05.20019.35.77X5.20010.9005.772.75K10.90036.0002.750.834Q36.00046.0000.8340.652V46.00056.0000.6520.536W56.000100.0000.5360.300微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性；微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性；当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。 2024/9/20249.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n2、微波的传播特性、微波的传播特
14、性n在电磁性能不同的两介质界面处，微波在电磁性能不同的两介质界面处，微波的反射和折射定律本质上与可见光的反的反射和折射定律本质上与可见光的反射和折射相同。射和折射相同。 2024/9/20259.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n3、介质的电磁特性、介质的电磁特性n(1)、微波的频率较高，传播指向性强；、微波的频率较高，传播指向性强；n(2)、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容易被反射；易被反射；n(3)、微波的穿透力较强，不易受环境因素影、微波的穿透力较强，不易受环境因素影响，例如烟雾、灰尘、强光等；响，例如烟雾、灰尘、强光等；n(4)、介质对微
15、波的吸收作用与介质的介电常、介质对微波的吸收作用与介质的介电常数有关，其中水对微波的吸收作用最强。数有关，其中水对微波的吸收作用最强。 2024/9/20269.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 n微波的产生也来自于振荡器。组成振荡微波的产生也来自于振荡器。组成振荡器中振荡回路中的电子元器件主要有速器中振荡回路中的电子元器件主要有速调管、磁控管、某些固态器件以及一些调管、磁控管、某些固态器件以及一些量值很小的电感、电容等。量值很小的电感、电容等。 2024/9/20279.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 n常见微波天线结构示意图常见微波天线结构示意图 2024
16、/9/20289.2.3 微波传感器及其分类微波传感器及其分类类别类别测测量参数量参数特点特点空间波式微波在自由空间的反射、吸收、衍射等参数的变化结构简单波导式 微波在波导中传输时的反射、吸收特性以及介质变化等对传导波的影响灵敏度高，体积小 谐振腔式谐振频率、品质因数随腔体尺寸或腔中填充物的变化精度高2024/9/20299.2.3 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的基本构成框图微波传感器的基本构成框图 2024/9/20309.2.3 微波传感器及其分类微波传感器及其分类微波传感器的基本构成框图微波传感器的基本构成框图 2024/9/2031各种微波探头 （以下参考常州市常超检
17、测设备有限公司资料）常用频率范围：常用频率范围：0.50.510MHz10MHz，常见晶片直径：常见晶片直径：5 530mm30mm接触式直探头接触式直探头（纵波垂直入射（纵波垂直入射到被检介质）到被检介质） 外壳用金属制外壳用金属制作，保护膜用硬度作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制很高的耐磨材料制作，防止压电晶片作，防止压电晶片磨损。磨损。 保护膜保护膜接插件接插件2024/9/2032超声波探头中的压电陶瓷芯片 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。
18、2024/9/20331.单晶直探头单晶直探头 n用于固体介质的单晶直探头（俗称直探用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头），压电晶片采用头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用钨粉、环
19、氧树脂等浇注。钨粉、环氧树脂等浇注。2024/9/2034 超声波探头结构示意超声波探头结构示意 1接插件接插件 2外壳外壳 3阻尼吸收块阻尼吸收块 4引线引线 5压电晶体压电晶体 6保护膜保护膜7隔离层隔离层 8延迟块延迟块 9有机玻璃斜楔块有机玻璃斜楔块 10试件试件 11耦合剂耦合剂2024/9/2035n超声波的发射和接收虽然均是利用同一超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。电子开关来切换这两种不同的状态。 2024/9/2
20、0362.双晶直探头双晶直探头 n由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件
21、接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。直探头简单。 2024/9/2037各种双晶直探头 焦距范围：540mm, 频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70 2024/9/20383.斜探头斜探头 n压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，压等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块电晶片的上
22、方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。可通过计算求得。 2024/9/2039接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头） 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。底部耐磨材料底部耐磨材料接插件接插件2024/9/2040各种接触式斜探头常用频
23、率范围：15MHz2024/9/2041接触法双晶斜探头（续）2024/9/20424.聚焦探头聚焦探头 n分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。探头。n聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加
24、工，也可具有聚焦功能。加工，也可具有聚焦功能。 2024/9/20435.箔式探头箔式探头 n利用压电材料聚偏二氟乙烯（利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得式探头，可以获得0.2mm直径的超细声直径的超细声束，用在医用束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。高清晰度的图像。2024/9/20446.空气传导型探头空气传导型探头 n超声探头的发射换能器和接收换能器一超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，般是分开设置的，两者结构也略有不同， n发
25、射器的压电片上粘贴了一只锥形共振发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。可达几米至几十米。2024/9/2045空气传导型超声发生、接收器结空气传导型超声发生、接收器结构示意图构示意图 1外壳外壳 2金属丝网罩金属丝网罩 3锥形共振盘锥形共振盘 4压电晶体片压电晶体片5引脚引脚 6阻抗匹配器阻抗匹配器 7超声波束超
26、声波束2024/9/2046空气超声探头（续） 2024/9/2047空气超声探头外形2024/9/2048空气超声探头外形（续）2024/9/20499.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用n微微波波测测湿湿技技术术的的主主要要方方法法是是单单参参量量衰衰减减法法及及反反射射法法。即即在在自自由由空空间间中中，根根据据被被测测材材料料吸吸收收微微波波能能量量的的大大小小与与被被测测材材料料含含水水量量间间的的关关系系，利利用用电电磁磁波波穿穿透透或或反反射射的的测测量量方方法法，测测得得接接收收端端微微波波的的信信号号的的衰衰减减量量或或相相移移，进进而而可可得得被被测测材材料料的的含水
27、量。含水量。1.微波湿度微波湿度(水分水分)传感器传感器2024/9/20509.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用1）测试方法）测试方法1：穿透式微波测湿传感器：穿透式微波测湿传感器1.微波湿度微波湿度(水分水分)传感器传感器2024/9/20519.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用2）测试方法）测试方法2：反射式微波测湿传感器：反射式微波测湿传感器1.微波湿度微波湿度(水分水分)传感器传感器2024/9/20529.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用微波液位计的原理微波液位计的原理 2.微波液位计微波液位计2024/9/20539.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应
28、用微微波波物物位位计计的的原原理理如如图图所所示示。当当被被测测物物体体位位置置较较低低时时，发发射射天天线线发发出出的的微微波波束束全全部部由由接接收收天天线线接接收收。经经检检波波、放放大大与与设设定定电电压压比比较较后后。发发出出物物位位正正常常信信号号。当当被被测测物物位位升升高高到到天天线线所所在在高高度度时时，微微波波信信号号能能量量的的一一部部分分将将被被物物体体吸吸收收。另另一一部部分分将将被被反反射射，因因此此接接收收天天线线接接收收到到的的微微波波功功率率将将相相应应减减弱弱，这这样样接接受受到到的的信信号号在在与与设设定定电电压压比比较较时时，将将会会低低于于设设定定电电
29、压压值值，因因此此电电压压比比较较器器将将会会发发出出被被测测物物体体位位置置高高出设定物位的信号。出设定物位的信号。 3.微波物位计微波物位计2024/9/20549.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用3.微波物位计微波物位计2024/9/20559.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用4.微波测厚仪微波测厚仪 微波测厚仪原理图 2024/9/20569.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用5.微波多普勒传感器微波多普勒传感器多普勒原理示意简图 2024/9/20579.2.5 微波传感器的应用微波传感器的应用5.微波多普勒传感器微波多普勒传感器多普勒原理示意简图 利用多普勒效应可以探测运动物体的速度、方向与方位。由微波传感器构成的微波测速仪广泛应用于车辆测速以及火车进站速度监控等方面，此外日常生活中宾馆和商厦的自动门也是基于上述原理。
