第十章 节 波式和射线式传感器 《传感器（第5版）》课件.pptxVIP

普通高等教育“十一五”国家级规划教材; 第一节 超声波传感器 第二节 微波式传感器 第三节 射线式传感器;一、超声波及其物理性质 1.概述 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2×104 Hz的机械波 微波：频率在3×108~3×1011 Hz之间的波 如图11-1所示。;图11-1 声波的频率界限;2. 超声波的波型及其转换 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有： ① 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； ② 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；  ③ 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，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 ;4. 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，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 式中 px、Ix —平面波在x处的声压和声强； p0、I0 —平面波在x=0处的声压和声强； α—衰减系数。  ;二、超声波传感器概述 超声探头分类： （1）按发声原理分类。分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。 （2）按波型分类。按照在被探工件中产生的波型不同可分为纵波探头、横波探头、板波（兰姆波）探头和表面波探头。 （3）按入射波束方向分类。可分为直探头和斜探头。前者入射波束与被探工件表面垂直，后者入射波束与被探工件表面成一定的角度。 ;（4）按耦合方式分类。按照探头与被探工件表面的耦合方式可分为直接接触式探头和液浸式探头。前者通过薄层耦合剂与工件表面直接接触，后者与工件表面之间有一定厚度的液层。 （5）按声束形状分类。按照超声波声束的集聚与否可分为聚焦探头和非聚焦探头。 （6）按频谱分类。按照超声波频谱可???为宽频带探头和窄频带探头。 （7）特殊探头。除一般探头外，还有一些在特殊条件下和用于特殊目的的探头。如机械扫描切换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、瓷瓶探伤专用扁平探头（纵波）及S型探头（横波）等。 ;超声波测距原理:超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头。发射探头利用逆压电效应。接收探头利用正压电效应。常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。超声波探头的具体结构如图11-3所示。 ;压电式超声波探头多为圆板形，超声波频率f与其厚度δ成反比， 式中 E11—晶片沿x轴方向的弹性模量； —晶片的密度。 从上式可知，压电晶片在基频上作厚度振动时，晶片厚度δ相当于晶片振动的半波长，我们可依此规律选择晶片厚度。 石英晶体的频率常数是2.87MHz·mm、锆钛酸铅陶瓷(PZT)频率常数是1.89MHz·mm，表示石英片厚1mm时，其振动频率为2.87MHz，PZT片厚1mm时，振动频率为1.89MHz。;三、超声波传感器的应用实例 利用超声波传感器可以实现对液位、流量、流速、浓度、厚度等测量，还可以进行材料的无损探伤、医学检测等。 ;一、微波的基础知识 微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波具有下列特点： ① 定向辐射的装置容易制造； ② 遇到各种障碍物易于反射； ③ 绕射能力差；  ④ 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小； ⑤ 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例， 水对微波的吸收作用最强。 ;二、 微波传感器概述 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。 ; 1. 反射式微波传