1、波式和射線式傳感器第1頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四基本原理：利用某種待測的非聲量與某些描述媒質聲學特性的超聲量之間存在著的直接或間接的關系。測量對象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意圖 一、概述第一節 超聲波傳感器2第2頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四1、超聲波及其基本特性波（動）：振動在彈性介質內的傳播稱為波動。 頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波 次聲波：低于16 Hz的機械波；聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機械波；超聲波：高于2104 Hz的機械波；微波：頻率在310831011 Hz之間的波；3

2、第3頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四2、超聲波的波型及其轉換和波速縱波：質點的振動方向與波的傳播方向一致。（固、液、氣）橫波：質點的振動方向垂直于波的傳播方向。（固） 表面波：質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨深度增加而迅速衰減。（固體表面）L1界面介質1介質22L1L2S1S2L入射縱波； L1 反射縱波； L2 折射縱波 S1 反射橫波； S2折射橫波。 4第4頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四超聲波的傳播速度取決于介質的彈性常數及介質的密度，與自身頻率無關。在固體介質中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為E 楊氏模量； 泊

3、松比；G 剪切彈性模量。 5第5頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四3、超聲波的反射和折射當波速一致時入射波界面介質1介質2反射波折射波（2）折射定律c1入射聲波速； c2折射聲波速 （1）反射定律6第6頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四4、聲波的衰減 超聲波在一種介質中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規律為P0、I0 聲波在x=0處的聲壓和聲強；P、I 聲波在x處的聲壓和聲強； 衰減系數。應用：工件的厚度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿 的濃度等。 7第7頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四5、超聲波與介質

4、的相互作用機械效應 超聲波可以引起質點的運動空化效應 一般表現在液體中微氣泡的振動熱效應 介質吸收超聲波的能量 8第8頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四二、超聲波傳感器1、定義： 能夠完成產生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。應用：超聲波傳播時間傳感器、目標探測、流量測量、液位測量、超聲清洗、超聲醫療等。特點：精度高，被測物體不受影響。 9第9頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四2、分類結構：直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭工作原理：壓電式、磁致伸縮式、電磁式 10第10頁，共47頁，2022年，5月20

5、日，10點31分，星期四3、壓電式探頭超聲波傳感器大多數利用壓電材料制成，逆壓電效應將電振動轉換成機械振動產生超聲波，作為發射探頭；正壓電效應將超聲波轉換成電信號，作為接收探頭。壓電探頭主要通過壓電晶片將超聲振動轉換為電信號 11第11頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 12第12頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四三、超聲波傳感器的應用1、超聲波測厚 脈沖回波法： 13第13頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四續：超聲波測厚主控制器脈沖發送電路接收電路探頭標準振蕩電路計數電路 14第14頁，共47頁，2022年，5月20日，

6、10點31分，星期四 2、超聲波探傷 穿透法探傷： 穿透法探傷是根據超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內部質量。 反射法探傷： 反射法探傷是根據超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。TRTRTR15第15頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四（1）穿透法探傷 優點：指示簡單，適用于自動探傷；可避免盲區，適宜探測薄板。缺點：探測靈敏度較低，不能發現小缺陷；根據能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對兩探頭的相對位置要求較高。 穿透法探傷原理 16第16頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四（

7、2）一次脈沖反射法 一次脈沖反射法探傷原理 17第17頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四（3）多次脈沖反射法 多次脈沖反射法探傷原理 18第18頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四3、超聲流量計理論基礎：超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動速度有關。特點：超聲非接觸測量；無壓力損失；適合于大型管道等。工作原理：傳播時間法、多普勒（效應）法；波束偏移法、相關法等。 19第19頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四(1)脈沖時差法測流量vLT1T2T1、T2：皆為具有發射與接收功能的雙探頭流體流速：v超聲波速：c20第20頁，共47

8、頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四vLT1T221第21頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四(2)多普勒效應法測流量*多普勒效應： 在聲源與接收器之間有相對運動的情況下，所接收到的聲信號頻率與聲源有差別，即：多普勒效應。 頻率之差，稱為多普勒頻移fd。 相應的差頻信號，稱為多普勒信號。 如圖，發射頭發射頻率為f1時，超聲波經粒子反射產生多普勒頻移，接收頻率為：v發收22第22頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四v發收23第23頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四4、超聲波液位計（1）自發自收式單換能器cT RLcT

9、 RL24第24頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四（2）一發一收式雙換能器cLcTLR2aSTR2aS25第25頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四液位計 26第26頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四第二節 微波式傳感器一、微波的基礎知識 微波是波長為1m1mm的電磁波，既具有電磁波的性質，又不同于普通的無線電波和光波。微波相對于波長較長的電磁波具有下列特點： 空間輻射的裝置容易制造； 遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力較差； 傳輸特性良好，傳輸過程中受煙、灰塵、強光等的影響很小； 介質對微波的吸收與介質的介電常數成比例，水

10、對微波的吸收作用最強。 27第27頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四二、微波傳感器 微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。 1.反射式傳感器 這種傳感器通過檢測被測物反射回來的微波功率或經過時間間隔來表達被測物的位置、厚度等參數。 2.遮斷式傳感器 這種傳感器通過檢測接收天線接收到的微波功率的大小，來判斷發射天線與接收天線間有無被測物或被測物的位置等參數。28第28頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四三、微波傳感器的應用1.微波液位計 29第29頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四接收天線接收的功率Pr可表示為 d兩天線與被測液

11、面間的垂直距離； s 兩天線間的水平距離； Pt、Gt發射天線發射的功率和增益； Gr接收天線的增益。 30第30頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 2.微波物位計 微波開關式物位計示意圖 31第31頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四當被測物位低于設定物位時，接收天線接收的功率為被測物位升高到天線所在高度時，接收天線接收的功率為 32第32頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四酒精含水量測量儀框圖MSA1A2T1T2PTATDD含水酒精不含水酒精3、微波濕度（水分）傳感器MS：微波源A1、A2：衰減器T1、T2：轉換器，作用是

12、使被測量包含于微波場內。PT、AT：相位與衰減測定儀33第33頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四第三節 射線式傳感器一、核輻射的物理基礎 1.放射性同位素 凡原子序數相同而原子質量不同的元素，在元素周期表中占同一位置故稱之為同位素。原子如果不是由于外來的原因，而自發的產生核結構變化稱為核衰變，具有核衰變性質的同位素，叫做放射性同位素。 放射性元素從N0個原子衰變到N0/2個原子所經歷的時間，稱為半衰期。 34第34頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 2.核輻射 放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線，這種現象稱為放射性或核

13、輻射。其放出的粒子或射線有 (1)粒子 (2)粒子 (3)射線 35第35頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四3.核輻射與物質的相互作用 核輻射與物質的相互作用主要是電離、吸收和反射。 電離是帶電粒子與物質相互作用的主要形式。一個粒子在每厘米路徑上生成離子對的數目，稱為比電離。帶電粒子在物質中穿行，其能量逐漸耗盡而停止，其穿行的一段直線距離叫粒子的射程。 36第36頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 輻射在穿過物質層后，其能量強度按指數規律衰減，可表示為I0入射到吸收體的輻射通量的強度；I 穿過厚度為h(單位為cm)的吸收層后的輻射通量強度； 線性

14、吸收系數。 比值/(是密度)叫做質量吸收系數，常用 表示。 37第37頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 二、射線式傳感器 射線式傳感器主要由放射源和探測器組成。 1. 放射源 利用射線式傳感器進行測量時，都要有可發射出、粒子或射線放射源（也稱輻射源）。選擇射線源應以盡量提高檢測靈敏度和減小統計誤差為原則。 最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。 38第38頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四放射源的結構應使射線從測量方向射出，而其他方向則必須使射線的劑量盡可能小，以減少對人體的危害。放射源一般為圓盤狀，射線輻射源一般為絲狀、圓柱

15、狀或圓片狀。 厚度計放射源容器如圖 放射源容器圖39第39頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四2.探測器 探測器就是核輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計數器和蓋革計數管。 (1) 電離室 圖為電離室工作原理圖 40第40頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四(2)閃爍計數器 閃爍計數器的示意圖如下41第41頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四 它由閃爍晶體（簡稱閃爍體）和光電倍增管組成。當核輻射進入閃爍晶體時，使閃爍晶體的原子受激發光，光透過閃爍晶體射到光電倍增管用的光陰極上打出光電子并在倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，最后

16、被電子儀器記錄下來，這就是閃爍計數器記錄粒子的基本過程。 42第42頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四(3)蓋革計數管 蓋革計數管結構如圖 它是一個密封玻璃管1，中間一條鎢絲2為工作陽極，在玻璃管內壁涂上一層導電物質或另放一金屬圓筒3作為陰極。管內抽空后充氣，充入氣體由兩部分組成，主要是惰性氣體如氬、氖等，另一部分是加入有機物(如乙醚、乙醇等)。充進有機物的叫有機物計數管；充入鹵素的叫鹵素計數管。由于鹵素計數管壽命長，工作電壓低，因而應用較廣泛。 43第43頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四蓋革計數管的特性曲線如圖 圖中U為加在計數管上的電壓，I為入射的核輻射強度，N為計數率(輸出脈沖數)。從這曲線中可知，當加在計數管上的電壓一定時，輻射強度愈大，則輸出脈沖數也愈大，如圖中I1比I2大時，相應的輸出脈沖數N1也比N2大。蓋革計數管常用于探測粒子和射線。44第44頁，共47頁，2022年，5月20日，10點31分，星期四三、核輻射檢測的應用 核輻射可以檢測厚度、液位、物位、轉速、材料密度、重量、氣體壓力、流速、溫度及濕度等參數，也可用于金屬材料探傷。核輻射厚度計框圖如下 4