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1、第11章波式和射线式传感器第1页，共47页，编辑于2022年，星期日 基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。超声量之间存在着的直接或间接的关系。测量对象：测量对象：密度、流量、液位、厚度、缺陷等密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意图基于反射原理的示意图 一、概述一、概述第一节第一节 超声波传感器超声波传感器2第2页，共47页，编辑于2022年，星期日1 1、超声波及其基本特性、超声波及其基本特性波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。波（动）：振动在弹性介
2、质内的传播称为波动。频率：次声波、声波、超声波、微波频率：次声波、声波、超声波、微波 次声波：次声波：低于低于16 Hz的机械波；的机械波；声波：声波：其频率在其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波；之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：超声波：高于高于2104 Hz的机械波；的机械波；微波：微波：频率在频率在310831011 Hz之间的波；之间的波；3第3页，共47页，编辑于2022年，星期日2、超声波的波型及其转换和波速、超声波的波型及其转换和波速纵波：纵波：质点的振动方向质点的振动方向与波的传播方向一致。与波的传播方向一致。（固、液、气）（固、液、气）横波：横波：质点的振动
3、方向垂质点的振动方向垂直于波的传播方向。（固）直于波的传播方向。（固）表面波：表面波：质点的振动介于质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅传播，振幅随深度增加而迅速衰减。（固体表面）速衰减。（固体表面）L 1界面界面介质介质1介质介质2 2L1L2S1S2L入射纵波；入射纵波；L1 反射纵波；反射纵波；L2 折射纵波折射纵波 S1 反射横波；反射横波；S2折射横波。折射横波。4第4页，共47页，编辑于2022年，星期日超声波的传播速度超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关
4、。在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为E 杨氏模量；杨氏模量；泊松比；泊松比；G 剪切弹性模量。剪切弹性模量。5第5页，共47页，编辑于2022年，星期日3、超声波的反射和折射、超声波的反射和折射当波速一致时当波速一致时入射波入射波 界面界面介质介质1介质介质2反射波反射波折射波折射波（2）折射定律）折射定律c1入射声波速；入射声波速；c2折射声波速折射声波速（1）反射定律）反射定律6第6页，共47页，编辑于2022年，星期日4、声波的衰减、声波的衰减 超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐超声波在一种介质中传播时，随着距离
5、的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为渐衰减。其声压和声强的衰减规律为P P0 0、I I0 0 声波在声波在x x=0=0处的声压和声强；处的声压和声强；P P、I I 声波在声波在x x处的声压和声强；处的声压和声强；衰减系数。衰减系数。应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。的浓度等。7第7页，共47页，编辑于2022年，星期日5、超声波与介质的相互作用、超声波与介质的相互作用机械效应机械效应 超声波可以引起质点的运动超声波可以引起质点的运动空化效应空化效应 一般表现在液体中微气泡的振动一般表现在液体中微气泡的振动热效应热效
6、应 介质吸收超声波的能量介质吸收超声波的能量 8第8页，共47页，编辑于2022年，星期日二、超声波传感器二、超声波传感器1、定义：、定义：能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。也称为超声波换能器或超声波探头。应用：应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。量、超声清洗、超声医疗等。特点：特点：精度高，被测物体不受影响。精度高，被测物体不受影响。9第9页，共47页，编辑于2022年，星期日2、分类、分
7、类结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式 10第10页，共47页，编辑于2022年，星期日3、压电式探头、压电式探头超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信号号
8、11第11页，共47页，编辑于2022年，星期日 12第12页，共47页，编辑于2022年，星期日三、超声波传感器的应用三、超声波传感器的应用1、超声波测厚、超声波测厚 脉冲回波法：脉冲回波法：13第13页，共47页，编辑于2022年，星期日续：超声波测厚续：超声波测厚探头探头 14第14页，共47页，编辑于2022年，星期日 2、超声波探伤、超声波探伤 穿透法探伤：穿透法探伤：穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。化情况来判断工件内部质量。反射法探伤反射法探伤：反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况反射法探伤是根据超声波在工
9、件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一一次脉冲反射法次脉冲反射法和和多次脉冲反射法多次脉冲反射法两种。两种。TRTRTR15第15页，共47页，编辑于2022年，星期日（1）穿透法探伤）穿透法探伤 优点：指示简单，适优点：指示简单，适用于自动探伤；可避用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄免盲区，适宜探测薄板。板。缺点：探测灵敏度缺点：探测灵敏度较低，不能发现小较低，不能发现小缺陷；根据能量的缺陷；根据能量的变化可判断有无缺变化可判断有无缺陷，但不能定位；陷，但不能定位；对两探头的相对位对两探头的相对位置要求较高。置要求较高。穿透法探伤原理
10、穿透法探伤原理 16第16页，共47页，编辑于2022年，星期日（2 2）一次脉冲反射法）一次脉冲反射法 一次脉冲反射法探伤原理一次脉冲反射法探伤原理 17第17页，共47页，编辑于2022年，星期日（3 3）多次脉冲反射法）多次脉冲反射法 多次脉冲反射法探伤原理多次脉冲反射法探伤原理 18第18页，共47页，编辑于2022年，星期日3、超声流量计、超声流量计理论基础：理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体的流超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。动速度有关。特点：特点：超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。道等。工作原理：工作原理：传
11、播时间法、多普勒（效应）法；波束偏传播时间法、多普勒（效应）法；波束偏移法、相关法等。移法、相关法等。19第19页，共47页，编辑于2022年，星期日(1)脉冲时差法测流量脉冲时差法测流量vL LT1T2T1、T2：皆为具有发射与接收功能的双探头：皆为具有发射与接收功能的双探头流体流速：流体流速：v超声波速：超声波速：c20第20页，共47页，编辑于2022年，星期日vL LT1T221第21页，共47页，编辑于2022年，星期日(2)多普勒效应法测流量多普勒效应法测流量*多普勒效应：多普勒效应：在声源与接收器之间有相对运动的情况下，所接收到的声信号频率在声源与接收器之间有相对运动的情况下，所
12、接收到的声信号频率与声源有差别，即：多普勒效应。与声源有差别，即：多普勒效应。频率之差，称为多普勒频移频率之差，称为多普勒频移fd。相应的差频信号，称为多普勒信号。相应的差频信号，称为多普勒信号。如图，发射头发射频率为如图，发射头发射频率为f1时，超声波经粒子反射产生多普时，超声波经粒子反射产生多普勒频移，接收频率为：勒频移，接收频率为：v发发收收22第22页，共47页，编辑于2022年，星期日v发发收收23第23页，共47页，编辑于2022年，星期日4、超声波液位计、超声波液位计（1）自发自收式单换能器）自发自收式单换能器cT RLcT RL24第24页，共47页，编辑于2022年，星期日（
13、2）一发一收式双换能器）一发一收式双换能器cLcTLR2aSTR2aS25第25页，共47页，编辑于2022年，星期日液位计液位计 26第26页，共47页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 微波式传感器微波式传感器一、微波的基础知识一、微波的基础知识 微波是波长为微波是波长为1m1mm的电磁波，既具有电磁波的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波相对的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：于波长较长的电磁波具有下列特点：空间辐射的装置容易制造；空间辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力较差；
14、绕射能力较差；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；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。最强。27第27页，共47页，编辑于2022年，星期日二、微波传感器二、微波传感器 微波传感器可分为反射式与遮断式两种。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。1.反射式传感器 这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。2.遮断式传感器 这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间
15、有无被测物或被测物的位置等参数。28第28页，共47页，编辑于2022年，星期日三、微波传感器的应用三、微波传感器的应用1.微波液位计 29第29页，共47页，编辑于2022年，星期日接收天线接收的功率Pr可表示为 d两天线与被测液面间的垂直距离；s 两天线间的水平距离；Pt、Gt发射天线发射的功率和增益；Gr接收天线的增益。30第30页，共47页，编辑于2022年，星期日 2.微波物位计微波物位计 微波开关式物位计示意图微波开关式物位计示意图 31第31页，共47页，编辑于2022年，星期日当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为功率为被测物位升
16、高到天线所在高度时，接收天线接被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为收的功率为 32第32页，共47页，编辑于2022年，星期日酒精含水量测量仪框图酒精含水量测量仪框图MSA1A2T1T2PTATDD含水酒精含水酒精不含水酒精不含水酒精3、微波湿度（水分）传感器、微波湿度（水分）传感器MS：微波源：微波源A1、A2：衰减器：衰减器T1、T2：转换器，作用是使被测量包含于微波场内。：转换器，作用是使被测量包含于微波场内。PT、AT：相位与衰减测定仪：相位与衰减测定仪33第33页，共47页，编辑于2022年，星期日第三节第三节 射线式传感器射线式传感器一、核辐射的物理基础一、核辐射的物
17、理基础 1.放射性同位素放射性同位素 凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置故称之为同位素。原子如果不是由于外来的原因，而自发一位置故称之为同位素。原子如果不是由于外来的原因，而自发的产生核结构变化称为核衰变，具有核衰变性质的同位素，叫做的产生核结构变化称为核衰变，具有核衰变性质的同位素，叫做放射性同位素。放射性同位素。放射性元素从放射性元素从N0个原子衰变到个原子衰变到N0/2个原子所经历的时间，称为个原子所经历的时间，称为半衰期。半衰期。34第34页，共47页，编辑于2022年，星期日 2.核辐射 放射性同位素在衰
18、变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为放射性或核辐射。其放出的粒子或射线有 (1)粒子 (2)粒子 (3)射线 35第35页，共47页，编辑于2022年，星期日3.核辐射与物质的相互作用 核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射。核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射。电离是带电粒子与物质相互作用的主要形式。一个粒电离是带电粒子与物质相互作用的主要形式。一个粒子在每厘米路径上生成离子对的数目，称为比电离。带子在每厘米路径上生成离子对的数目，称为比电离。带电粒子在物质中穿行，其能量逐渐耗尽而停止，其穿行电粒子在物质中穿行，其能量逐渐耗尽而停止，其穿行的一段直线距离
19、叫粒子的射程。的一段直线距离叫粒子的射程。36第36页，共47页，编辑于2022年，星期日 辐射在穿过物质层后，其能量强度按指数规律衰减，可表示为I0入射到吸收体的辐射通量的强度；I 穿过厚度为h(单位为cm)的吸收层后的辐射通量强度；线性吸收系数。比值/(是密度)叫做质量吸收系数，常用 表示。37第37页，共47页，编辑于2022年，星期日 二、射线式传感器二、射线式传感器 射线式传感器主要由放射源和探测器组成。射线式传感器主要由放射源和探测器组成。1.放射源放射源 利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出、粒子粒子或或射线放射源（也称辐射源）。选
20、择射线源应以尽量提高检测灵射线放射源（也称辐射源）。选择射线源应以尽量提高检测灵敏度和减小统计误差为原则。敏度和减小统计误差为原则。最常用的有最常用的有80Co、137Cs、241Am及及90Sr等。等。38第38页，共47页，编辑于2022年，星期日放射源的结构应使射线从测量方向射出，而其他方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害。放射源一般为圆盘状，射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆片状。厚度计放射源容器如图 放射源容器图39第39页，共47页，编辑于2022年，星期日2.探测器 探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。(1)电离室 图为电离室工作原理图
21、40第40页，共47页，编辑于2022年，星期日(2)闪烁计数器 闪烁计数器的示意图如下41第41页，共47页，编辑于2022年，星期日 它由闪烁晶体（简称闪烁体）和光电倍增它由闪烁晶体（简称闪烁体）和光电倍增管组成。当核辐射进入闪烁晶体时，使闪烁晶管组成。当核辐射进入闪烁晶体时，使闪烁晶体的原子受激发光，光透过闪烁晶体射到光电体的原子受激发光，光透过闪烁晶体射到光电倍增管用的光阴极上打出光电子并在倍增管中倍增管用的光阴极上打出光电子并在倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪器记录下来，这就是闪烁计数器记录粒子的基器记录下来，这就是闪烁计数器记
22、录粒子的基本过程。本过程。42第42页，共47页，编辑于2022年，星期日(3)盖革计数管 盖革计数管结构如图 它是一个密封玻璃管它是一个密封玻璃管1，中间一条钨丝，中间一条钨丝2为工作阳极，在玻璃管内壁涂上一层为工作阳极，在玻璃管内壁涂上一层导电物质或另放一金属圆筒导电物质或另放一金属圆筒3作为阴极。管内抽空后充气，充入气体由两部分作为阴极。管内抽空后充气，充入气体由两部分组成，主要是惰性气体如氩、氖等，另一部分是加入有机物组成，主要是惰性气体如氩、氖等，另一部分是加入有机物(如乙醚、乙醇等如乙醚、乙醇等)。充进有机物的叫有机物计数管；充入卤素的叫卤素计数管。由于卤素计数管充进有机物的叫有机
23、物计数管；充入卤素的叫卤素计数管。由于卤素计数管寿命长，工作电压低，因而应用较广泛。寿命长，工作电压低，因而应用较广泛。43第43页，共47页，编辑于2022年，星期日盖革计数管的特性曲线如图 图中图中U为加在计数管上的电压，为加在计数管上的电压，I为入射的核辐射强度，为入射的核辐射强度，N为为计数率计数率(输出脉冲数输出脉冲数)。从这曲线中可知，当加在计数管上的电压一。从这曲线中可知，当加在计数管上的电压一定时，辐射强度愈大，则输出脉冲数也愈大，如图中定时，辐射强度愈大，则输出脉冲数也愈大，如图中I1比比I2大时，大时，相应的输出脉冲数相应的输出脉冲数N1也比也比N2大。盖革计数管常用于探测
24、大。盖革计数管常用于探测粒子粒子和和射线。射线。44第44页，共47页，编辑于2022年，星期日三、核辐射检测的应用三、核辐射检测的应用 核辐射可以检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。核辐射厚度计框图如下 45第45页，共47页，编辑于2022年，星期日四、放射性辐射的防护四、放射性辐射的防护 放射性辐射过度地照射人体，能够引起多种放射性疾病，如皮炎、白血球减少症等。因此需要很好地解决射线防护的问题。我国规定：安全剂量为0.05R/d(伦琴/日)，0.3R/W(伦琴/周)。因此在实际工作中要采取多种方式来减少射线的照射强度和照射时间，如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。46第46页，共47页，编辑于2022年，星期日第47页，共47页，编辑于2022年，星期日