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1、第10章波式和辐射式传感器第1页，此课件共32页哦 超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介质对超在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。1 1、超声波及其性质、超声波及其性质 10.1 10.1 超声波传感器超声波传感器第2页，此课件共32页哦 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在纵波：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。固体、液体和气体介
2、质中传播。横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能横波：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。在固体介质中传播。表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面波：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。在固体的表面传播。l 超声波种类超声波种类第3页，此课件共32页哦 1）超声波的速度）超声波的速度 l 超声波的性质超声波的性质 超声波可在气体、液体和固体中传播，并有各自的传播速度，与超声波可在气体、液体和固体中传播，并有各自的传播速度，与介质的特性有很
3、大的关系。介质的特性有很大的关系。l 固体固体 c横横=1/2c纵纵 c表表90%c横横l 液体、气体液体、气体 仅有纵波传播仅有纵波传播第4页，此课件共32页哦2）超声波的反射与折射）超声波的反射与折射第5页，此课件共32页哦3）超声波的衰减）超声波的衰减l 与传播介质有关与传播介质有关 气体液体固体气体液体固体 对于不透光的固体，超声波可穿透几十米的厚度。对于不透光的固体，超声波可穿透几十米的厚度。l 与声波频率有关与声波频率有关 频率越高，衰减越大频率越高，衰减越大 超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩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。散、散射和吸收
4、。第6页，此课件共32页哦 利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换利用超声波物理特性和各种效应而研制的装置称为超声波换能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。能器，或超声波探测器、超声波传感器，有时也叫超声波探头。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式最为常用。磁式等，其中压电式最为常用。2 2、超声波传感器、超声波传感器 第7页，此课件共32页哦 压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用
5、压电材料这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的的 压电效应压电效应 来工作的：来工作的：l 逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动，从而产逆压电效应：将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头。生超声波，可作为发射探头。l 正压电效应：将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。正压电效应：将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。第8页，此课件共32页哦 它主要由压电晶片、吸收块它主要由压电晶片、吸收块(阻尼块阻尼块)、保护膜、引线等、保护膜、引线等组成。组成。n 直探头式结构直探头式结构 晶片密度晶片密度 晶片的弹性模量晶片的弹性模量第9页，此课件共32
6、页哦n 双探头式结构双探头式结构第10页，此课件共32页哦1）超声波测液位）超声波测液位3、超声波传感器的应用、超声波传感器的应用l 单换能器l 双换能器第11页，此课件共32页哦2）超声波测厚度）超声波测厚度l 脉冲回波法脉冲回波法第12页，此课件共32页哦3 3）超声波测流量超声波测流量第13页，此课件共32页哦第14页，此课件共32页哦4）超声波测距离）超声波测距离第15页，此课件共32页哦10.2 10.2 微波传感器微波传感器 微波传感器是一种新型的非接触式传感器，在工业中，微微波传感器是一种新型的非接触式传感器，在工业中，微波传感器在材料无损检测及物位检测等方面具有独到之处。波传感
7、器在材料无损检测及物位检测等方面具有独到之处。故广泛应用于工业、农业，能源，国防，公安，生物医学，故广泛应用于工业、农业，能源，国防，公安，生物医学，环境保护，卫星通信环境保护，卫星通信 等领域。等领域。第16页，此课件共32页哦n微波是波长为微波是波长为1mm1m的电磁波，既具有电磁波的性质，的电磁波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同，是一种波长较短、频率又与普通的无线电波及光波不同，是一种波长较短、频率很高的电磁波。很高的电磁波。n工作原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸工作原理：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
8、接收天线，接收到通收或反射，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，从而实现了号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，从而实现了微波检测。微波检测。1、微波传感器原理、微波传感器原理第17页，此课件共32页哦 定向辐射的装置容易制造。定向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。绕射能力差。绕射能力差。传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小
9、。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。作用最强。2、微波传感器的特点、微波传感器的特点第18页，此课件共32页哦l组成组成 微波传感器是由微波振荡器、微波天线和微波检测器三微波传感器是由微波振荡器、微波天线和微波检测器三部分组成。部分组成。n振荡器：产生微波，频率很高（振荡器：产生微波，频率很高（300MHZ300GHz)，电容、电感很，电容、电感很小，常由磁控管、固态器件等构成。小，常由磁控管、固态器件等构成。n天线天线 3 3、微波的组成和分类、微波的组成和分类第19页，此课件共32页哦(1)反射式传感器
10、反射式传感器 这种微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或这种微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来获得被测量的。一般它可以测量物体的位置、经过的时间间隔来获得被测量的。一般它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。位移、厚度等参数。(2)遮断式传感器遮断式传感器 这种微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小这种微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的位来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的位置、置、被测物中的含水量等参数。被测物中的含水量等参数。l 分类分类 根据微波传感器的原理，微波传
11、感器可以分为反射式和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。遮断式两类。第20页，此课件共32页哦 1 1）微波式物位传感器）微波式物位传感器 4、微波传感器的应用、微波传感器的应用l 低于设定物位：低于设定物位：l 高于设定物位：高于设定物位：第21页，此课件共32页哦2）微波式液位传感器）微波式液位传感器第22页，此课件共32页哦3）微波式厚度传感器微波式厚度传感器第23页，此课件共32页哦n红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，红外线是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。故称红外线。n18001800年，英国赫胥尔发现年，
12、英国赫胥尔发现n波长介于可见光和微波之间波长介于可见光和微波之间10.3 红外辐射式传感器红外辐射式传感器第24页，此课件共32页哦 红外线易于产生，容易接收。红外线易于产生，容易接收。采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低。采用红外发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本低。红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作。红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作。功率消耗小，反应速度快。功率消耗小，反应速度快。对环境无污染，对人、物无损害。对环境无污染，对人、物无损害。抗干扰能力
13、强。抗干扰能力强。l 红外线特点红外线特点第25页，此课件共32页哦 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心，它是利用红外辐单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探测器和光子探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。测器两大类。1)热探测器热探测器 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热
14、电阻型和气热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。体型。l 红外探测器红外探测器第26页，此课件共32页哦 光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的光子流与光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。光子态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。导、光生伏特和光磁电探测器等三种。2)光子探测器光子探测器
15、第27页，此课件共32页哦n红外测温是一种非接红外测温是一种非接触、在线式检测技术，触、在线式检测技术，它通过红外传感器接它通过红外传感器接收物体发出的红外线收物体发出的红外线（红外辐射能量），（红外辐射能量），从而测出物体表面的从而测出物体表面的温度及温度场的分布温度及温度场的分布情况。情况。1）红外测温）红外测温l 红外传感器的应用红外传感器的应用第28页，此课件共32页哦n 红红外外线线的的物物理理本本质质：是是热热辐辐射射，即即任任何何物物体体只只要要它它的的温温度度高高于于绝绝对对零零度度（-273），都都会会产产生生自自身身分分子子和和原原子子的的无无规规则则运运动动，并并不不停停
16、地地向向周周围围空空间间辐辐射射出出热热红红外外能能量量，物物体体的的温温度度越越高高，分分子子和和原原子子的的运运动动愈愈剧剧烈烈，辐辐射射出出来来的的红红外外线线越越多多，辐辐射射的的能能量量愈愈大大；反反之，辐射的能量愈小。之，辐射的能量愈小。n 红外检测的优点：红外检测的优点：n非接触测量，使用方便、安全非接触测量，使用方便、安全n响应快、精度高、寿命长响应快、精度高、寿命长n测温范围宽，适用范围广测温范围宽，适用范围广第29页，此课件共32页哦 确定目标尺寸确定目标尺寸第30页，此课件共32页哦n红外测温分类红外测温分类n红外测温仪（便携式、固定式）红外测温仪（便携式、固定式）n红外
17、热像仪红外热像仪w 便携式红外测温仪系统原理框图便携式红外测温仪系统原理框图 系统原理框图系统原理框图第31页，此课件共32页哦l 红外热释电探测器红外热释电探测器 Thermalert MI 由美国由美国Raytek公司生产，高精度红外测温专用探测器，它集成公司生产，高精度红外测温专用探测器，它集成了一个很小的了一个很小的LiTaO3热释电传感器和一个高性能的信号放大热释电传感器和一个高性能的信号放大处理电路，标准电压信号输出，为与单片机系统接口提供处理电路，标准电压信号输出，为与单片机系统接口提供了极大的方便。了极大的方便。外形尺寸外形尺寸1428(mm)温度分辨率温度分辨率0.1 光学分辨率光学分辨率10：1响应时间响应时间120ms测温范围测温范围0300封装形式封装形式不锈钢不锈钢表表2 Thermalert MI探测器主要参数探测器主要参数第32页，此课件共32页哦