第十一章波式传感器.ppt

第十一章 波式和射线式传感器 10.2 超声波传感器的应用 第二节 微波式传感器 一、微波的基础知识 第三节 射线式传感器 定义：利用放射性同位素、根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。也称核辐射检测装置。 * * 第一节 超声波式传感器 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率在16~2×104 Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称为声波; 低于16 Hz的机械波, 称为次声波;频率高于2×104 Hz的机械波, 称为超声波。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时, 由于在两种介质中传播速度不同, 在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 一、 超声波的波形及其物理性质 1、超声波波型及其转换 由于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、液体和气体中传播。 ② 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波。 只能在固体中传播。 ③ 表面波——质点的振动介于横波与纵波之间， 沿着表面传播的波。表面波随深度增加衰减很快。 表面波振动轨迹是椭圆型，在固体表面传播。 2、波型转换 当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在某种情况下, 还能产生表面波。 3. 超声波的反射和折射 在两界面处，声波的传输与光传输类似，符合反射定律和折射定律。 C1与C2为声波在第一介质和第二介质中传播声速。 反射定律:入射波与反射波的波形相同，波速相等时： 折射定律： 超声波的反射和折射 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 Px、Ix——距声源x处的声压和声强;   x——声波与声源间的距离;   α——衰减系数 （11-2） （11-3） 一、超声波传感器 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。 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，再反回到接收探头。 超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，称为压电式超声波探头。 它是实现声、电转换的装置。利用压电材料的压电效应来工作的: 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; 利用正压电效应, 将超声振动波转换成电信号, 可用为接收探头。 超声波频率与厚度的关系： ——晶片沿x轴的弹性模量 ——晶片密度 超声波频率f与其厚度δ成反比。 超声波探头结构 2、 超声波液（物）位传感器 从探头发出超声波脉冲通过介质到达液面，经过反射后又被探头接收。测量发射与接收超声波脉冲的时间间隔和声波在介质中传播速度，可求出探头与液面之间的距离。实现液位（物位）的测量。根据发射和接收换能器的功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。 对于单换能器（复合换能器）来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为 对于双换能器（一对）来说, 超声波从发射到被接收经过的路程为2s, 而 s =  因此液位高度为 h = （s2-a2）1/2 2、 超声波流量传感器 超声波传输时间差法测流量。  超声波在流体中传输时, 在静止流体和流动流体中的传输速度是不同的, 利用这一特点可以求出流体的速度, 再根据管道流体的截面积, 便可知道流体的流量。 如果在流体中设置两个超声波传感器（复合探头）, 它们可以发射超声波又可以接收超声波, 一个装在上游, 一个装在下游, 其距离为L。如设顺流方向的传输时间为t1, 逆流方向的传输时间为t2, 流体静止时的超声波传输速度为c, 流体流动速度为v。 t1= t2 =  超声波传播时