第11章其他传感器

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1、第十一章、其他传感器本章主要讲述超声波传感器、红外传感器、激光传感器，并简要介绍一些新型传感器。第一节、超声波传感器超声波传感器在检测技术中的应用，主要是利用超声波的物理性质，通过被测介质的某些声学特性来检测一些非电参数或者进行探伤。一、超声波的物理基础1、超声波的物理性质声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可分为次声波、声波、超声波和特超声波。人耳能听到的声波频率范围是20Hz–20KHz。频率超过20KHz的声波称为超声波。超声波检测中常用的工作频率在250KHz-20M

2、Hz范围内。超声波的波型主要可分为纵波、横波、表面波三种。纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。表面波：质点的振动方式介于纵波和横波之间，且沿表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。横波和表面波只能在固体中传播；纵波可以在固体、液体和气体中传播。因此常用的超声波为纵波。声压：声压指的是介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之差，其单位是Pa。声强：声强又称为声波的能量密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。

3、声强是一个矢量，它的方向就是能量传播方向。声强的单位是W/m2。声振动的频率愈高，愈容易获得较大的声压和声强。2、超声波的传播性质超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度。当超声波以一定的入射角α从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波，如图11-1所示。图11-1、超声波的反射与折射图与超声波有关的几个定律论述如下。(1)、反射定律：人射角和反射角的正弦与入射波和反射波在介质中的速度之间有如下的关系2

4、3（11-1）式中：C为入射波在介质中的速度；C1为反射波在介质中的速度。当入射波和反射波波型相同、波速相同时，入射角等于反射角。(2)、折射定律：人射角α和折射角β的正弦与人射波和折射波在介质中的速度之间有如下的关系式中：（11-2）式中：C为入射波在介质中的速度；C2为折射波在介质中的速度。改变人射角，可以使折射角β刚好为90°，此时的人射角称为临界人射角，且；当时，则只产生反射波。(3)、透射率和反射率：透射率：超声波从一种介质垂直入射到另一种介质时，透射声压与入射声压之比称为透射率；反射率：反射声压与

5、入射声压之比称为反射率。超声波的透射率和反射率的大小取决于两种介质的密度：当从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，反射率也较大。当从密度大的介质入射到密度小的介质时透射率和反射率较小。例如：超声波从水中入射到钢中时，透射率高达93.5%。超声波的这一特性在金属探伤、测厚技术中得到广泛应用。(4)、超声波在介质中的衰减：超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，以及介质吸收能量，声强逐渐减弱，即能量逐渐衰减。如图11-2所示，超声波进入介质时的强度为，从介质出来之后的强度为，它们之间有如下关系：(11

6、-3)式中：A为吸收系数；δ为介质的厚度。图11-2、超声波的衰减示意图介质中的能量衰减与频率及介质密度有很大关系。气体的密度最小，因此衰减最快，尤其是在声波的频率较高时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率较低，而在固体和液体中则可用频率较高的超声波。二、超声波传感器为了以超声波作为检测手段，我们必须能够产生、发送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，它由发送传感器和接收传感器两部分组成，在超声波检测中成对使用。1、发送传感器发送传感器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的

7、电源；23换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中辐射。换能器一般有：压电式、磁致伸缩式两种。(1)、压电式超声波发送传感器压电式发送传感器根据压电晶体的电致伸缩原理制成。如图11-3所示，在压电材料切片上施加高频正弦交流电压，使它产生电致伸缩运动，从而产生超声波并向空中辐射。图11-3、压电式超声波传感器工作原理常用的压电材料有：石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅等。压电材料在高频电压作用下会产生压电晶体振动(伸缩)，当外加高频电压的频率与压电材料的本身固有频率相等时，压电材料产生共振，此时产

8、生的超声波声强最强。压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关：(11-4)式中：n：为谐波级数，取1，2，3，…；c：为超声波在压电材料里的传播速度，与压电材料的密度有关。δ：压电材料晶体切片的厚度。压电式超声波发送传感器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的超声波，声强可达几十瓦每平方厘米。(2)、磁致伸缩式发送传感器磁致伸缩式发送传感器是根据铁磁物质的磁致伸缩效应原理制成的。a)矩形b)窗形图1