第9章辐射与波式传感器

超声波测流体流量工作原理
超声波探伤
▪ 穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量
的变化情况来判断工件内部质量。 ▪ 反射法探伤：
反射法探伤是根据超声波在工件中反射情 况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为 一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。
穿透法探伤
▪ 优点：指示简单，适 用于自动探伤；可避 免盲区，适宜探测薄 板。
▪ 缺点：探测灵敏度较 低，不能发现小缺陷； 根据能量的变化可判 断有无缺陷，但不能 定位；对两探头的相 对位置要求较高。
穿透法探伤原理
一次脉冲反射法
一次脉冲反射法探伤原理
多次脉冲反射法
多次脉冲反射法探伤原理
9.3 微波传感器及其应用
微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细分 为三个波段。
9.1.3 超声波的反射和折射
sin c1 sin c2
超声波的反射和折射
9.1.4 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。其声压和声强的衰减规律满足以 下函数关系：
Px P0e x I x I 0e 2x
式中: Px 、I x —— 声波在距声源x处的声压和声强； P0 、I 0 —— 声波在声源处的声压和声强；
① 有极宽的频谱（波长=1.0 mm~1.0m ）可供选用，可根 据被测对象的特点选择不同的测量频率；
② 在烟雾、 粉尘、 水汽、 化学气氛以及高、 低温环境中 对检测信号的传播影响极小， 因此可以在恶劣环境下工作；
③ 时间常数小， 反应速度快， 可以进行动态检测与实时 处理， 便于自动控制；
④ 测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换， 从 而简化了传感器与微处理器间的接口。
ε=ε′+αε″
ε′与ε″不仅与材料有关，还与测试信号频率有关, 所有极性 分子均有此特性。一般干燥的物体，其ε′在1～5范围内， 而水 的ε′则高达64， 因此如果材料中含有少量水分子时，其复合ε′ 将显著上升， ε″也有类似性质。
使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体 所引起的微波信号的相移与衰减量， 就可以换算出物体的含水 量。
被测温 度Ti
本地振 荡器
环行器
带通滤 波器
低噪声 放大器
混频器
基准温 度Tc
中频放 大器
微波温度传感器原理框图
微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将 它装在航天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以 进行大地测量与探矿，可以遥测水质污染程度，确定 水域范围，判断植物品种等。
微波无损检测仪
微波信号 源
声波的频率界限图
超声波的波型
▪ 纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波， 称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播；
▪ 横波——质点振动方向垂直于传播方向的波，称为 横波。它只能在固体中传播；
▪ 表面波——质点的振动介于纵波与横波之间，沿着 表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为 表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴 垂直于传播方向，短轴平行于传播方向）。表面波 只能沿着固体的表面传播。
x —— 声波与声源间的距离；
—— 衰减系数。
9.2 超声波传感器及其应用
压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效 应原理来工作的。 压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频 电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当 外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会 产生共振，此时产生的超声波最强。 ▪ 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工 作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩， 在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些 电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记 录或显示出来。
1. 微波发生器
是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高 （300 MHz～300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电 感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小 型微波振荡器也可以采用体效应管。
2、微波天线
由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使 发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用 的天线有喇叭形、 抛物面形、 介质天线与隙缝天线等。
Ud
sin

2
fdt

4 r

因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但 是， 用此方法不能测定距离。为此考虑发射波长（频率）稍有 不同的两个电波λ1和λ2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍 有不同。 若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为ΔΦ， 则可求出距离r：
喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延 续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最 大能量输出。
抛物面天线使微波发射方向性得到改善。
(a)
(b)
(c)
(d)
常用的微波天线 (a) 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线
3. 微波检测器
⑤传输距离远，便于实现遥测和遥控； ⑥微波无显著辐射公害。 缺点：微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未 得到很好的解决。 其次， 测量环境对测量结果影响大， 如温 度、 气压、 取样位置等。
微波传感器的应用
微波液位计
微 波 发射 天 线
S
微 波 接收 天 线 d
水分子是极性分子。
当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不 断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者 表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。 这个特性可用 水分子自身介电常数ε来表征， 即

1
2

4
r


1
2

1
1

r 12
4 1 2
可变衰减 器
被测介质 （移相器）
介质天线 接收天线
移相器
微波检波 器
稳压电源
记录仪
接收放大 器
微波物位计
l
微波发射天线
微波接收天线
微波振荡器
被测 对象
电源
前置放大器 放大器
电压比较器
微波定位传感器
微波振 荡器
物料
小孔
微波天线
环行 器
转换 器
显示 器
微波多普勒传感器
微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波
第9章 波式和辐射式传感器
9.1超声波的物理特性 9.2超声波传感器及其应用 9.3微波传感器及其应用 9.4红外传感器 9.5核辐射传感器
9. 1 .1 超声波的物理特性 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在16~2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机 械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2×104 Hz的机械波 微波：频率在3×108~3×1011 Hz之间的波
微波振荡器 MS
衰减器A1 衰减器A2
转换器T1 转换器T2
相位测定仪PT 衰减测定仪AT
相位差 衰减差
酒精含水量测量仪框图
微波辐射计（温度传感器）
任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射
热能。微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域
可近似为
e0 (,T
)

2ckT
4
天线
压电式超声波传感器结构图
磁致伸缩式超声波传感器
磁致伸缩式超声波传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩 效应原理来工作的。
▪ 磁致伸缩式超声波发生器是把铁磁材料置于交变磁场中，使 它产生机械尺寸的交替变化即机械振动，从而产生出超声波。
▪ 磁致伸缩式超声波接收器的原理是：当超声波作用在磁致伸 缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场（即导 磁特性）发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的 线圈里便获得感应电动势。此电势送到测量电路，最后记录 或显示出来波的传播速度，取决于介 质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传 播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声 速在900～1900m/s。
在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速 成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的 一半，表面波声速约为横波声速的90％。
反射式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测量被测量的。通常它可以测量物体的位 置、位移、厚度等参数。
2. 遮断式微波传感器
遮断式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 厚度、 含水量等参数的。
微波传感器通常由微波发生器（即微波振荡器）、 微波天 线及微波检测器三部分组成。
发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在
距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则
由于多卜勒效应，反射波的频率发生偏移，如下式所示：
式中fd
fd

2v

cos
当物体靠近靶时, 多卜勒频率fd为正；远离靶时，fd为负。 输 入接收机的反射波的电压可用下式表示：
ud
微波传感器的原理和组成
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 它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被 测量，实现了微波检测。
分类：分为反射式和遮断式两类。
1. 反射式微波传感器
电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。
与其它传感器相比， 敏感探头在其工作频率范围内必须 有足够快的响应速度。
作为非线性的电子元件可用种类较多（半导体PN结元件、 隧道结元件等），根据使用情形选用。
微波传感器的特点
一种新型的非接触传感器。
▪ 微波作为一种电磁波，具有电磁波的所 有性质
▪ 微波传感器是利用微波特性来检测某些 物理量的器件或装置
▪ 微波传感器是一种新型非接触式测量传 感器
▪ 微波特点： ➢ 需要定向辐射装置； ➢ 遇到障碍物容易反射； ➢ 绕射能力差； ➢ 传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小； ➢ 介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水 对微波的吸收作用最强。
超声波传感器的应用
超声波测厚
脉冲回波法检测厚度工作原理
超声波测物位
(a)
(b)
(c)
(d)
几种超声波检测物位工作原理
超声波测流量
超声波测量流体流量是 利用超声波在流体中传输时， 在静止流体和流动流体中的 传播速度不同的特点，从而 求得流体的流速和流量。
▪ 时差法测流量
▪ 相位差法测流量
▪ 频率差法测流量