DAS声传感技术推介精品PPT课件
超声波传感器课件
数据处理与分析
使用相关软件对采集 到的数据进行处理和 分析。
数据处理与分析
数据清洗
去除异常值和噪声，确 保数据质量。
数据转换
将原始数据转换为更易 于分析的格式或图表。
数据分析
根据实验目的，对数据 进行统计分析或趋势分
析。
结果解释与结论
根据分析结果，得出结 论并解释实验现象。
06
问题与解答
常见问题及解决方案
02
03
04
工业自动化
用于检测生产线上的物体位置 和距离，实现自动化控制和定
位。
机器人技术
用于机器人导航、避障和定位 ，提高机器人的智能和自主性
。
医疗诊断
用于检测人体内部器官和病变 ，如超声成像和胎儿监测。
环境ห้องสมุดไป่ตู้测
用于检测空气污染、水质污染 等环境问题，实现环境监测和
保护。
02
超声波传感器的设计与制 造
气体检测
超声波传感器能够检测空气中的有害气体和粉尘，如一氧化碳、二氧化硫、PM2.5等。这对于保障公共安全和预 防环境污染具有重要意义。
工业自动化与智能制造
机器人定位
在工业自动化生产线上，超声波传感器常用于机器人的定位和避障。通过向目标物体发射超声波并接 收回声信号，机器人可以精确地判断出目标物体的距离和位置，从而实现高效、精准的操作。
VS
新工艺
新型工艺如纳米压印、光刻技术等在超声 波传感器的制造中得到应用，这些新工艺 能够实现更精细的加工和更高的集成度， 提高传感器的分辨率和响应速度。
多功能化与集成化的发展
多功能化
超声波传感器正朝着多功能化的方向发展， 除了基本的检测功能外，还集成了温度、湿 度、压力等多种传感器，实现多参数的检测 和监控。
传感技术课件 9
现代传感器技术
<8>
8.2 声表面波技术的基础知识
SAW
现代传感器技术
<9>
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
2. 波在不连续介质处的反射
电能
现代传感器技术
<10>
8.2 声表面波技术的基础知识
概念：金属叉指换能器 IDT
现代传感器技术
<11>
声表面波滤波器
现代传感器技术
<6>
本章内容
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
概述 声表面波技术基础知识 研究声表面波的基础理论 声表面波传感器技术 典型声表面波传感器及应用
现代传感器技术
<7>
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波 SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波 机械波 ➢ 在表面传播，能量集中在厚度不超过1个波长的表层
多晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般 只适宜作低频器件。 压电薄膜：如ZnO 。 ➢ 表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定，它可以 很方便的与半导体电子器件集成为单片器件，使声表面波信 号处理器件或传感器与外围电路集成化
现代传感器技术
<19>
5. SAW器件材料
现代传感器技术
1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明 了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能 器（IDT），加速了声表面波技术的发展，相继出 现了许多各具特色的声表面波器件.
现代传感器技术
<3>
8.1 概述
SAW器件是近代声学中的表面波理论、压电学研究 成果和微电子技术有机结合的产物。
现代传感技术与系统》课件第三章3-4要点PPT课件
第三章(3)
1
3.3.4 用于分子识别的生物传感器
要点2: 生物间信息传递的基本要求 ---- 分泌、传输及接收 在接收机理中，每一个特殊的分子信息被选择性地识别。
能在目标细胞中分辨相应分子信息的是接收体蛋白质。 第一类:与离子通道相关的接收器 第二类:与G蛋白相关的接收器构成 第三类:包括磷活化酶相关的接收器。
第三章(3)
3
第三章(3)
4
3.3.4 用于分子识别的生物传感器
方式2: 非特定接收器和神经网络的集成
可对一定范围内的分子产生响应。许多络合物质及生物体可以作为非 特定型接收器工作。这些物质根据每一类设定目标分子的反映特性，以略 微不同的方式对其作出响应。通常需使用几种非特定型接收器去分辨某一 种特定的气味或味道。
3.3.4 用于分子识别的生物传感器
要点1. 生物系统的分子识别机理 ----细胞通讯与神经突触 胰导素类的荷尔蒙分子通过遍布全身的特殊细胞分泌，
这种分子从正在分泌的细胞到特殊的目标细胞之间传递相应信 息。通过这些信息分子的交换，在生物系统实现了细胞间的通 讯。
另一种细胞间的联系产生于神经突触(synapse)，即神经 元之间的结点。神经末梢分泌神经传递分子。因为相邻神经元 之间通过3nm的气隙连接，分泌的神经传递物质扩散至相邻的 神经元从而实现信息.3.4 用于分子识别的生物传感器
⑵ 用于乙醇识别的生物催化传感器
将镀铂电极浸入含有酒精脱氢酶的溶液中，脱氢酶与麦尔 多拉蓝（meldola’s blue）合成然后转化为含吡咯（pyrrole） 的溶液。乙醇或以气态或以液态渗透薄膜，并且由酒精脱氢酶 键合膜来识别。在酶的活跃点经过酒精脱氢酶，电子从乙醇转 移 到 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 （ NAD nicotinamide adenine dinucleotide）,其结果是NAD的减小。在减小的NAD表现形式与 电极之间，麦尔多拉蓝与吡咯形成了一个电子传输网络。
第10章-超声波传感器ppt课件
热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器
的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理 参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所 吸收的红外辐射。
特点：热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展 到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广 泛。
.
超声波马达 超声波马达(UltraSonic Motor)的简称是：USM，最
早应用于照相机上是Canon EF系列镜头。现在，很多 数码相机或摄像机镜头用超声波马达进行对焦。 原理：利用超声波振动能量变换成转动能量的来工作 的。 超声波马达分环形和 微型超声波马达两种。
.
超声波传感器应用举例（续）
D
t2
cos c v sin
t t2 t1
.
超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的 流体种类很多，不论是非导电的流体、 高粘度的流体，还是 浆状流体， 只要能传输超声波的流体都可以进行测量。 超声 波流量计可用来对自来水、工业用水、 农业用水等进行测量。 还适用于下水道、 农业灌渠、河流等流速的测量。
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图10-14 声波的频率范围图
.
声波的分类 1.次声波
次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与 人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作 不协调，甚至导致心脏停止跳动。
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
.
3.超声波
.
蝙蝠依靠超声波捕食
.
超声波与可闻声波不同， 它可以被聚焦，具有能量集中
传感器分类：单换能器和双换能器。
单换能器的传感器发射 和接收超声波使用同一 个换能器。
超声波传感器(传感技术课件)
脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度 ：
1
=
2
超声波测厚石料测厚
某超声波测厚仪指标
显示方法∶128*32 LCD
点阵液晶显示（带背光）
显示位数：四位
测量范围：0.8~200mm
示值精度：0.1mm
声速范围：1000 ~ 9999m/s
测量周期：2次/秒
自动关机时间：90秒
超声波的指向性为超声波能量集中在一定区域并向一个方向辐射的现象。
频率越高，指向角越小，越适合检测。
超声波传感器的特性
3、超声波传感器的温度特性：
一般说温度越高，中心频率、灵敏度、输出声压电平越低。
宽范围环境温度使用时，需温度补偿。
应用：超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制
泡或液面发生波动，便会有较大的误差。在一般使用条件下, 它的
测量误差为±0.1%, 检测物位的范围为10-2～104m。
应用：超声波测厚度
探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被
反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲
到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声
A型探伤超声探伤的计算
设：显示器的x轴为10s/div (格)，现测得B
波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。
已知纵波在钢板中的声速CL=5.9×103m /s。
求：1）t 及tF ；
2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。
解：
1）t = 10s/div×6div=0.06ms
A型探伤的结果以二维坐标图形式给出。它的横坐标为时间轴，纵坐标为
das 技术在油气地球物理中的应 用综述
das 技术在油气地球物理中的应用综述In recent years, there has been a growing interest in the application of distributed acoustic sensing (DAS) technology in the field of oil and gas geophysics. DAS technology utilizes fiber optic cables as virtual sensors to continuously monitor and detect various physical parameters along the length of the cable. This innovative approach has shown great potential in improving efficiency and accuracy in geophysical surveys.近年来，对分布式声波传感（DAS）技术在油气地球物理领域的应用产生了越来越大的兴趣。
DAS技术利用光纤缆线作为虚拟传感器，可以连续监测和检测沿着光纤长度的各种物理参数。
这种创新方法在提高地球物理勘探效率和准确性方面展现出巨大潜力。
One of the main advantages of DAS technology is its ability to provide high-resolution data over long distances, allowing for a more comprehensive understanding of subsurface structures. Traditional seismic acquisition methods often require numerous sensors to be placed at regular intervals, which can be time-consuming andexpensive. DAS technology eliminates this need by using an existing fiber optic cable as a continuous sensor,resulting in significant cost savings and improved operational efficiency.DAS技术的主要优势之一是它能够在长距离上提供高分辨率的数据，从而更全面地了解地下结构。
声音感知技术的原理
声音感知技术的原理
声音感知技术的原理根据不同技术有所不同。
以下是一些常见的声音感知技术及其原理：
1. 麦克风感应：该技术通过麦克风接收声音信号，并将其转化为电信号。
麦克风包含一个薄膜，当声音波到达时，薄膜会振动，造成电荷的变化，进而输出相应的电信号。
2. 气体检测传感器：这种传感器能够感知特定气体产生的声音信号。
它通常使用声音传感器或压电传感器来检测气体产生的微小震动或波动。
3. 声纳技术：声纳是利用声波在介质中的传播速度和回声反射来感知目标的技术。
声纳系统发送声波信号，并通过接收器接收回音。
根据回音的延迟时间和强度，可以确定目标的位置和性质。
4. 振动传感器：振动传感器通过检测物体的振动或震动来感知声音。
它通常利用压电自激振动装置或贴片式加速度计来检测物体的微小振动，并将其转换为电信号。
5. 声音分析算法：声音分析算法通过对声音信号进行处理和分析来感知声音。
这些算法可以提取声音信号的频率、振幅、声音模式等特征，并与已知的声音模式进行比较，从而识别声音来源。
这些声音感知技术可以单独应用，也可以结合使用来实现更高级的声音感知功能。
声电传感技术与测量仪器讲义
声电传感技术与测量仪器讲义 第一讲： 简单振动系统声学传感器是一个振动系统，发射和接收振动时工作在该系统的谐振频率处，每个谐振频率对应于一个振动模式。
为了理解声学传感器振动系统的固有频率和振动模式，我们用一维杆模型进行研究。
一 一维杆振动一维杆模型是：不考虑杆的粗细，只考虑其长度。
设长度方向为x ，这样，杆振动时的位移和应变、应力等均是x 的函数，这些函数连续。
当杆中任何一点有扰动，其质点离开平衡位置时，便产生胡克力，在胡克力的作用下，质点开始运动，速度改变。
在杆的任意位置x ，取一个单元体，其长度为微分dx ，这样，杆中的位移分别为)(x u 、)(dx x u +，方向规定为x 的正方向。
由于位移连续，可以用泰勒展开，忽略高次项后得到单元体的形变为：dx xux u dx x u ∂∂=-+)()( （1-1） 定义单元体的形变ε为单位长度上的变形，则有xu∂∂=ε （1-2） 该形变产生的胡克力为：xuEE F ∂∂==ε （1-3） 其中E 为杨氏模量，应变方向与力的方向相反。
上述是单元体外部介质对单元体的作用力。
胡克力F 在x 轴也是连续的，这样，在单元体上力的变化量为：dx xFx F dx x F ∂∂=-+)()( （1-4） 将（1-3）式代人（1-4）式有：单元体上所受的力为：dx xuE dx xF 22∂∂=∂∂ （1-5） 该力作用到单元体上以后，导致单元体产生运动。
设一维杆的线密度为ρ，则单元体在胡克力作用下产生的加速度为dx tu22∂∂ρ。
其中t 是时间，由胡克力与牛顿力相等得到：dx xuE dx t u 2222∂∂=∂∂ρ 微分0≠dx ，同除以dx 消去微分dx ：2222x u E t u ∂∂=∂∂ρ （1-6） 这是一个波动方程，是在单元体上胡克力等于牛顿力的情况下得到的，描述一维杆中声波的传播。
即杆中的任意一点离开平衡位置以后，相邻的点与其有胡克力（弹性力）的作用，该作用通过位移、应变和力的连续来刻画。
声学检测技术三PPT课件
件下，凸面与平底孔之间的分贝数小于大平
底与平底孔之间的分贝数。
25
3.4规则反射体的回波声压
空心圆柱体与同声程平底孔的回波声压差
凹面反射时，声压比为：
p0FS R
pB 2x r 2x R
pf
p0FsFf D2f r
分贝数为：
2x2
B f 2l0 g p p B f 2l0 g 2 D x 2 f R r2l0 g 2 D x 2 f 1l0 g R r
.
10
3.3 聚焦声场
焦点的大小 运用几何声学的观点，声束会聚于一
个点-焦点。 实际焦点：有一定长度和宽度。 原因： 运用波动学观点，声波在焦点附近产
生干涉； 声波在声透镜中传播存在声程差。
.
11
3.3 聚焦声场 四.聚焦探头的应用 1功率超声
超声焊接和超声加工 2检测超声
水浸自动检测板棒类工件 粗晶材料的检测 裂纹的精确测定 3医学超声 诊断和治疗
.
12
第3章 辐射声场与规则体的回波声压
3.4规则反射体的回波声压 一、几个概念
反射法： 利用缺陷的反射回波判定缺陷的有 无及大小的方法。 一般的超声检测方法，可对缺陷进 行定位和定量。
.
13
3.4规则反射体的回波声压
当量法： 在同样的探测条件下，当自然缺陷
回波与某人工规则反射体回波相同 时，该规则反射体的尺寸就是自然缺 陷的当量尺寸。 当量缺陷与实际缺陷的比较
.
2
3.3 聚焦声场
聚焦探头的作用: ➢将超声能量聚焦到一定的强度，使物 体产生物理或化学上的质的变化-大功率 超声； ➢使声压振幅强制增加，改善特定区域 的分辨率。 聚焦方法：使探头发射的声波在介质传 播，形成球面形或圆柱面形的波阵面， 最后会聚到声轴线上的某一点上。
分布式光纤传感器ppt课件
1
k
ln a
ln
Ias Is
完整编辑ppt
h: 普朗克常数 c: 真空光速 v0: 入射光频率 k: 波尔兹曼常数 T: 绝对温度
18
ROTDR温度传感器结构
➢ 实际中可用滤波器滤出拉曼光的斯托克斯部分与 反斯托克斯部分，然后处理所得数据得到温度。 其基本结构如下：
图10 ROTDR温度传感结构
图13 B完O整T编D辑Rpp结t 构图
22
BOTDR的周界入侵报警系统
➢报警方式。 先测量没有入侵事件时整条光缆的应变分布情况， 将应变曲线作为参考值。在入侵报警探测时，每一 次扫频测量完毕，都将测得的应变曲线与参考应变 曲线相减，观察得到的应变差值曲线，若其中的应 变值超出了设定的警戒值，即触发报警。
完整编辑ppt
17
ROTDR传感原理
➢拉曼散射光中斯托克斯光的光强与温度无光，而
反斯托克斯光的光强会随温度变化。反斯托克斯光
光强Ias和斯托克斯光光强Is之比与温度的关系可表示
为：
I as
hc 0
a e kT
Is
a为与温度相关的系数。
➢于是通过实测斯托克斯-反斯托克斯光强之比可计
算出温度：
T hc0
完整编辑ppt
19
布里渊散射分布式传感器（BOTDR）
➢ 布里渊散射的频移分量由声波产生的移动光栅引 起，光栅以声速在光纤中传播，且声速与光纤温 度和应力有关，两个布里渊频移分量均携带光纤 局部温度与应力信息。
➢ 散射光的布里渊频移随温度和应力的变化见图1的 散射图谱。点击进入散射光谱图
完整编辑ppt
图14完整光编缆辑p的pt 固定
23
谢谢！
das分布式光纤声传感原理
das分布式光纤声传感原理
DAS技术原理是通过探测沿传感光纤各点的瑞利散射光的相位变化来得到所需检测的物理量（如声音、振动等）的变化。
入射光与光纤沿线某点的后向散射光产生干涉，该点上的声音或振动的变化会引起该干涉光相位的线性变化，因此在接收端对该点的干涉光相位进行解调就可以确定声音或振动的变化量。
由于光纤在空间中的连续分布，可以定量检测到空间上的任意一点发生的物理量的变化，从而实现分布式传感。
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DAS应用领域简介
石油与页岩气压裂声波振动过程监测
注：石油井下套管可能会泄露，同时井下有油水分层及其它地质结构变化，通过在油井 顺着套管一起，因井下常态下，极其安静，能实时监听井下任何位置的声波振动。
管道泄露监测及周边安防
注：无论石油或者天燃气管道，泄露的时候，不仅仅伴随温度变化还有振动变化，同时 可以管理管道周边的安全防护与预警。
纵坐标为管道位置(光纤沿管道分布);横坐标为各频率分量能量大小
振动能量较小
振动能量较大
1552米位置，在100PSI压力下 0.5mm泄露点的声波振动
1552米位置，在150PSI压力下 0.5mm泄露点的声波振动
输气站管道周界安防项目测试数据分析
单模光纤沿管道分布，两位工程人员分别携带一个固定频率噪声源，频率为2.5kHZ， 2.64kHZ，分别站在1545米和1560米管道位置上，同时施加固定频率噪声，如下图 所示，除有干扰位置的能量极高以外，其它位置非常稳定可靠。
光纤周边的声波振动数据，DAS系统对瑞利干涉光进行分 析，形成数据矩阵，提取声波振动频率、相位及幅度信息。
分布式光纤声波传感系统(DAS)基本原理
“光缆就是分布式拾音器串 ”
定位精度达到1米，每1米光纤即相当于一个麦克风
1m 光脉冲触发一个麦克风
M9991M9992 M9993M9994 M9995 M9996 M9997 M9998 M9999M10000
基于振动的周界安全监测和战场侦察
注：布置光纤于国境线，可预知对方在国境线周围的活动情况。在战场上，可以预知敌 人数量，监听敌方情报。
石油油井套管泄露项目数据分析
将光纤置于井下，同时在各个不同的位置点，模拟泄露点。如下图所示，427米，465 米，482米，518米，588米，660米，758米的位置出现泄露点。各泄露点泄漏时， 频率能量主要集中在60-80HZ
分布式声波传感系统DAS产品介绍
分布式声传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）技术：
利用相干瑞利散射光的相位而非光强来探测音频范围内的声 音或振动等信号, 不仅可以利用相位幅值大小来提供声音或振动 事件强度信息，还利用线性定量测量值来实现对声音或振动事件 相位和频率信息的获取。
DAS技术简介
最大可探测40kHZ声波信号 可探测任何位置光纤周边的实时声波信号（最高40kHZ） 耐高温高压等恶劣环境、且抗电磁干扰 尺寸小，组网能力强
DAS
脉冲内瑞利干涉光，可 灵敏的接收到光纤附近 的声波振动全频信号
用来计算声波频率
OTDR技术
Optical Time Domain Reflection
纵坐标为井下位置(光纤沿套管分布);横坐标为各频率分量能量大小
能量集中60-80HZ，并向外扩散
西气东输项目天燃气管道泄露项目测试数据分析
将光纤与管道呈线形分布，在1540左右15米位置，100psi压力的管道接头位置，气 体发生泄露，因为压力存在，管道部分整体振动，并发出“嘶嘶”声，频率能量主要集 中在50-200hZ，高频分量能量较低。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
用来定位振动位置
DAS基本性能指标
分布式光纤声波传感系统(DAS)性能指标
传感距离 空间采样分辨率 频率响应范围 噪声水平 实时数据量 响应时间快 光纤类型 测量通道 数据存储容量
0-50km 1m <40kHz 10-3rad/√Hz 100MB/秒 典型1秒 普通单模光纤 1，2，4通道（实时性受影响） 16TB固态硬；50km光纤=50,000个麦克风传感器
DAS系统示范演示
2km单模光纤
1米光纤圈A
1米光纤圈B
1米光纤圈C
音乐1：光辉岁月
音乐2：青藏高原
音乐3：再回首
将一卷2km光纤，在500米，1200米，1800米三个位置分别绕出1m光纤圈，放置于隔音箱中。同时播 放三种不同的音乐，在设备端，可同时在各自相应位置，解调出三首不同的音乐，并可通过音响或 者耳机完整清晰的播放出来，并准确定位不同音乐来自于光纤不同的位置，定位精度1m。
DAS可以认为是一个移动干涉式声波传感器在传感光纤探测 外界信号，当声音或振动引起该位置干涉光相位的线性变化，通 过提取该位置不同时刻的干涉信号并解调，就可实现外界物理量 的定量测量。
DAS测量原理
DAS 测量过程： 激光器沿着光纤发出光脉冲，一些光以反向散射的形式与入射光在脉冲内发 生干涉，干涉光反射回来以后，反向散射的干涉光回到信号处理装置，同时将光纤沿线振动声 波信号带来信号处理装置。由于光速保持不变，因此可得到每米光纤的声波振动的测量结果。
纵坐标为管道位置(光纤沿管道分布);横坐标为各频率分量能量大小
1540米位置,100PSI压力下,接头位置发生泄露，能量集中在低频，并向高频扩散
西气东输项目天燃气管道泄露项目测试数据分析
将光纤与管道呈线形分布，在(1512-1566)米位置，气体发生泄露，左图为100psi压 力下管道气体泄露声波振动图，右图为150psi气体泄露声波振动图。从图中可以看出， 压力越大，振动能量越高，泄露信号频率分布非常直观。
基于探测地震波的石油/矿藏勘探
注：通过声传感技术，可以分布式的监测到地震波，通过地震波的位置与地壳运动声波 来感知和预测石油分层或者其它矿藏情况。
高铁、舰船以及机场监测
注：高铁沿线布置的光纤，可探测高铁运行状态，通过分布式的声波传感，了解轨道及 列车运行状态；通过光缆围猎领土范围内的海岛及分布线或者航运线，可实时监测舰 船航道情况;机场监测，以实时检测机场飞机起落及机场周边安防。
纵坐标为管道位置(光纤沿管道分布);横坐标为各频率分量能量大小
1545米位置发出2.64khz固定频率噪声
1560米位置发出2.5khz固定频率噪声
国外石油项目使用DAS检测声波振动的数据分析 DAS在筛孔中听沙子移动的声音
国外轨道监测项目使用DAS检测声波振动数据分析
较重的货物列车 较轻的旅客列车