传感器与检测技术第9章 波式和辐射式传感器
第9章 光电式传感器 《传感器与检测技术(第2版)》课件
在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象。如光电池
（1）光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流） 很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电 阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。
最受人们重视的是硅光电池。
具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效 率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。
它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能 电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统 中
硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围， 所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。
光敏晶体管
光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大， 以扩大光的照射面积。
NPN:大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压 而不接基极时，集电结就是反向偏压
当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极， 基区留下空穴，被正向偏置的发射结发出的自由电子填充，形成光电流Ib
同时空穴使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量发射区的电子流向集电 极，形成输出电流Ic ，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
光
c
e
NPN
b
(a)结构
b
c e
c（N） （P）b e（N）
E
RL
(b)符号
(c)基本电路
Ib
Ic
c
E
be
RL
(d)工作原理示意图
9-波式传感器
J J 0e
9.3 核辐射传感器
2.核辐射
放射性同位索在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线， 这种现象称为“核辐射”。放出的射线有 、 、 三种射线。 通常用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称为放射性 强度。
I I 0 e t
9.3 核辐射传感器
9.3.2 组成及防护
3.微波湿度传感器 水分子是极性分子，在常态下形成偶极子杂乱无章地分布 着。当有外电场作用时，偶极子将形成定向排列。在微
波场作用下，偶极子不断地从电场中获得能量 ( 这是一
个储能的过程 ) ，表现为微波信号的相移；又不断地释 放能量(这是一个放能的过程)，表现为微波的衰减。
9.4 微波传感器
4.微波无损检测
第9章 波式和射线式传感器
9.1 红外传感器 9.2 超声波传感器
9.3 核辐射传感器
9.4 微波传感器
9.1 红外传感器
9.1.1 物理基础 红外线也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线，故称为 红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波长范围大致在 0.75 ~ 1000m 红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效 应区。红外辐射本质上是一种热辐射，自然界中的任何物体，只要其本身 温度高于绝对零度，就会向外部空间不断地辐射红外线。
9.4 微波传感器
2.组成
微波发生器(或称微波振荡器)、微波天线及微波检测器。 (1)微波发生器 由于微波波长很短、频率很高 300 MHz ~ 300GHz ，微波需要用波导管传输。 (2)微波天线 用于将经振荡器产生的微波信号发射出去的装置。 (3)微波检测器 用于探测微波信号的装置。较低频率下的半导体PN结元件、较高频率下的隧 道结元件
辐射与波式传感器PPT学习课件
水都有热辐射，只是波长不同而已；
➢ 一个炽热的物体向外辐射能量，大部分是通过红外线 辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。
4
10.1 红外传感器
➢ 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光，其光谱位于可见 光中红色以外，所以称红外线，波长约 0.76～1000μm。
电自压发极去化除随后电，场大而多反数向电；介当电质场的移极去化后状，态保消留失的，部分但极铁化电量体即会剩保余持极化。 铁电体是某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化
方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具 有铁电性的晶体称为铁电体。
13
➢ 热释电材料 晶体、陶瓷、塑料等铁电体。
红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外 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。
红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测 器和光子探测器两大类。
9
工作原理：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。
光
热
电
12
铁电体
并非由外电场引起，而是由晶体内部结构引起的极化状态，称为自发极化。
在在外一定加温电度场范作围用内下、，单电位介晶胞质内中正的负带电电荷粒中子心（不电重合子，、形原成子偶核极等矩），将呈受现极到性电。 场这力种在的无作外用电，场正作电用荷下趋存向在的阴极极化、现负象电称荷为趋自向发阳极化极。，当结施果加电外介界质电的场一时，个自表 面发带极化正方电向，沿相电对场表方面向带趋负于一电致，；这当就外是电“场电倒极向化，而”且超过材料矫顽电场值时，
传感器与检测技术-周杏鹏-清华大学出版社 (9)教材
2.热力学温标
➢ 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的， 以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。
➢ 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之 一。
➢ 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把 理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与 水的三相点温度分为273.16份，每份为1 K (Kelvin) 。
4.国际实用温标
表9-1 ITS-90温标17固定点温度
9.1.2 测温方法分类及其特点
➢根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常 可分成接触式和非接触式两大类。
9.1.2 标定
1 标准值法
用适当的方法建立起一系列国际温标定义的 固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或 传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温 度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温 标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对 比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温 度计可作为标准温度计来测温度。
当 50 t 150 ℃时 Rt R0 1 At Bt2 Ct3
铜电阻和热敏电阻测温
➢ 热敏电阻的优点：
①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数 量级；
②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时 几乎无需考虑连线电阻的影响；
③体积小； ④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的 测量场合； ⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。
3.绝对气体温标
➢ 从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫 绝对气体温标。由波义耳定律：
PV RT
当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度 的单值函数。这样就有：
T2 P2
T1
P1
4.国际实用温标
CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第9章光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。
A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、光电式传感器是利用（）把光信号转换成电信号。
A. 被测量B. 光电效应C. 光电管D. 光电器件8、光敏电阻的特性是（）A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A．光电管 B.光敏电阻C．光电池 D.光电倍增管10、CCD以（）为信号A. 电压B.电流C．电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（）A. P型硅B.PN结C. 光电二极管D.MOS电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。
A.位移B.压力C.温度D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。
A.反射镜B.透镜C.光栅D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。
《传感器与检测技术(胡向东-第2版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
传感器与检测技术(第二版)参考答案参考答
传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。
0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。
（2）指示仪表 内阻大些好。
（3）RB:电桥平衡调零电阻。
2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。
3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。
属于变介电常数式。
3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。
参考电容式接近开关原理。
3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。
传感器与检测技术胡向东第版习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
传感器一般由哪几部分组成答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
改善传感器性能的技术途径有哪些答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
（1）端点线性度： 设拟合直线为：y=kx+b, 根据两个端点（0，0）和（，），则拟合直线斜率： ∴*+b= ∴b=0（2）最小二乘线性度： 设拟合直线方程为01y a a x =+， 误差方程01()i i i i i y y y a a x v ∧∧-=-+= 令10x a =，21x a =由已知输入输出数据，根据最小二乘法，有：直接测量值矩阵0.644.047.4710.9314.45L ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，系数矩阵10.0210.0410.0610.0810.10A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，被测量估计值矩阵01a X a ∧⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由最小二乘法：''A A X A L ∧=，有答：非线性误差公式：max 0.106100%100%0.64%16.50L FS L Y γ∆=±⨯=⨯= ② 迟滞误差公式：max100%H FSH Y γ∆=⨯， 又∵最大行程最大偏差max H ∆=，∴max 0.1100%100%0.6%16.50H FS H Y γ∆=⨯=⨯= ③ 重复性误差公式：max100%L FSR Y γ∆=±⨯， 又∵重复性最大偏差为max R ∆=，∴max 0.08100%100%0.48%16.50L FS R Y γ∆=±⨯=±⨯=± 用一阶传感器测量100Hz 的正弦信号，如果要求幅值误差限制在±5％以内，时间常数应取多少如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少 解：一阶传感器频率响应特性：1()()1H j j ωτω=+幅频特性：()A ω=由题意有()15%A ω-≤15%-≤又22200f Tπωππ=== 所以：0＜τ＜取τ=，ω=2πf=2π×50=100π幅值误差：()100% 1.32%A ω∆==-所以有%≤△A(ω)＜0相位误差：△φ(ω)=-arctan(ωτ)= 所以有≤△φ(ω)＜0某温度传感器为时间常数τ=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。
传感器与检测技术第九章
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。
教学重难点
教学重点： 超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。 教学难点： 超声波的物理性质。
2021年1月6日星期三
9.1 光纤传感器及其应用 光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁 干扰、频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、 质量轻以及耗能少等优点。
阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。
2021年1月6日星期三
梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴 线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区 的边沿时，降低到与包层区一样。
2021年1月6日星期三
单孔型光纤
单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传 输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中 传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。
2021年1月6日星期三
光纤水听器
2021年1月6日星期三
2）非功能型光纤传感器
2021年1月6日星期三
（b）非功能型
光纤传感器外形
2021年1月6日星期三
3）拾光型光纤传感器
2021年1月6日星期三
（c）拾光型
光纤温度传感器
2021年1月6日星期三
2.根据光受被测对象的调制形式进行分类
2021年1月6日星期三
蝙蝠依靠超声波捕食
2021年1月6日星期三
超声波与可闻声波不 同，它可以被聚焦，具有 能量集中的特点。
超声波加湿器
2021年1月6日星期三
超声波雾化器
压电陶瓷或磁 致伸缩材料在 高电压窄脉冲 作用下，可得 到较大功率的 超声波，可以 被聚焦，能用 于集成电路及 塑料的焊接。
第9章辐射与波式传感器
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
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
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。
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、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
根据其结构不同，超声波探头又分为直探头、斜探头、 双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、 空气传导探头以及其他专用探头等，如图9-6所示。
图9-6 超声波探头结构示意图 a）单晶直探头 b） 双晶直探头 c）斜探头 1—接插件 2—外壳 3—阻尼吸收块 4—引线 5—压电晶体 6—保护膜 7—隔离层 8—延迟块 9—有机玻璃斜锲块 10—试件 11—耦合剂
介质的密度以及声阻抗。这里，声阻抗是描述介质传播 声波特性的一个物理量。介质的声阻抗Z等于介质的密 度ρ和声速c的乘积，即
由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和 液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速为344 m/s，液体中的声速900m/s。在固体中，纵波、横波和 表面波三者的声速有一定的关系，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 %。
超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介 质的分界面上一部分能量被反射回原介质，称 为反射波，另一部分透射过界面，在另一种介 质内部继续传播，则称为折射波。这两种情况 分别称之为声波的反射和折射，如图9-3所示。
（1）反射定律 入射角α的正弦与反射角α＇的正弦之比等于波速之
比。当入射波和反射波的波形相同、波速相等时， 入射角α等于反射角α＇。 （2）折射定律 入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于超声波在 入c2之射比波，所即处介质的波速c1与在折射波中介质的波速
9.1.3超声波探头
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称 超声换能器或超声波探头。按作用原理不同， 超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式 等方式。在检测技术中主要采用压电式。超声 波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这 种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压 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，以产生超声波， 可作为发射探头。而利用压电效应则将接收的 超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。
1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波。 2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波。 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。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气
体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量 各种状态下的物理量，多采用纵波。
2.声速、波长与指向性 （1）声速 纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、
不同的铁磁物质其情况不相同。镍的磁致伸缩 效应最大，它在一切磁场中都是缩短的。如果 先加一定的直流磁场，再加以交流电时，它可 工作在特性最好的区域。 磁致伸缩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，从而产生超声波。 磁致伸缩超声波发生器是用厚度为0.1~0.4mm 的镍片叠制而成。片间绝缘以减少涡流损耗。
能听见声音的频率为20Hz~20 kHz ，即为声波，超出此 频率范围的声音，20 Hz以下的声音称为次声波，20 kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为 100Hz~8kHz。
Hale Waihona Puke 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，在介质界面上会产生反 射、折射和波形转换等现象。声源在介质中施力方 向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形 也不同。一般有以下几种：
1．压电式超声波发生器 压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩效应制成的。
常用的压电元件为石英晶体、压电陶瓷等。在压电元件上施加 交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波。如图9-4所 示。
2.磁致伸缩超声波发生器 铁磁性物质在交变的磁场中，顺着磁场方向产
生伸缩的现象，叫做磁致伸缩效应。 磁致伸缩效应的大小，即伸长缩短的程度，
（3） 超声波的衰减 超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，气体吸收最强而 衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小，因此对 于给定强度的声波，在气体中的传播距离会明显比在液体 和固体中传播的距离短。
9.1.2 超声波的发生与接收
超声波是由超声波发生器产生的，其结构分为两部分：一部分 为产生高频电流或电压的电源；另一部分为换能器，它的作用 是将电磁振荡变换为机械振荡而产生超声波。
3.超声波的接收 在超声波技术中，除需要能产生一定频率及强度的超声
波发生器以外，还需要能接收超声波的接收器。一般的 超声波接收器是利用超声波发生器的逆效应而进行工作 的。 当超声波作用于压电晶片时，晶片产生正压电效应而产 生交变电荷，经电压放大器或电荷放大器放大，最后记 录或显示结果：其结构和超声波发生器基本相同，有时 就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。 磁致伸缩超声波接收器是利用磁致伸缩的逆效应而制成 的。当超声波作用于磁致伸缩材料时，使材料伸缩，引 起它的内部磁场（即导磁特性）的变化。根据电磁感应 原理，磁致伸缩材料上所绕线圈产生感应电动势，将此 电动势送至测量电路并记录显示，可得测量结果。它的 结构也与发生器差不多。
第 9 章 波式和辐射式传感器
9.1 超声波传感器
超声波传感器是将声信号转换成电信号的声电转换装置， 又称为超声波换能器或超声波探头，它是利用超声波产 生、传播及接收的物理特性工作的。超声波传感器在医 疗中的应用已经家喻户晓，此外，还广泛应用于超声清 洗、超声加工、超声检测等多个方面。
9.1.1 超声波的物理基础 1.超声波的概念和波形 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人
（2）波长 超声波的波长λ与频率ƒ乘积恒等于声速c，即
（3）指向性 超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐
向外扩散，如图9-2所示。在声束横截面的中 心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增 大而减小。指向角θ与超声源的直径D以及波长 λ之间的关系为
3.超声波的反射和折射
1.单晶直探头 用于固体介质的单晶直探头（俗称直探头）的结构