第9章 波式传感器 《传感器技术与应用》课件

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接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）
接插件 底部耐磨材料
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如
30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔
块与不同材料的被测介质（试件）接触时，
超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射
到试件中去，可产生多次反射，而传播到
较远处去。 2020/10/3
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各种微波探头
检测设备有限公司资料）
（以下参考常州市常超
常用频率范围：0.5~10MHz， 常见晶片直径：5~30mm
接触式直探头 （纵波垂直入射 到被检介质）
保护膜
外壳用金属制 作，保护膜用硬度 很高的耐磨材料制 作，防止压电晶片 磨损。
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接插件
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超声波探头中的压电陶瓷芯片
第9章 波式传感器
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引言
超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料 学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。 它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理 过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很 小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超 声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介 质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的 传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射 和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在 检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损 探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超 声成像等。
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2.双晶直探头
由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。 其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超 声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性 能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收 互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块， 它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延 迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接 近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的 结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高， 且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶 直探头简单。
1—超声源 2—轴线 3—指向角 4—等强度线
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指向角θ与超声源的直径D、以及波长λ
之间的关系为
sinθ= 1.22λ/D
设超声源的直径D=20mm，射入钢板的
超声波（纵波）频率为5MHz，则根据
式（可得θ=4o，可见该超声波的指向性
是十分尖锐的。
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3.超声波的反射和折射
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，叫做反射波，另一部分透射 过界面，在另一种介质内部继续传播， 则叫做折射波。这样的两种情况分别称 之为声波的反射和折射，
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波的反射和折射
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（1）反射定律
入射角 的正弦与反射角'的正弦之比等于波
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空气超声探头（续）
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空气超声探头外形
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空气超声探头外形（续）
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9.2.5 微波传感器的应用
1.微波湿度(水分)传感器
微波测湿技术的主要方法是单参量衰减 法及反射法。即在自由空间中，根据被 测材料吸收微波能量的大小与被测材料 含水量间的关系，利用电磁波穿透或反 射的测量方法，测得接收端微波的信号 的衰减量或相移，进而可得被测材料的 含水量。
各种接触式斜探头
常用频率范围：1~5MHz
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接触法双晶斜探头（续）
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4.聚焦探头
分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为 聚焦探头，是一种很有发展前途的新型 探头。
聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超 声波，也可以采用两种不同声速的塑料 来制作声透镜，还可利用类似光学反射 镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。 如果将双晶直探头的延迟块按上述方法 加工，也可具有聚焦功能。
超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声 波的扩散、散射和吸收，在理想介质中，声波 的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距 离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介 质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声 波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性 及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热 能。
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常用材料的密度、声阻抗与声速 （环境温度为0℃）
材料
钢 铝 铜 有机玻璃 甘油 水（20℃） 油 空气
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密度 ρ(103kg·m-
1)
声阻抗 Z（
103MPa·s 1）
纵波声速 cL（km/ s
）
横波声速 cs（km/s）
7.8
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5.9
3.23
2.7
17
6.32
3.08
8.9
在真空中波长/cm 76.9~19.3 19.3~5.77 5.77~2.75 2.75~0.834 0.834~0.652 0.652~0.536 0.536~0.300
微波以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性； 当波长和物体尺寸有相同数量级时，微波又有近于声学的特性。
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超声波探头结构示意
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—有机玻璃斜楔块 10—试件 11—耦合剂
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超声波的发射和接收虽然均是利用同一 块晶片，但时间上有先后之分，所以单 晶直探头是处于分时工作状态，必须用 电子开关来切换这两种不同的状态。
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
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。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz， 即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz 以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称 为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～ 8kHz。
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9.2.2 微波振荡器与微波天线
常见微波天线结构示意图
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9.2.3 微波传感器及其分类
类别
测量参数
Baidu Nhomakorabea
特点
空间波 微波在自由空间的反射、吸 结构简单 式 收、衍射等参数的变化
波导式 微波在波导中传输时的反射 灵敏度高， 、吸收特性以及介质变化等 体积小 对传导波的影响
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9.2.1 微波的性质与特点
1、微波频段的划分
波段 L S X K Q V W
频率范围/GHz 0.390~1.550 1.550~5.200 5.200~10.900 10.900~36.000 36.000~46.000 46.000~56.000
56.000~100.000
速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速
相等时，入射角 等于反射角'。
（2）折射定律
入射角 的正弦与折射角的正弦之比等于超 声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中 介质的波速c2之比，即
sin / sin = c1 / c2
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4.超声波的衰减
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加， 能量逐渐衰减，其衰减的程度与超声波的扩散、 散射及吸收等因素有关。
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5.箔式探头
利用压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）高 分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔 式探头，可以获得0.2mm直径的超细声 束，用在医用CT诊断仪器上可以获得很 高清晰度的图像。
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6.空气传导型探头
超声探头的发射换能器和接收换能器一 般是分开设置的，两者结构也略有不同，
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纵 波
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横波
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表面波
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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、介质的密度以及声阻 抗。
介质的声阻抗Z 等于介质的密度ρ和声速 c的乘积，即
Z=ρc
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(3)、微波的穿透力较强，不易受环境因素影 响，例如烟雾、灰尘、强光等；
(4)、介质对微波的吸收作用与介质的介电常 数有关，其中水对微波的吸收作用最强。
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9.2.2 微波振荡器与微波天线
微波的产生也来自于振荡器。组成振荡 器中振荡回路中的电子元器件主要有速 调管、磁控管、某些固态器件以及一些 量值很小的电感、电容等。
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9.2 微波传感器
微波传感器的基本原理是根据微波的传播特 性（反射、透射、散射、干涉等）以及被测 材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切)， 通过对微波基本参数的测量，实现对物理量 的感知。因此在学习微波传感器之前，先对 微波的相关知识作一个简单的介绍，以更好 地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理 量。
发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振 盘，以提高发射效率和方向性。接收器 在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器， 以滤除噪声，提高接收效率。空气传导 的超声发射器和接收器的有效工作范围 可达几米至几十米。
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空气传导型超声发生、接收器结 构示意图
1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶体片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
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9.2.5 微波传感器的应用
1.微波湿度(水分)传感器
1）测试方法1：穿透式微波测湿传感器
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用
逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振
动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利
用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电
荷和20电20/1压0/3。
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1.单晶直探头
用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。
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声波的波型
（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。
超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
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2.可闻声波
美妙的音乐可使人陶醉。
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3.超声波
蝙蝠
能发出和 听见超声 波。
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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
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超声波雾化器
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4.7
2.05
1.18
3.2
2.73
1.43
1.26
2.4
1.92
—
1.0
1.48
1.48
—
0.9
1.28
1.4
—
0.0013
0.0004
0.34
—
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（2）波长
超声波的波长λ与频率f乘积恒等于声速c，
即
λ f =c
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（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。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。
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9.2.1 微波的性质与特点
2、微波的传播特性
在电磁性能不同的两介质界面处，微波 的反射和折射定律本质上与可见光的反 射和折射相同。
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9.2.1 微波的性质与特点
3、介质的电磁特性
(1)、微波的频率较高，传播指向性强；
(2)、微波的波长短，因此遇到各种障碍物容 易被反射；
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各种双晶直探头
焦距范围：5~40mm, 频率范围： 2.5~5MHz，钢中折射角：45 ~70
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3.斜探头
压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如 30°、45°等）的有机玻璃斜楔块上， 压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收 块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介 质（试件）接触时，超声波产生一定角 度的折射，倾斜入射到试件中去，折射 角可通过计算求得。
谐振 谐振频率、品质因数随腔体 精度高 腔式 尺寸或腔中填充物的变化
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9.2.3 微波传感器及其分类
微波传感器的基本构成框图
微波源 MS
被测对象 T
接收器 R
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9.2.3 微波传感器及其分类
微波传感器的基本构成框图
微波源 MS
被测对象 T
接收器 R
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