传感器技术及应用第11章 新型传感器图文模板

在到达试件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片
第
所接收。
11
章
新 型 传
1 ct
2
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
图11-17 超声波测厚原理
传
1—双晶直探头；2—引线电缆；3—入射波；
感
4—反射波；5—试件；6—测厚显示器设定键
11 章 （a）
（b）
新
图11-8 光纤位移传感器的其他形式 （a）利用挡光原理测位移；（b）利用改变斜切面间隙大小测位移
型
1—光纤1；2—挡板；3—光纤2；4—光敏元件；5—缝隙；
传
6—光源；7—可动光纤；8—斜切间隙；9—固定光纤
感
器
传
感 器
11.2 超声波传感器
技
术 11.2.1 超声波传感器的工作原理与结构
波在液体中的衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅
第
度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安
11
装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图11-16
章
（b）所示。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气 中的衰减比较厉害。
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
传
图11-16 几种超声波物位传感器的结构原理示意图
及
所示是利用改变斜切面间隙大小的原理测位移。这两种
应
方法更为简单，但可测范围及线性不如反射法。
用 • 光纤位移传感器测量范围为0.05mm～0.12mm，分辨率为
0.01mm。光纤微位移传感器可测量位移为0.08nm，动态
第
范围为110dB。
11
章
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
器
传
感
器
技
术 11.2.2 超声波传感器的应用
及 1．超声波探伤
应 1）直探头探伤
用 • 如工件中有缺陷，一部分声脉冲在缺陷处产生反射，另
一小部分继续传播到工件底面产生反射，在荧光屏上除
出现始脉冲T和底脉冲B外，还出现缺陷脉冲F，如图11-
第
14所示。
11 • 荧光屏上的水平亮线为扫描线，通过判断缺陷脉冲在荧
传
1—裸光纤；2—机械变形器
感
器
传
感
器
技
术
及
2）相位调制
应 • 利用外界因素对于光纤中光波相位的影响来探测各种物
用
理量，称为相位调制。
• 只要利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可
第
以测定温度。由于应变或压力也会改变光纤的传输特性，
11
使光信号相位变化，因此也可以检测应变和压力。
章
新 型 传 感 器
感
（a）换能器设置于液面下；（b换能器设置于液面上
器
传 感 器 技
术 单换能器: 及
应
用
t 2h
c
第
11 章 双换能器 :
新
ct
型
s
传
2
感
器
h ct 2
h s2 a2
传
感
器
技
术 及 应 用
3．超声波测厚度 • 图11-17所示为便携式超声测厚仪示意图，它可用于测量
钢及其他金属、有机玻璃、硬塑料等材料的厚度。 • 双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲进入被测试件，
感 1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光纤敏感元件
器
传
感
器
技
术
2．光纤传感器的调制原理
及
1）光强调制
应 • 利用被测量直接或间接改变光纤中光的强度，再通过光 用 强的变化来测量外界物理量，称为光强调制。
• 例如，微弯光纤传感器可构成声传感器或应变传感器。
第 在这类传感器中，传感元件由可使光纤发生微弯曲变形
传 感 器 技 术 及 应 用
第 11 章
新 型 传 感 器
传
感 器
本章内容
技
术
及
11.1 光纤传感器
应
用 11.2 超声波传感器
第
11
11.3 红外传感器
章
11.4 核辐射传感器 新
型
传
感
器
传
感 器
学习目标
技
术 及 • 了解光纤的结构、光纤传感器的调制原理和应用。
应 • 了解超声波的基础知识、超声传感器的结构和技术参
新
化。
型
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
传 感 器
（a）
（b）
图11-7 反射式光纤位移传感器
（a）原理图；（b）接收相对光强与距离的关系特性曲线
1—光源；2—发射光纤；3—被测物；4—接收光纤；5—光敏元件
传
感
器
技
术 • 图11-8（a）所示是利用挡光原理测位移，图11-8（b）
及
应 1．超声波传感器的工作原理
用 • 超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应分为正
压电效应和逆压电效应。超声波传感器是可逆元件，超
第
声波发送器就是利用逆压电效应的原理。图11-10所示为 采用双压电晶片超声波传感器示意图。若在发送器的双
11
压电晶片（谐振频率为40KHZ）上所施加频率为40KHZ的
图11-15 斜探头探伤示意图
新
（a）横波在试件中的传播 （b）缺陷回波
型 1—试件；2—斜探头；3—斜楔块；4—斜向缺陷（焊渣或气孔）；
传
5—V形焊缝中的焊料
感
器
传
感
器
技
术 及 应 用
2．超声波测物位
• 图11-16所示给出了几种超声物位传感器的结构示意图。 超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声 波在液体介质中传播，如图11-16（a）所示。由于超声
11 器件组成，例如一对锯齿板，如图11-5（a）所示。相邻
章
齿之间的距离决定着变形器的空间频率。当锯齿板受到 压力作用时，产生位移，使得夹在其中的光纤微弯曲，
从而引起光强调制。 新
型
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
（a）
（b）
新
图11-5 微弯光纤传感器
型 （a）微弯光纤传感器原理图；（b）光纤微弯曲对传播光的影响
感器也可兼有发射和接收功能。超声波探头按其结构可
分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头
第
按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。
11
在实际应用中，以压电式探头最为常见。
章
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
（a）
（b）
型
图11-11 超声波传感器的典型外形和表示符号
射角 i小于临界入射角 c时，光线就不会投射出界面， 而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反 射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另
传
一端射出，这就是光纤的传光原理。
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11
章
图11-1 光纤传感器的结构
新
1—纤芯；2—包层；3—保护层
型
传
感
器
图11-2 光纤的
用
数、掌握超声传感器的典型应用。
• 掌握红外辐射的特点和红外探测的机理、红外传感器
第
的应用。
11 • 了解核辐射的基础知识、核辐射传感器的原理及应用。 章
新 型 传 感 器
传
感 器
11.1 光纤传感器
技 术
11.1.1 光纤结构
及 应 用
光纤，是一种多层介质结构的对称圆柱体， 是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，包括纤芯、包 层和涂敷层，它的外形与结构如图11-l所示。
传
感
器
技
术
11.1.2 光纤传感器的类型与原理
及
应
1．类型
用 （1）传光型光纤传感器
第
• 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对 外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元
11
件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，
章
中断的部分要接上其他介质的敏感元件来完成。如图11-
3所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元
及 应 用
• 斜探头探伤示意图如图11-15所示。在直探头探伤时，当 超声波束中心线与缺陷截面垂直时，探测灵敏度最高。
但如遇到图11-15所示方向的缺陷时，就不能真实反映缺
陷的大小，甚至有可能漏检。这时若用斜探头探测，可
第
提高探伤效率。
11
章
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
器
9—有机玻璃斜楔块；10—耦合剂；11—试件
传
感 器
2）以空气为传导介质的超声探头
技
术
及
应
用
第
11 章
（a）
（b）
新
图11-13 空气传导型超声发生、接收器结构
型
（a）超声发射器 （b）超声接收器
传 感
1—外壳；2—金属丝网罩；3—锥形共振盘；4—压电晶片； 5—引脚；6—阻抗匹配器；7—超声波束
• 光源经一束多股光缆把光传送到传感器端部，并发射到被
第
测物体上；另一束多股光缆把被测物反射出来的光接受并
11 章
传递到光敏元件上，这两股光缆在接近目标之前汇合成Y 形，汇合是将两束光缆里的光纤分散混合而成的。由于传 感器端部与被测物体间距离d的变化，因此反射到接收光
纤的光通量不同，可以反映传感器与被测物体间距离的变
11
的环境中安全工作。
章 • （3）频带宽、动态范围大、对被测对象不产生影响，可
进行非接触式、远距离测量，有利于提高测量精确度。
新 型 传 感 器
传
感
器
技 术
11.1.3 光纤传感器应用
及 应 用
1．光纤传感器对位移的测量 • 利用反射式光纤位移传感器测微小位移的原理图如图11-8
所示。它利用光纤传送和接收光束，可以实现无接触测量。
传
感
器
技
术 及 应
• 3）波长调制 • 利用外界因素改变光纤中光的波长，通过检测波长的变
化来测量各种物理量，称为波长调制。波长调制技术比
用
光强调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂，通
常要使用分光仪。但是，采用光学滤波或双波长检测技
第
术后，可使解调技术简化。波长调制技术的优点在于它 对引起光纤或连接器损耗增加的某些器件的稳定性不敏
新
件。光纤在传感器中仅起传光作用。
型
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
图11-3 传光型光纤传感器组成示意图
传 1—被测对象；2—光源；3—光探测器；4—光纤；5—光敏感元件
感
器
传
感
器
技
术
及 应
•
（2）传感型光纤传感器
用 • 传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测
功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，在这类传感
11
感，该方法广泛用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光
章
现象分析、黑体辐射分析，以及用在光学滤波器上。
新 型 传 感 器
传
感
器
技
术
及 • 4）频率调制
应 用
• 利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来 测量外界物理量，称为频率调制。常采用传光型光纤传
感器，即光纤只起传光作用。光频率调制是基于被测物
术 • （1）传光性能、电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可在 及 强电磁干扰下完成传统传感器不能完成的某些参量的测
应 量，特别是电流、电压测量，损耗小于0.2dB/km。
用 • （2）质量轻、体积小、可挠性好，光波传输无电能和电
火花，在恶劣环境下，不会引起被测介质的燃烧、爆炸，
第 光纤耐高压、耐腐蚀，因而能在易燃、易爆和强腐蚀性
传
（a）典型外形
（b）表示符号
感
1—金属网；2—外壳；3—标签
器
传 感 1）以固体为传导介质的超声探头 器 技 术 及 应 用
第
11 章
）
（b）
新
图11-12 超声波探头结构示意图
型
（a）单晶直探头 （b）双晶直探头 （c）斜探头
传
1—接插件；2—外壳；3—阻尼吸收块；4—引线；
感
5—压电晶体；6—保护膜；7—隔离层；8—延迟块；
第
器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界 因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相
11 章
位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能。因此，传 感器中的光纤是连续的，如图11-4所示。
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
传
图11-4 传感型光纤传感器组成示意图
在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着
光纤的传输基于光的全内反射。设有一段圆柱形的光纤，
第
如图11-2所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线
11
射入一个端面并与圆柱的轴线成 i角时，在端面发生
章
折射进入光纤后，又以 i角入射至纤芯与包层的界面，
光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入
新 型
第
体的入射光频率与其反射光的多普勒效应，当光源发射
11
出的频率为f1的光波照射到运动物体上，从该运动体反
章
射的光波频率发生变化为f2，相对于原频率发生变化。
新 型 传 感 器
传
感
器
技
术 及 应
f2
f1
1 (v /
c)
f1(1 v
/
c)
用
第
11 章
新
型
传ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图11-6 多普勒效应示意图
感
器
传
感
器
技
3．光纤传感器的特点
章
高频电压，压电陶瓷片1、2就根据所加的高频电压极性
伸长与缩短，于是发射频率为40KHZ的超声波。
新 型 传 感 器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11 章
新
型
传
图11-10 双压电晶片超声波传感器示意图
感
1、2—压电陶瓷片
器
传
感
器
技
术 2．超声波传感器的基本结构
及 应 用
• 超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波探 头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传
章
光屏上的位置可确定缺陷在工件中的深度。
• 通过缺陷脉冲幅度的高低差别可以判断缺陷的大小。通
新
过移动探头还可确定缺陷大致长度和走向。
型
传
感
器
传 感 器 技 术 及 应 用
第
11
（a）
章
（b） 图11-14 直探头探伤示意图
（a）有缺陷超声波的反射
（b）有缺陷时显示波形
新
型
传
感
器
传
感
器
技
术 • 2）斜探头探伤