第9章辐射与波式传感器
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第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
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 P0ex Ix I0e2x
式中: Px 、I x —— 声波在距声源x处的声压和声强；
第9章辐射与波式传感器
压电式超声波传感器结构图
第9章辐射与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
超声波测物位
(a)
(b)
(c)
(d)
几种超声波检测物位工作原理 第9章辐射与波式传感器
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
超声波测流体流量工作原理
第9章辐射与波式传感器
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。
分类：分为反射式和遮断式两类。
第9章辐射与波式传感器
1. 反射式微波传感器 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。
第9章辐射与波式传感器
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。
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。
▪ 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。
第9章辐射与波式传感器
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。
x P0 、I 0 —— 声波在声源处的声压和声强； —— 声波与声源间的距离； —— 衰减第系9章数辐射。与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
一次脉冲反射法
一次脉冲反射法探伤原理
第9章辐射与波式传感器
第9章辐射与波式传感器
声波的频率界限图
第9章辐射与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
9.1.2超声波的传播速度
纵波、横波及表面波的传播速度，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％。
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
第9章辐射与波式传感器
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
多次脉冲反射法
多次脉冲反射法ຫໍສະໝຸດ Baidu伤原理
第9章辐射与波式传感器
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。
▪ 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
第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
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 P0ex Ix I0e2x
式中: Px 、I x —— 声波在距声源x处的声压和声强；
第9章辐射与波式传感器
压电式超声波传感器结构图
第9章辐射与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
超声波测物位
(a)
(b)
(c)
(d)
几种超声波检测物位工作原理 第9章辐射与波式传感器
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
超声波测流体流量工作原理
第9章辐射与波式传感器
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。
分类：分为反射式和遮断式两类。
第9章辐射与波式传感器
1. 反射式微波传感器 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。
第9章辐射与波式传感器
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。
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。
▪ 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。
第9章辐射与波式传感器
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。
x P0 、I 0 —— 声波在声源处的声压和声强； —— 声波与声源间的距离； —— 衰减第系9章数辐射。与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
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
第9章辐射与波式传感器
一次脉冲反射法
一次脉冲反射法探伤原理
第9章辐射与波式传感器
第9章辐射与波式传感器
声波的频率界限图
第9章辐射与波式传感器
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。
第9章辐射与波式传感器
9.1.2超声波的传播速度
纵波、横波及表面波的传播速度，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％。
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
第9章辐射与波式传感器
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
多次脉冲反射法
多次脉冲反射法ຫໍສະໝຸດ Baidu伤原理
第9章辐射与波式传感器
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。
▪ 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
第9章辐射与波式传感器