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第11章波式、射线式和红外传感器第1页，共169页，编辑于2022年，星期一第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.2 微波式传感器微波式传感器11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器11.4 红外传感器红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例第2页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器 人人耳耳能能听听到到的的声声波波频频率率在在20 20 HzHz20 20 kHzkHz之之之之间间间间。超超超超过过过过20 kHz的的称称为为超超超超声声声声波波波波，低低于于20 Hz的的称称为为次次次次声声声声波波波波。常用的超声波频率为几十。常用的超声波频率为几十。常用的超声波频率为几十。常用的超声波频率为几十kHzkHz到几十到几十到几十到几十MHzMHz。第3页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器 超超超超声声声声波波波波传传传传感感感感器器器器是是是是利利利利用用用用超超超超声声声声波波波波的的的的特特特特性性性性研研研研制制制制而而而而成成成成的的的的传传传传感感感感器器器器。超超超超声声声声波波波波具具具具有有有有频频频频率率率率高高高高、波波波波长长长长短短短短，特特特特别别别别是是是是方方方方向向向向性性性性好好好好、能能能能够够够够成成成成为为为为射射射射线线线线而而而而定定定定向向向向传传传传播播播播等等等等特特特特点点点点。超超超超声声声声波波波波对对对对液液液液体体体体、固固固固体体体体的的的的穿穿穿穿透透透透本本本本领领领领很很很很大大大大，尤尤尤尤其其其其是是是是对对对对不不不不透透透透光光光光的的的的固固固固体体体体，可可可可穿穿穿穿透透透透几几几几十十十十米米米米的的的的深深深深度度度度。超超超超声声声声波波波波碰碰碰碰到到到到杂杂杂杂质质质质或或或或分分分分界界界界面面面面会会会会产产产产生生生生反反反反射射射射、折折折折射射射射和和和和波波波波型型型型转转转转换换换换等等等等现现现现象象象象。因因因因此此此此超超超超声声声声波波波波检检检检测测测测广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用在在在在工业、国防、生物医学等方面。工业、国防、生物医学等方面。工业、国防、生物医学等方面。工业、国防、生物医学等方面。第4页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器一些超声波传感器如图所示。一些超声波传感器如图所示。一些超声波传感器如图所示。一些超声波传感器如图所示。第5页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器CUSS 陶瓷超声波传感器如图所示。陶瓷超声波传感器如图所示。陶瓷超声波传感器如图所示。陶瓷超声波传感器如图所示。第6页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用第7页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 1.波型及其转换波型及其转换 (1)波波型型 由由于于声声源源在在介介质质中中施施力力方方向向与与波波在在介介质质中中传传播播方方向向的的不不同同，超超声声波波的的波波型型也也不不同同，通通常有三种形式常有三种形式 纵纵纵纵波波波波。质质点点振振动动方方向向与与传传播播方方向向一一致致的的波波为为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。纵波。它能在固体、液体或气体中传播。横横波波。质质质质点点点点振振振振动动动动方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直于于于于传传传传播播播播方方方方向向向向的的的的波波波波称称称称为为为为横波，它只能在固体中传播。横波，它只能在固体中传播。横波，它只能在固体中传播。横波，它只能在固体中传播。第8页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 表表表表面面面面波波波波。质质质质点点点点振振振振动动动动介介介介于于于于纵纵纵纵波波波波和和和和横横横横波波波波之之之之间间间间，介介介介质质质质表表表表面面面面受受受受扰扰扰扰动动动动的的的的质质质质点点点点振振振振动动动动轨轨轨轨迹迹迹迹为为为为一一一一椭椭椭椭圆圆圆圆，如如图图所所示示。沿沿沿沿着着着着固固固固体体体体表表表表面面面面传传传传播播播播，振振振振幅幅幅幅随随随随深深深深度度度度增增增增加加加加而而而而迅迅迅迅速速速速衰衰衰衰减减减减，实实实实际际际际上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失。工业应用中主要采用纵波工业应用中主要采用纵波工业应用中主要采用纵波工业应用中主要采用纵波。第9页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (2)波波波波型型型型转转转转换换换换 当当纵纵波波以以某某一一角角度度入入射射到到第第二二介介质质(固固固固体体体体)的的的的界界界界面面面面上上上上时时时时，除除除除了了了了有有有有纵纵纵纵波波波波的的的的反反反反射射射射、折折折折射射射射以以以以外外外外，还还还还发发发发生生生生横横横横波波波波的的的的反反反反射射射射和和和和折折折折射射射射；在在在在某某某某种种种种情情情情况况况况下下下下，还还还还能能能能产产产产生生生生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。表面波。各种波型都符合反射及折射定律。表面波。各种波型都符合反射及折射定律。表面波。各种波型都符合反射及折射定律。第10页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 2 2.传播速度传播速度传播速度传播速度 超超超超声声声声波波波波的的的的传传传传播播播播速速速速度度度度与与与与介介介介质质质质的的的的密密密密度度度度和和和和弹弹弹弹性性性性特特特特性性性性有有有有关关关关。气气气气体体体体中中中中声声声声速速速速约约344 344 mm/s、液液液液体体体体中中中中为为为为9009001900 1900 mm/s s；在在在在固固固固体体体体中中中中纵纵纵纵波波波波、横横横横波波波波、表表表表面面面面波波波波三三三三者者者者的的的的声声声声速速速速有有有有一一一一定定定定的的的的关关关关系系系系，通通通通常常常常横横横横波波波波声声声声速速速速约约约约为为为为纵纵纵纵波波波波的的的的一一一一半半半半，表表表表面面面面波波波波声声声声速速速速约约约约为为为为横横横横波波波波的的的的90%。在钢材中的纵波声速约。在钢材中的纵波声速约。在钢材中的纵波声速约。在钢材中的纵波声速约5000 m/s s。第11页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 3 3.反射及折射反射及折射 超超超超声声声声波波波波在在在在两两两两种种种种介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时，在在在在它它它它们们们们的的的的交交交交界界界界面面面面上上上上，一一一一部部部部分分分分能能能能量量量量反反反反射射射射回回回回原原原原介介介介质质质质，称称称称为为为为反反反反射射射射波波波波；另另一一部部分分能能量量透透射射界界面面，在在另另一一介介质质内内继继续传播，称为续传播，称为折射波折射波折射波折射波。第12页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 对对于于反反射射波波，当当入入射射波波和和反反射射波波的的波波型型相相同同、波波速速相相等等时时，反反射射角角a a 等于入射角等于入射角等于入射角等于入射角a a a a。第13页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 对对对对于于于于折折折折射射射射波波波波，入入入入射射射射角角角角a a a a、折折射射角角b b、入入射射波波在在介介质质1 1中中的的速速度度c1及及及及折折折折射射射射波波波波在在在在介介介介质质质质2中的速度中的速度c2之间的关系为之间的关系为之间的关系为之间的关系为亦即亦即亦即亦即第14页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 考考虑虑到到可可能能有有波波型型转转换换，如如图图所所示示，可可写写成成统统一的公式如下一的公式如下第15页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 当当当当超超超超声声声声波波波波垂垂垂垂直直直直于于于于入入入入射射射射界界界界面面面面，即即即即a a a ab b0 0时时，声声声声波波波波的的的的反射系数反射系数反射系数反射系数R和透射系数和透射系数和透射系数和透射系数T T分别如下分别如下分别如下分别如下式式中中，I0,Ir,It分分别别为为入入射射波波、反反射射波波、透透射射波波的的声声强强；r r1c1、r r2c2分别为两介质的分别为两介质的声阻抗声阻抗，r r为密度，为密度，c为速度。为速度。第16页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 由上面两式可知由上面两式可知由上面两式可知由上面两式可知 若若r r2c c2 r r r r1 1c1 1，则则则则R0，T1，此此此此时时时时声声声声波波波波几几几几乎乎乎乎没没没没有有有有反射，全部从第一介质透射入第二介质；反射，全部从第一介质透射入第二介质；反射，全部从第一介质透射入第二介质；反射，全部从第一介质透射入第二介质；若若r r r r2c2 2r r r r1 1c c1,R R1，则则声声波波在在界界面面上上几几乎乎全全反反射射，透射极少。透射极少。当当r r r r1c1 1r r r r2 2c c2 2时，也有时，也有时，也有时，也有R R1。第17页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 例例如如，20 20 时时时时 水水水水 的的的的 声声声声 阻阻阻阻 抗抗抗抗 为为为为r r r r1c c1 11.48101.48106 kg/(/(mm2 2s)，空空空空 气气气气 的的的的 声声声声 阻阻阻阻 抗抗抗抗 为为为为r r r r2 2c2 20.000 0.000 42910429106 6 kg/(/(/(/(mm2 2s)，r r1 1c c1r r r r2 2c2 2，故故故故超超超超声声声声波波波波从从从从水水水水中中中中传传传传播播播播至至至至水水水水气气气气界界界界面时，将发生全反射。反之亦然。面时，将发生全反射。反之亦然。面时，将发生全反射。反之亦然。面时，将发生全反射。反之亦然。第18页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 4.超声波的衰减超声波的衰减 超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，能能量量逐逐渐渐衰衰减减，距距离离声声源源x处处处处的的的的声声声声压压压压p p和和和和声声声声强强强强 I 的的的的衰衰衰衰减减减减规律为规律为规律为规律为式中，式中，式中，式中，A A为衰减系数。为衰减系数。为衰减系数。为衰减系数。第19页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 衰衰减减系系数数A与与介介质质密密度度及及波波的的频频率率有有很很大大关关系系。气气体体密密密密度度度度小小小小，则则则则衰衰衰衰减减减减快快快快，尤尤尤尤其其其其在在在在频频率率高高时时衰衰减减更更快快。因因此此在在空空气气中中采采用用的的超超声声波波频频率率较较低低(几几十十kHz)，而在固体或液体中较高。，而在固体或液体中较高。，而在固体或液体中较高。，而在固体或液体中较高。第20页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 声声声声波波波波在在在在介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时，能能能能量量量量的的的的衰衰衰衰减减减减决决决决定定定定于于于于声声声声波波波波的的的的扩散、散射和吸收扩散、散射和吸收。(1 1)扩扩散散衰衰减减 是是指指声声波波在在介介质质中中传传播播时时，其其波波前前逐逐渐渐扩扩展展，从从而而导导致致声声波波能能量量逐逐渐渐减减弱弱的的现现象象。它和波阵面的几何形状有关。它和波阵面的几何形状有关。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。第21页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (2 2)散散散散射射射射衰衰衰衰减减减减 超超声声波波在在介介质质中中传传播播遇遇到到尺尺寸寸与与其其波波长长可可相相比比或或更更小小的的障障碍碍物物时时会会产产生生散散射射衰衰减减。产产生生散散射射衰衰减减的的原原因因很很多多，可可分分为为两两种种情情况况，一一种种是是材材料料本本身身的的不不均均匀匀，如如如如两两两两种种种种材材材材料料料料的的的的交交交交界界界界面面面面、杂杂杂杂质质质质和和和和气气气气孔孔孔孔、晶晶晶晶体体体体材材材材料料料料的的的的各各各各向向向向异异异异性性性性等等等等；另另另另一一一一种种种种是是是是晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸可可可可与与与与超超超超声声声声波波波波波波波波长长长长相相相相比比比比的的的的粗粗粗粗晶晶晶晶粒粒粒粒材材材材料料料料，斜斜入入射射的的超超声声波波在在晶晶界界的的散散乱乱反反射射使使得得声声能能变变为为热热能能而而损损耗耗。在在在在金金金金属属属属中中中中这这这这往往往往往往往往是超声波衰减的主要原因是超声波衰减的主要原因是超声波衰减的主要原因是超声波衰减的主要原因。第22页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (3 3)吸吸收收衰衰减减 超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，由由于于介介质质本本身身的的粘粘滞滞性性和和热热传传导导所所引引起起的的声声能能损损耗耗称称为为吸收衰减。吸收衰减。第23页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 5 5.声阻抗声阻抗声阻抗声阻抗 介介质质有有一一定定的的声声阻阻抗抗，声声声声阻阻阻阻抗抗抗抗等等等等于于于于介介介介质质质质密密密密度度度度与与与与超声波速的乘积超声波速的乘积超声波速的乘积超声波速的乘积。第24页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 6.声压声压 当当当当超超超超声声声声波波波波在在在在弹弹弹弹性性性性介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时，介介介介质质质质质质质质点点点点除除除除了了了了承承承承受受受受未未未未遭遭遭遭扰扰扰扰动动动动时时时时的的的的静静静静压压压压强强强强p p0之之外外，还还有有随随时时间间交交替替变变化化的的附附附附加加加加压压压压强强强强p p，称称称称后后后后者者者者为为为为声声声声压压压压。声声压压p pf(x,y,z z,t)，是是是是时时时时间和空间的函数。间和空间的函数。间和空间的函数。间和空间的函数。第25页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用第26页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 以以超超声声波波作作为为检检测测手手段段，必必须须产产生生超超声声波波和和接接收收超超声声波波。完完成成这这种种功功能能的的装装置置就就是是超超声声波波传传感感器器，习惯上称为习惯上称为超声换能器超声换能器，或者，或者超声探头超声探头。按按超超声声波波探探头头的的结结构构，可可分分为为直直探探头头，斜斜探探头头，双双探探头头和和液液浸浸探探头头等等等等。按按按按其其其其工工工工作作作作原原原原理理理理又又又又可可可可分分分分为为为为压压压压电电电电式式式式、磁磁磁磁致致致致伸伸伸伸缩缩缩缩式式式式、电电电电磁磁磁磁式式式式等等等等。实实实实际际际际使使使使用用用用中中中中压压压压电电电电式式式式探探探探头头头头最最最最为为为为常常常常见。见。见。见。第27页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (1 1)压压电电式式超超声声波波探探头头 图图示示为为压压电电式式超超声声波波探探头头结结构构，主主要要由由压压电电晶晶体体，吸吸收收块块(阻阻阻阻尼尼尼尼块块块块)、保保护护膜膜等组成。等组成。第28页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (2)磁磁磁磁致致致致伸伸伸伸缩缩缩缩型型型型超超超超声声声声波波波波换换换换能能能能器器器器 其其其其工工工工作作作作原原原原理理理理是是是是基基基基于于于于对对对对磁磁磁磁性性性性材材材材料料料料加加加加上上上上磁磁磁磁场场场场后后后后，就就就就在在在在磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向产产产产生生生生应应应应变变变变的的的的磁磁致致伸伸缩缩效效应应和和和和加加加加上上上上应应应应力力力力后后后后就就就就发发发发生生生生磁磁磁磁化化化化的的的的逆逆磁致伸缩效应磁致伸缩效应。图图图图示示示示为为为为典典典典型型型型结结结结构构构构，其其其其上上上上限限限限频频频频率率率率可可可可到到到到100 kHz左左右右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。主要用于海洋鱼群探测器和声纳。第29页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (3)电电磁磁超超声声换换能能器器 电电磁磁超超声声换换能能器器是是一一种种新新型型的的超超声声发发射射接接收收装装置置。特特点点是是超超声声产产生生和和接接收收的的过过程程中中换换能能器器与与媒媒质质表表面面非非接接触触、无无需需加加声声耦耦合合剂剂(提高耦合效率，如提高耦合效率，如提高耦合效率，如提高耦合效率，如B B超超)、重复性好、检测速度高。、重复性好、检测速度高。第30页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 如如图图所所示示，是是洛洛仑仑兹兹力力式式电电磁磁超超声声换换能能器器产产生生超声波的原理图。超声波的原理图。第31页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (4 4)激激光光超超声声波波发发生生器器 它它它它是是是是利利利利用用用用激激激激光光光光来来来来产产产产生生生生超超超超声声声声波波波波的的的的。激激激激光光光光可可可可以以以以在在在在固固固固体体体体中中中中产产产产生生生生超超超超声声声声，也也也也可可可可以以以以在在在在气气气气体体体体和和和和液液液液体体体体中中中中产产产产生生生生超超超超声声声声。产产产产生生生生机机机机理理理理主主主主要要要要是是是是热热热热弹弹弹弹性性性性膨膨膨膨胀胀胀胀机机机机理理理理，脉脉脉脉冲冲冲冲激光将引起振动。激光将引起振动。激光将引起振动。激光将引起振动。第32页，共169页，编辑于2022年，星期一 对对于于图图示示压压电电式式超超声声波波探探头头，超超声声波波频频率率与与晶晶片厚度片厚度d、纵波波速、纵波波速、纵波波速、纵波波速c c、密度、密度、密度、密度r r r r的关系为的关系为的关系为的关系为11.1.2 超声波传感器超声波传感器式中，式中，n为谐波级数，为谐波级数，n1,2,3,第33页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用第34页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 1 1.超声波测量厚度超声波测量厚度 超超超超声声声声波波波波测测测测厚厚厚厚主主主主要要要要有有有有脉脉脉脉冲冲冲冲回回回回波波波波法法法法，共共共共振振振振法法法法、干干干干涉涉涉涉法法法法等几种。应用较广的是脉冲回波法。等几种。应用较广的是脉冲回波法。脉脉冲冲回回波波法法测测量量试试件件厚厚度度是是先先测测量量超超声声波波脉脉冲冲往往返返通通过过试试件件所所需需的的时时间间间间隔隔t t，然然然然后后后后根根根根据据据据超超超超声声声声波波波波在在在在试件中的传播速度试件中的传播速度试件中的传播速度试件中的传播速度c求出试件的厚度。求出试件的厚度。第35页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 测测测测量量量量时时时时超超超超声声声声波波波波探探探探头头头头与与与与被被被被测测测测物物物物体体体体表表表表面面面面接接接接触触触触；主主主主控控控控制制制制器器器器控控控控制制制制发发发发射射射射电电电电路路路路发发发发射射射射一一一一定定定定频频频频率率率率的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号，激激激激发发发发探探探探头头头头发发发发射射射射超超超超声声声声波波波波脉脉脉脉冲冲冲冲进进进进入入入入试试试试件件件件，到到到到达达达达底底底底面面面面后后后后反反反反射射射射回回回回来来来来，并并并并由由由由同同同同一一一一探头接收。探头接收。探头接收。探头接收。第36页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 测出从发射到接收的时间间隔测出从发射到接收的时间间隔测出从发射到接收的时间间隔测出从发射到接收的时间间隔t，则试件厚度为。，则试件厚度为。第37页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 2.超声波物位传感器超声波物位传感器 它它它它是是是是利利利利用用用用超超超超声声声声波波波波在在在在两两两两种种种种介介介介质质质质的的的的分分分分界界界界面面面面上上上上的的的的反反反反射射射射特特特特性性性性制制制制成成成成的的的的。根根根根据据据据发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收换换换换能能能能器器器器的的的的功功功功能能能能，传传传传感感感感器器器器又又又又可可可可分分分分为为为为单单单单换换换换能能能能器器器器和和和和双双换换能能器器。单单单单换换换换能能能能器器器器发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收超超超超声声声声波波波波均均均均使使使使用用用用一一一一个个个个换换换换能能能能器器器器，而而而而双双双双换换换换能能能能器器器器发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收各各各各由由由由一一一一个个个个换能器担任。换能器担任。换能器担任。换能器担任。第38页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 超超超超声声声声波波波波发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收换换换换能能能能器器器器可可可可设设设设置置置置在在在在液液液液体体体体中中中中，让让让让超超超超声声声声波波波波在在在在液液液液体体体体中中中中传传传传播播播播。由由由由于于于于在在在在液液液液体体体体中中中中衰衰衰衰减减减减比比比比较较较较小小小小，所所所所以以以以即即即即使使使使发发发发射射射射的的的的超超超超声声声声脉脉脉脉冲冲冲冲幅幅幅幅度度度度较较较较小小小小也也也也可可可可以以以以传传传传播播播播。发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收换换换换能能能能器器器器也也也也可可可可以以以以安安安安装装装装在在在在液液液液面面面面上上上上方方方方，让让让让超超超超声声声声波波波波在在在在空空空空气气气气中中中中传传传传播播播播，这这这这种种种种方方方方式式式式便便便便于于于于安安安安装装装装和和和和维维维维修修修修，但但但但超超超超声声声声波波波波在在在在空空空空气气气气中中中中的的的的衰衰衰衰减减减减比比比比较较较较厉害。厉害。厉害。厉害。第39页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 对对于于图图示示单单换换能能器器来来说说，超超声声波波从从发发射射到到液液面面，又从液面反射到换能器的时间为又从液面反射到换能器的时间为第40页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 对于图示双换能器来说，液位高度为对于图示双换能器来说，液位高度为对于图示双换能器来说，液位高度为对于图示双换能器来说，液位高度为 超超声声物物位位传传感感器器具具有有精精度度高高和和使使用用寿寿命命长长的的特特点点，但但若若液液体体中中有有气气泡泡或或液液面面发发生生波波动动，便便会会有有较较大的误差。大的误差。第41页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 3 3.超声波流量传感器超声波流量传感器超声波流量传感器超声波流量传感器 超超超超声声声声波波波波流流流流量量量量传传传传感感感感器器器器的的的的测测测测定定定定原原原原理理理理是是是是多多多多样样样样的的的的，如如如如传传传传播播播播速速速速度度度度变变变变化化化化法法法法、波波波波速速速速移移移移动动动动法法法法、多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应应应法法法法、流流流流动动动动听听听听声声声声法法法法等等等等。但但但但目目目目前前前前应应应应用用用用较较较较广广广广的的的的主主主主要要要要是是是是超超声声波波传传输输时时间间差差法法，它它它它利利利利用用用用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。第42页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 在在流流体体的的上上、下下游游相相距距L设设设设置置置置两两两两个个个个超超超超声声声声波波波波传传传传感感感感器器器器，它它它它们们们们既既既既可可可可发发发发射射射射又又又又可可可可接接接接收收收收超超超超声声声声波波波波。设设设设顺顺顺顺流流流流方方方方向向向向的的的的传传传传输输输输时时时时间间间间为为为为t1，逆逆逆逆流流流流方方方方向向向向的的的的传传传传输输输输时时时时间间间间为为为为t t2 2，流流体体静静止止时时的的超超声声波波速速度度为为c，流流流流体体体体流流流流动动动动速速速速度度度度为为为为u u u u，则则则则第43页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一一般般来来说说，流流体体的的流流速速远远小小于于超超声声波波在在流流体体中中的传播速度，那么超声波传播时间差为的传播速度，那么超声波传播时间差为则则第44页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中，超超超超声声声声波波波波传传传传感感感感器器器器安安安安装装装装在在在在管管管管道道道道的的的的外外外外部部部部，从从从从管管管管道道道道的的的的外外外外面面面面透透透透过过过过管管管管壁壁壁壁发发发发射射射射和和和和接接接接收收收收超超超超声声声声波波波波不不不不会会会会给给给给管管管管路路路路内内内内流流流流动动动动的的的的流流流流体体体体带带带带来来来来影影影影响响响响。但但但但公公公公式式式式需需需需相相相相应应应应地地地地改改改改变。变。变。变。第45页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 4 4.超声波探伤超声波探伤 超超超超声声声声波波波波探探探探伤伤伤伤主主主主要要要要是是是是通通通通过过过过测测测测量量量量信信信信号号号号往往往往返返返返于于于于表表表表面面面面和和和和缺缺缺缺陷陷陷陷之之之之间间间间的的的的时时时时间间间间，来来来来确确确确定定定定缺缺缺缺陷陷陷陷和和和和表表表表面面面面之之之之间间间间的的的的距距距距离离离离；测测测测量量量量回回回回波波波波信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度和和和和改改改改变变变变发发发发射射射射换换换换能能能能器器器器的的的的位位位位置置置置，来来来来确确确确定定定定缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的大大大大小小小小和和和和方方方方位位位位。这这这这就就就就是是是是通通通通常常常常所所所所说说说说的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲反反反反射射射射法法法法或或或或A A扫描法。此外还有扫描法。此外还有B扫描法、扫描法、C扫描法、扫描法、扫描法、扫描法、D扫描法等。扫描法等。扫描法等。扫描法等。第46页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 A扫扫扫扫描描描描法法法法、B B扫扫描描法法、C C扫扫描描法法、D扫扫扫扫描描描描法法法法如如如如图图图图所所所所示。示。示。示。第47页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一一一一种种种种多多多多功功功功能能能能超超超超声声声声诊诊诊诊断断断断系系系系统统统统如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。超超声声波波在在医医疗疗领领域域还还有有非非常常广广泛泛的的应应用用，可可用用于疾病诊断和治疗。于疾病诊断和治疗。第48页，共169页，编辑于2022年，星期一11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用第49页，共169页，编辑于2022年，星期一第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器超声波式传感器11.2 微波式传感器微波式传感器11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器11.4 红外传感器红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例第50页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器 1.微波式传感器的微波式传感器的微波式传感器的微波式传感器的优点优点 (1 1)测测测测量量量量具具具具有有有有非非非非接接接接触触触触性性性性，可可可可进进进进行行行行活活活活体体体体检检检检验验验验，大大大大部部部部分分分分测量不需要取样。测量不需要取样。测量不需要取样。测量不需要取样。(2)能能能能够够够够适适适适应应应应恶恶恶恶劣劣劣劣环环环环境境境境下下下下的的的的检检检检测测测测。如如如如高高高高温温温温、高高高高压压压压、有毒、放射性环境及恶劣天气等。有毒、放射性环境及恶劣天气等。有毒、放射性环境及恶劣天气等。有毒、放射性环境及恶劣天气等。第51页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器 2.微波式传感器的微波式传感器的缺点缺点缺点缺点 (1)零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。(2)受受外外界界影影响响的的因因素素比比较较多多，如如温温度度、压压压压力力力力、取样位置等。此外，一般价格昂贵。取样位置等。此外，一般价格昂贵。取样位置等。此外，一般价格昂贵。取样位置等。此外，一般价格昂贵。第52页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器一些应用如图所示。一些应用如图所示。一些应用如图所示。一些应用如图所示。第53页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器 一一种种用用于于自自动动门门的的微微波波传传感感器器及及微微波波感感应应控控制制器器如如图图所所示示。用用途途：适适用用于于宾宾馆馆、银银行行、办办公公楼楼、工工厂厂等出入人员较多场所的自动门。等出入人员较多场所的自动门。第54页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用第55页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微微微微波波波波是是是是波波波波长长长长为为为为1 1 mmmm1 1 mm的的电电磁磁波波，电电磁磁波波波波段段的划分如下表所示。的划分如下表所示。第56页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微微波波可可细细分分为为三三个个波波段段：分分米米波波、厘厘米米波波、毫毫米米波波(甚甚甚甚至至至至还还还还包包包包括括括括亚亚亚亚毫毫毫毫米米米米波波波波)。既既既既具具具具有有有有电电电电磁磁磁磁波波波波的的的的性性性性质质质质，又又又又不不不不同同同同于于于于普普普普通通通通无无无无线线线线电电电电波波波波和和和和光光光光波波波波的的的的性性性性质质质质。微微微微波波波波具具具具有有有有下下下下列列列列特特特特点点点点：定定定定向向向向辐辐辐辐射射射射装装装装置置置置容容容容易易易易制制制制造造造造；遇遇遇遇到到到到各各各各种种种种障障障障碍碍碍碍物物物物易易易易于于于于反反反反射射射射；绕绕绕绕射射射射能能能能力力力力差差差差；传传传传输输输输特特特特性性性性好好好好，传传传传输输输输过过过过程程程程中中中中受受受受烟烟烟烟雾雾雾雾、火火火火焰焰焰焰、灰灰灰灰尘尘尘尘、强强强强光光光光的的的的影影影影响响响响很很很很小小小小；介介介介质质质质对对对对微微微微波波波波的的的的吸吸吸吸收收收收与与与与介介介介质质质质的的的的介介介介电电电电常常常常数数数数成成成成比比比比例例例例，水水水水对对对对微微微微波波波波的的的的吸吸吸吸收收收收作用最强。作用最强。作用最强。作用最强。第57页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用第58页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 微微波波振振荡荡器器是是是是产产产产生生生生微微微微波波波波的的的的装装装装置置置置。由由由由于于于于微微微微波波波波波波波波长长长长很很很很短短短短，频频频频率率率率很很很很高高高高(300 300 MHzMHz300 GHz)，要要求求振振荡荡回回路路具具有有非非常常微微小小的的电电感感与与电电容容。故故不不能能用用普普通通电电子子管管与与晶晶体体管管构构成成微微波波振振荡荡器器。构构成成微微波波振振荡荡器器的的器器件件有有调调整整管管，磁控管磁控管磁控管磁控管或或或或某些固体元件某些固体元件某些固体元件某些固体元件。由由微微波波振振荡荡器器产产生生的的振振荡荡信信号号需需要要用用波波导导管管(波波波波长长长长在在在在10 10 cmcm以以上上可可用用同同轴轴线线)传传输输，并并通通过过微微波波天天线线发发发发射出去。射出去。射出去。射出去。第59页，共169页，编辑于2022年，星期一11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 为为为为了了了了使使使使发发发发射射射射的的的的微微微微波波波波具具具具有有有有尖尖尖尖锐锐锐锐的的的的方方方方向向向向性性性性，天天天天线线线线应应应应具