传感器与检测技术第九章.ppt

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1、第9章 新型传感器第第9 9章章 新型传感器新型传感器2022/12/22第9章 新型传感器9.1 光纤传感器及其应用光纤传感器及其应用19.2 超声波传感器及其应用超声波传感器及其应用22022/12/22第9章 新型传感器知识目标：知识目标：（1）了解光纤传感器和超声波传感器的概念。）了解光纤传感器和超声波传感器的概念。（2）掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的）掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的物理性质。物理性质。（3）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。）熟悉两种新型传感器在工程上的应用。教学目标教学目标技能目标：技能目标：（1）能够使用常用仪器检查两种传感器性能，判别）能够使

2、用常用仪器检查两种传感器性能，判别其好坏。其好坏。（2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块电路。电路。（3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。）能够对制作的模块电路进行简单的测试。2022/12/22第9章 新型传感器情感目标：情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。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。）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。教学重难点教学重难点教学重点：教学重点：超声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。超声波的物理性质和光纤传感器的结

3、构原理。教学难点：教学难点：超声波的物理性质。超声波的物理性质。2022/12/22第9章 新型传感器9.1 9.1 光纤传感器及其应用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。轻以及耗能少等优点。2022/12/22第9章 新型传感器 光的全反射实验光的全反射实验 2022/12/22第9章 新型传感器各各种种装装饰饰性性光光导导纤纤维维 2022/12/22第9章 新型传感器 发光二极管产生多种颜色的光线，通过光

4、导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠上海东方明珠2022/12/22第9章 新型传感器9.1.1 光纤的基本概念光纤的基本概念（a a）光纤的截面图）光纤的截面图 （b b）光纤的外观图）光纤的外观图图图9-1 9-1 光纤的结构光纤的结构1 1纤芯；纤芯；2 2包层；包层；3 3缓冲层；缓冲层；4 4加强层；加强层；5 5PVCPVC护套护套1.光纤的结构光纤的结构2022/12/22第9章 新型传感器光缆的外形光缆的外形及光及光纤的拉制纤的拉制 2022/12/22第9章 新型传感器光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一

5、定的入射角1 1从介质从介质1 1射到介质射到介质2 2的的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。量则透过分界面，在另一介质内继续传播。2022/12/22第9章 新型传感器 光的全反射 当减小入射角时，进入介质当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当。当入射角小于入射角小于c时，入射光线将发生全反射。

6、时，入射光线将发生全反射。2022/12/22第9章 新型传感器光在光纤中的全反射 2022/12/22第9章 新型传感器光纤的类型 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。2022/12/22第9章 新型传感器 梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴梯度型：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。边沿时，降低到与包层区一样。2022/12/22第9章 新型传感器单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于

7、被传输光波的波长，光以电磁场输光波的波长，光以电磁场“模模”的原理在纤芯中传的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。导，能量损失很小，适宜于远距离传输。2022/12/22第9章 新型传感器（a）传统传感器9.1.2 光纤传感器的结构原理光纤传感器的结构原理2022/12/22第9章 新型传感器（b）光纤传感器）光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、用后，导致光的光学性质（如光的强

8、度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。2022/12/22第9章 新型传感器（a a）功能型）功能型 1 1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器1.1.根据光纤在传感器中的作用进行分类根据光纤在传感器中的作用进行分类分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光分为功能型光纤传感器、非功能型光纤传感器和拾光型光纤传感器型光纤传感器 9.1.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类2022/12/22第9章 新型传感器优点：优点：结构紧

9、凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高，典型例子：典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等光纤陀螺、光纤水听器等2022/12/22第9章 新型传感器光纤水听器 2022/12/22第9章 新型传感器（b）非功能型2 2）非功能型光纤传感器）非功能型光纤传感器2022/12/22第9章 新型传感器光纤传感器光纤传感器外形外形 2022/12/22第9章 新型传感器3）拾光型光纤传感器（c）拾光型2022/12/22第9章 新型传感器光纤温度传感器光纤温度传感器 2022/12/22第9章 新型传感器2.2.根据光受被测对象的调制形式进行分类根据光受被测

10、对象的调制形式进行分类 分为：分为：强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器 2022/12/22第9章 新型传感器1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变强度调制型光纤传感器是一种利用被测量的变化而引起敏感元件参数的变化，从而导致光强化而引起敏感元件参数的变化，从而导致光强度的变化来实现测量的传感器。这种光纤传感度的变化来实现测量的传感器。这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者

11、液晶的反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传感器。各种强度调制型光纤传感器。2022/12/22第9章 新型传感器2）偏振调制型光纤传感器）偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变偏振调制型光纤传感器是一种利用光偏振的变化来传递被测信号的传感器。这种传感器可利化来传递被测信号的传感器。这种传感器可利用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流用光在磁场媒介中传播的法拉第效应做成电流或磁场传感器，它可以避免光源强度的变化对或磁场传感器，它可

12、以避免光源强度的变化对其产生的影响，因此，灵敏度较高。其产生的影响，因此，灵敏度较高。2022/12/22第9章 新型传感器3）频率调制型光纤传感器）频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射频率调制型光纤传感器是一种利用单色光照射到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变到被测量物体上时反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。化来进行监测的传感器。2022/12/22第9章 新型传感器4）相位调制型光纤传感器）相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器是利用被测量对敏感元相位调制型光纤传感器是利用被测量对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或者传播常数件的作用，使敏感元件的

13、折射率或者传播常数发生变化，从而导致光的相位发生变化，通过发生变化，从而导致光的相位发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。量，从而得到被测量的信息。2022/12/22第9章 新型传感器1.反射式光纤位移传感器 图图9-6 9-6 反射式光纤位移传感器的工作原理反射式光纤位移传感器的工作原理9.1.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用2022/12/22第9章 新型传感器2022/12/22第9章 新型传感器2022/12/22第9章 新型传感器2.光纤压力传感器光纤压力传感器图9-7 膜片反射式光纤压力传感器的

14、原理图1Y形光纤束；2壳片；3膜片2022/12/22第9章 新型传感器3.光纤温度传感器图9-8 光纤温度传感器示意图1感温黑色壳体；2彩色液晶；3入射光纤；4出射光纤2022/12/22第9章 新型传感器 保护管内保护管内为高温为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度传感器 2022/12/22第9章 新型传感器4.热双金属式光纤温度开关热双金属式光纤温度开关图9-9 热双金属式光纤温度开关的原理图1遮光板；2双金属片2022/12/22第9章 新型传感器5.球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器（a）不接触液体的工况（b）浸在液体中的工况图9-10 球面光纤液位传感器的原理图1入射光纤；2透

15、明球形端面；3包层；4出射光纤2022/12/22第9章 新型传感器6.斜端面光纤液位传感器斜端面光纤液位传感器（a）在空气中 （b）在液体中 图9-11 反射式斜端面光纤液位传感器的原理图1、2光纤；3棱镜2022/12/22第9章 新型传感器7.单光纤液位传感器单光纤液位传感器图9-12 单光纤液位传感器的结构1光纤；2耦合器2022/12/22第9章 新型传感器（a）尖顶磨平的探头 （b）尖顶磨平并粘上突出物的探头图9-13 改进的光纤液位探头2022/12/22第9章 新型传感器9.2 超声波传感器及其应用超声波传感器及其应用主要学习超声波的主要学习超声波的物理特性物理特性，着重了解，

16、着重了解超声波在检测技术中的一些超声波在检测技术中的一些应用应用，也涉，也涉及及无损探伤无损探伤的设备及方法。的设备及方法。2022/12/22第9章 新型传感器9.2.1 超声波的物理性质超声波的物理性质1.超声波的性质超声波的性质高于高于20 KHz的声波的声波具有指向性好、能量具有指向性好、能量集中、穿透本领大等集中、穿透本领大等特点特点 2022/12/22第9章 新型传感器蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食2022/12/22第9章 新型传感器 超声波与可闻声波不超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超

17、声波加湿器超声波加湿器2022/12/22第9章 新型传感器超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机 压电陶瓷或磁压电陶瓷或磁致伸缩材料在致伸缩材料在高电压窄脉冲高电压窄脉冲作用下，可得作用下，可得到较大功率的到较大功率的超声波，可以超声波，可以被聚焦，能用被聚焦，能用于集成电路及于集成电路及塑料的焊接。塑料的焊接。2022/12/22第9章 新型传感器便携式超声波便携式超声波探鱼器探鱼器 超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。射现象，这一现象类似于光波

18、。2022/12/22第9章 新型传感器2.超声波的传播方式超声波的传播方式超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。超声波的传播方式主要可分为纵波、横波、表面波等几种。2022/12/22第9章 新型传感器纵波2022/12/22第9章 新型传感器横波 2022/12/22第9章 新型传感器表面波2022/12/22第9章 新型传感器3.声速和波长声速和波长1.声速 取决于介质2.波长 c=f弹性系数弹性系数密度密度声阻抗声阻抗Z Z：Z=Z=c c2022/12/22第9章 新型传感器4.4.超声波的反射与折射超声波的反射与折射当超声波从一种介质向另一种介质传播当超声波从一种介质

19、向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过分界面进入第二种介质。当两种不穿过分界面进入第二种介质。当两种不同的介质声阻抗相差较大时，便会产生同的介质声阻抗相差较大时，便会产生超声波反射。超声波反射。2022/12/22第9章 新型传感器9.2.2 超声波传感器的应用超声波传感器的应用 双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并超声脉冲到达试

20、件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得，就得到厚度到厚度 ：2022/12/22第9章 新型传感器手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪2022/12/22第9章 新型传感器超声波测厚仪超声波测厚仪石料测厚石料测厚2022/12/22第9章 新型传感器超声波手持式测厚超声波手持式测厚混凝土测厚混凝土测厚木材测厚木

21、材测厚小提琴小提琴 木料测厚木料测厚2022/12/22第9章 新型传感器双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头2022/12/22第9章 新型传感器双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）2022/12/22第9章 新型传感器超声波清洗机超声波清洗机当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减

22、小，液体中形成的微小气泡被的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空空化作用化作用”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导

23、体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。2022/12/22第9章 新型传感器超声波清洗原理及清洗器（参考湖南省浏阳市医用仪具厂、北京德泰隆科技发展有限责任公司资料）超声换能器超声换能器气泡气泡波浪波浪清洗物清洗物2022/12/22第9章 新型传感器3.超声波液位计超声波液位计 在液罐上方安装空气传导在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。就可测得液体的液面。2022/12/22第9章 新型传感器超声波液位计的原理图超声波液位计的原理图 1 1液面；液面；2 2直管；直管；

24、3 3空气超声探头；空气超声探头；4 4反射小板；反射小板；5 5电子开关电子开关 2022/12/22第9章 新型传感器 喇叭形超声发喇叭形超声发生器生器2022/12/22第9章 新型传感器4.超声防盗报警器超声防盗报警器 图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率射器发射出频率 f=40 kHz左右的超声波。如果有人左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移 f。20

25、22/12/22第9章 新型传感器超声超声波多波多普勒普勒测量测量车速车速2022/12/22第9章 新型传感器多普勒效应多普勒效应 前进方向的频率升高 如果波源和观察者之间如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。种现象叫做多普勒效应。测出测出 f 就可得到运动速就可得到运动速度。度。2022/12/22第9章 新型传感器超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的频率风引起超声波的频率变大或变小变大或变小 2022/12/22第9章 新型传感器A型超声波探伤型超声波探伤起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷5.超声波无损探伤超声波无损探伤2022/12/22第9章 新型传感器钢轨探伤车钢轨探伤车滑板式探头滑板式探头 2022/12/22第9章 新型传感器高速钢轨高速钢轨探伤车探伤车铁路钢轨探测用的滚轴式铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）探头（也称做轮式探头）2022/12/22第9章 新型传感器 构件的超构件的超声探伤（续）声探伤（续）2022/12/22第9章 新型传感器2022/12/22