传感器与检测技术第九章 PPT讲稿.ppt

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1、传感器与检测技术第九章 2023/4/8第1页，共73页，编辑于2022年，星期三9.1 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22023/4/8第2页，共73页，编辑于2022年，星期三知识目标：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物理性质。）掌握光纤传感器的结构原理及超声波传感器的物理性质。（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

2、别其好）能够使用常用仪器检查两种传感器性能，判别其好坏。坏。（2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块电路。）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块电路。（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。2023/4/8第3页，共73页，编辑于2022年，星期三情感目标：情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。（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

3、声波的物理性质和光纤传感器的结构原理。教学难点：教学难点：超声波的物理性质。超声波的物理性质。2023/4/8第4页，共73页，编辑于2022年，星期三9.1 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、抗电磁干扰、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、质量轻以及频带宽、动态范围大、结构简单、体积小、质量轻以及耗能少等优点。耗能少等优点。2023/4/8第5页，共73页，编辑于2022年，星期三 光的全反射实验光的全反射实验 2023/4/8第6页，共73页，编辑于2022年，星期三各各种种装装饰饰性性光光

4、导导纤纤维维 2023/4/8第7页，共73页，编辑于2022年，星期三 发光二极管产生多种颜色的光线，通过光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2023/4/8第8页，共73页，编辑于2022年，星期三9.1.1 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2023/4/8第9页，共73页，编辑于2022年，星期三光

5、缆的外形光缆的外形及光纤及光纤的拉制的拉制 2023/4/8第10页，共73页，编辑于2022年，星期三光的反射、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的分界面上时，的分界面上时，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。另一介质内继续传播。2023/4/8第11页，共73页，编辑于2022年，星期三 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角将相应减的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波

6、只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入小，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，定义为临界角射角，定义为临界角c。当入射角小于。当入射角小于c时，入射光线将发生全反时，入射光线将发生全反射。射。2023/4/8第12页，共73页，编辑于2022年，星期三光在光纤中的全反射 2023/4/8第13页，共73页，编辑于2022年，星期三光纤的类型 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。2023/4/8第14页，共73页，编辑于2022年，星期三 梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上梯度型：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

7、开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，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。降低到与包层区一样。2023/4/8第15页，共73页，编辑于2022年，星期三单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场波的波长，光以电磁场“模模”的原理在纤芯中传导，能的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。量损失很小，适宜于远距离传输。2023/4/8第16页，共73页，编辑于2022年，星期三（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2023/4/8第17页，

8、共73页，编辑于2022年，星期三（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纤送入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用后，导致光调制器，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、相位、偏正态等）的光学性质（如光的强度、波长、频率、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。，经解调后，获得被测参数。2023/4/8第18页，共73页，编辑于2022年，星期三（a a）

9、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型光纤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传感器 9.1.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类2023/4/8第19页，共73页，编辑于2022年，星期三优点：优点：结构紧凑、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2023/4/8第20页，共73页，编辑于2022年，星期三光纤水听器 20

10、23/4/8第21页，共73页，编辑于2022年，星期三（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2023/4/8第22页，共73页，编辑于2022年，星期三光纤传感器光纤传感器外形外形 2023/4/8第23页，共73页，编辑于2022年，星期三3）拾光型光纤传感器（c）拾光型2023/4/8第24页，共73页，编辑于2022年，星期三光纤温度传感器光纤温度传感器 2023/4/8第25页，共73页，编辑于2022年，星期三2.2.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

11、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 2023/4/8第26页，共73页，编辑于2022年，星期三1 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化而引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，从而导致光强度的变化来实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。这种光纤传感器可利用光纤的微弯现测量的传感器。这种光纤传感器可利用光纤的微弯损耗、振动膜或者液晶的反射光强度的变化，以及物损耗、振动膜或者液晶的反射光强度的变化，以及物质的荧光辐射或者光路的

12、遮断等构成压力、振动、温质的荧光辐射或者光路的遮断等构成压力、振动、温度、位移等各种强度调制型光纤传感器。度、位移等各种强度调制型光纤传感器。2023/4/8第27页，共73页，编辑于2022年，星期三2）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化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。这种传感器可利用光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或磁场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其产生的传感器，它可以避免光源强度的变化对其产生的影响，因此，灵敏

13、度较高。影响，因此，灵敏度较高。2023/4/8第28页，共73页，编辑于2022年，星期三3）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到被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化来进行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。监测的传感器。2023/4/8第29页，共73页，编辑于2022年，星期三4）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件的作用，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发生变化，从而导致使敏

14、感元件的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，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。光的相位的变化量，从而得到被测量的信息。2023/4/8第30页，共73页，编辑于2022年，星期三1.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2023/4/8第31页，共73页，编辑于2022年，星期三2023/4/8第32页，共73页，编辑于2022年，星期三2023/4/8第33页，共73页，编辑于2022

15、年，星期三2.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原理图1Y形光纤束；2壳片；3膜片2023/4/8第34页，共73页，编辑于2022年，星期三3.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2023/4/8第35页，共73页，编辑于2022年，星期三 保护管内为保护管内为高温光纤高温光纤低温光纤低温光纤光纤温度传感器 2023/4/8第36页，共73页，编辑于2022年，星期三4.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2023/4/8第37页，共73

16、页，编辑于2022年，星期三5.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透明球形端面；3包层；4出射光纤2023/4/8第38页，共73页，编辑于2022年，星期三6.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2023/4/8第39页，共73页，编辑于2022年，星期三7.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2023/4/8第40页，共73页，编辑于2022年，星期

17、三（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2023/4/8第41页，共73页，编辑于2022年，星期三9.2 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，着重了解超，着重了解超声波在检测技术中的一些声波在检测技术中的一些应用应用，也涉及，也涉及无无损探伤损探伤的设备及方法。的设备及方法。2023/4/8第42页，共73页，编辑于2022年，星期三9.2.1 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、能量集中、具有指向性好、能量集中、穿透本领大

18、等特点穿透本领大等特点 2023/4/8第43页，共73页，编辑于2022年，星期三蝙蝠依靠超声波捕食蝙蝠依靠超声波捕食2023/4/8第44页，共73页，编辑于2022年，星期三 超声波与可闻声波不同，超声波与可闻声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中它可以被聚焦，具有能量集中的特点。的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器2023/4/8第45页，共73页，编辑于2022年，星期三超声波塑料焊接机超声波塑料焊接机 压电陶瓷或磁致压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可窄脉冲作用下，可得到较大功率的超得到较大功率的超声波，可以被聚焦，声波，可以被聚焦，能用

19、于集成电路及能用于集成电路及塑料的焊接。塑料的焊接。2023/4/8第46页，共73页，编辑于2022年，星期三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，在遇到两种超声波被聚焦后，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射现象，这介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。一现象类似于光波。2023/4/8第47页，共73页，编辑于2022年，星期三2.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。2023/4/8第48页，共73页

20、，编辑于2022年，星期三纵波2023/4/8第49页，共73页，编辑于2022年，星期三横波 2023/4/8第50页，共73页，编辑于2022年，星期三表面波2023/4/8第51页，共73页，编辑于2022年，星期三3.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 c2023/4/8第52页，共73页，编辑于2022年，星期三4.4.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时，如当超声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上

21、产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质，另一部分能量穿过分界面进入第二种介质。质，另一部分能量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，便会产当两种不同的介质声阻抗相差较大时，便会产生超声波反射。生超声波反射。2023/4/8第53页，共73页，编辑于2022年，星期三9.2.2 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，超声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，并被另一只压脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲

22、到接收电晶片所接收。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所需的时间t，再乘以被测体的声速常，再乘以被测体的声速常数数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以再除以2，就得到厚度，就得到厚度 ：2023/4/8第54页，共73页，编辑于2022年，星期三手持式超声波测厚仪手持式超声波测厚仪2023/4/8第55页，共73页，编辑于2022年，星期三超声波测厚仪超声波测厚仪石料测厚石料测厚2023/4/8第56页，共73页，编辑于2022年，星期三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材测厚小提琴小提

23、琴 木木料测厚料测厚2023/4/8第57页，共73页，编辑于2022年，星期三双晶超声波测厚探头双晶超声波测厚探头2023/4/8第58页，共73页，编辑于2022年，星期三双晶超声波测厚探头（续）双晶超声波测厚探头（续）2023/4/8第59页，共73页，编辑于2022年，星期三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，即液体体积增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，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于加，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的

24、正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成液体时，则会对液体产生一定的正压，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，液体中每个气泡的微小气泡被压碎。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，这种现象被称之为个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用空化作用”，超声波清洗正是利，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液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件

25、内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。2023/4/8第60页，共73页，编辑于2022年，星期三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2023/4/8第61页，共73页，编辑于2022年，星期三3.超声波液位计超声波液位计 在液罐上方安装空气传导型超在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液的往返时间，就可测得液体的液面。面。2023/4/8第62

26、页，共73页，编辑于2022年，星期三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；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 2023/4/8第63页，共73页，编辑于2022年，星期三 喇叭形超声发生喇叭形超声发生器器2023/4/8第64页，共73页，编辑于2022年，星期三4.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。发射器发射出频率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 f=40 kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度左右的超声波。如果有人进入信

27、号的有效区域，相对速度为为 v，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，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移率偏移 f。2023/4/8第65页，共73页，编辑于2022年，星期三超声超声波多波多普勒普勒测量测量车速车速2023/4/8第66页，共73页，编辑于2022年，星期三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有相对如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测这种现象叫做多普勒效应。测出出 f 就可得到运动速度。就可得

28、到运动速度。2023/4/8第67页，共73页，编辑于2022年，星期三超声波多普勒测量风速风 风引起超声波的频率变大风引起超声波的频率变大或变小或变小 2023/4/8第68页，共73页，编辑于2022年，星期三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2023/4/8第69页，共73页，编辑于2022年，星期三钢轨探伤车钢轨探伤车滑板式探头滑板式探头 2023/4/8第70页，共73页，编辑于2022年，星期三高速钢轨探高速钢轨探伤车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）2023/4/8第71页，共73页，编辑于2022年，星期三 构件的超构件的超声探伤（续）声探伤（续）2023/4/8第72页，共73页，编辑于2022年，星期三2023/4/8第73页，共73页，编辑于2022年，星期三