第10章 新型传感器及应用（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大·2021）

【教学目标】 了解超声波、磁敏、光线传感器工作原理 熟悉超声波、磁敏、光线传感器应用 掌握光纤位移传感器的静态、动态测试方法 【教学重点】 超声波传感器的测试电路 光纤位移传感器的静态与动态测试 【教学难点】 超声波、磁敏、光纤传感器测试应用 第十章 新型传感器及应用 【教学内容】 超声波传感器及应用 超声波及其物理特性 超声波探头及耦合技术 超声波传感器的应用 第十章 新型传感器及应用 【教学内容】 磁敏传感器及应用 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管 磁敏式传感器的应用 第十章 新型传感器及应用 【教学内容】 光纤传感器及应用 光纤的结构 光纤传感器的原理及分类 光纤传感器的应用 第十章 新型传感器及应用 5 10.1 超声波传感器及应用 1 超声波及其物理特性 2 超声波探头及耦合技术 3 超声波传感器的应用 1 超声波及其物理特性 超声波传感器是应用超声波的特性研制而成的传感器，利用超声波检测技术，将被测量对象的信息，转换成可用（主要是电信号）输出信号。以超声波作为检测手段，在检查过程中必须具备产生超声波和接收超声波的装置，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器或者超声探头。 超声波 物体机械振动状态的传播形式是波，能为人耳所闻的机械波，称为声波，低于16 Hz的机械波，称为次声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的机械波，其每秒的振动次数很高，超出了人耳听觉的上限，人们将这种听不见的声波叫做超声波。 1 超声波及其物理特性 1 超声波及其物理特性 其主要具备的特异性表现在以下几个方面： （1）传播特性：超声波的衍射本领较差，在均匀介质中它能够定向直线传播，而且波长越短，这一特性就表现的越显著。 （2）功率特性：机械振动在传播过程中要对媒介做功，如当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 （3）空化作用：当超声波在液体中传播时，对媒介做功，使液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。随着波的传递这些小空洞迅速胀大和闭合，导致液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，液体的温度骤然升高，使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加快溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 1 超声波及其物理特性 物理特性 超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。 1 超声波及其物理特性 （1）反射与折射：当超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生反射与折射。进入第二介质的超声继续往前传播，遇到不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。 （2）散射与绕射：超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长（小界面）的介质时，产生散射与绕射。散射以小介质为中心向四周发散超声，又成为新的声源，绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。散射回声强度与超声入射角无关。 1 超声波及其物理特性 （3）超声衰减：超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减，衰减系数经常以dB/cm或10-3dB/mm为单位来表示。这种能量的衰减主要受到了声波在媒介中的扩散、散射和吸收的影响，扩散衰减，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转换为热能。 （4）多普勒效应：声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前（后）运动而多（少）接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加（减少）了。这种由于相对运动导致频率增加和减少的现象称为多普勒效应。 1 超声波及其物理特性 （5）机械效应：超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩和扩张，构成了压力的变化，这种压力变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，虽然产生的位移和速度不大，但是，与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。这样的加速度足以对介质造成强大的机械作用。 （6）空化效应：在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将发生膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础。 1 超声波及其物理特性 （7）热效应：其产生有两方面的原因，一、超声波作用于介质时有能量被介质吸收。二、由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间互相摩擦而发热，这种能量会使固体、流