传感器技术与应用第九章课件.ppt
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- 传感器 技术 应用 第九 课件
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1、2022-8-101第第9章章 波式传感器波式传感器2022-8-102引言引言n超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的,各行各业都使用的通用技术之一。学为基础的,各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很过程来完成的。超声波在液体、固体中衰减很小,穿透能力强,特别是对不透光的固体,超小,穿透能力强,特别是对不透光的固体,超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时,由于在两种介
2、质中的质入射到另一种介质时,由于在两种介质中的传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射传播速度不同,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用,如超声波无损检测技术中获得了广泛的应用,如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。声成像等。2022-8-1039.1超声波及其物理性质超声波及其物理性质n1超声波的概念和波形超声波的概念和波形n机械振动在弹性介质内的传播称为波动,简称机械振动在弹性介质内的传播称为波动,简称为波。人能听见声音的频率为为波
3、。人能听见声音的频率为20Hz20kHz,即为声波,超出此频率范围的声音,即即为声波,超出此频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为次声波,以下的声音称为次声波,20kHz以上的声音称以上的声音称为超声波,一般说话的频率范围为为超声波,一般说话的频率范围为100Hz8kHz。n超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强越弱,但反射能力越强 9.1.1 超声波的基本概念超声波的基本概念 2022-8-104声波频率的界限划分声波频率的界限划分2022-8-105声波的分类1.次声波波 次声波是频率低于次声波是频率低于20赫兹的声波,人耳听
4、不到,赫兹的声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,但可与人体器官发生共振,78Hz的次声波会引起人的次声波会引起人的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。的恐怖感,动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。2022-8-1062.可闻声波 美妙的音乐可使人陶醉。美妙的音乐可使人陶醉。2022-8-1073.超声波 蝙蝠蝙蝠能发出和能发出和听见超声听见超声波。波。2022-8-108 超声波与可闻声波不同,它可以被聚焦,具有能量集中的特点。超声波雾化器超声波雾化器超声波加湿器超声波加湿器2022-8-109声波的波型声波的波型 n(1)纵波)纵波质点振动方向与波的传播方质点振动方向与波的传播方向
5、一致的波。向一致的波。n(2)横波)横波质点振动方向垂直于传播方质点振动方向垂直于传播方向的波。向的波。n(3)表面波)表面波质点的振动介于横波与纵质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。波之间,沿着表面传播的波。n横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表横波只能在固体中传播,纵波能在固体、液体和气体中传播,表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,多采面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量,多采用纵波。用纵波。2022-8-1010纵波2022-8-1011横波 2022-8-1012表面波2022-8-10132.声速、波长与指向性声速、波长
6、与指向性 n(1)声速)声速n纵波、横波及表面波的传播速度取决于纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗抗。n介质的声阻抗介质的声阻抗Z 等于介质的密度等于介质的密度和声速和声速c的乘积,即的乘积,即nZ=c 2022-8-1014常用材料的密度、声阻抗与声速常用材料的密度、声阻抗与声速(环境温度为(环境温度为0)材 料密度(103kgm-1)声阻抗Z(103MPas-1)纵波声速cL(km/s)横波声速cs(km/s)钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731
7、.43甘油1.262.41.92水(20)1.01.481.48油0.91.281.4空气0.00130.00040.342022-8-1015(2)波长)波长n超声波的波长超声波的波长与频率与频率f乘积恒等于声速乘积恒等于声速c,即即n f=c 2022-8-1016(3)指向性)指向性n超声波声源发出的超声波束以一定的角超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上,超声波最强,且随着扩散角度轴线上,超声波最强,且随着扩散角度的增大而减小。的增大而减小。1超声源超声源 2轴线轴线 3指向角指向角 4等强度线等强度线2022-8-
8、1017n指向角指向角与超声源的直径与超声源的直径D、以及波长、以及波长之间的关系为之间的关系为nsin=1.22/D n设超声源的直径设超声源的直径D=20mm,射入钢板的,射入钢板的超声波(纵波)频率为超声波(纵波)频率为5MHz,则根据,则根据式(可得式(可得=4o,可见该超声波的指向性,可见该超声波的指向性是十分尖锐的。是十分尖锐的。2022-8-10183.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 n超声波从一种介质传播到另一介质,在超声波从一种介质传播到另一介质,在两个介质的分界面上一部分能量被反射两个介质的分界面上一部分能量被反射回原介质,叫做反射波,另一部分透射回原介质,叫做反射波
9、,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播,过界面,在另一种介质内部继续传播,则叫做折射波。这样的两种情况分别称则叫做折射波。这样的两种情况分别称之为声波的反射和折射,之为声波的反射和折射,2022-8-1019波的反射和折射波的反射和折射 2022-8-1020n(1)反射定律)反射定律n入射角入射角 的正弦与反射角的正弦与反射角 的正弦之比等于波的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时,入射角相等时,入射角 等于反射角等于反射角。n(2)折射定律)折射定律n入射角入射角 的正弦与折射角的正弦与折射角 的正弦之比等于超的正弦之
10、比等于超声波在入射波所处介质的波速声波在入射波所处介质的波速c1与在折射波中与在折射波中介质的波速介质的波速c2之比,即之比,即nsin /sin =c1/c2 2022-8-10214.超声波的衰减超声波的衰减 n超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与超声波的扩散、能量逐渐衰减,其衰减的程度与超声波的扩散、散射及吸收等因素有关。散射及吸收等因素有关。n超声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声超声波在介质中传播时,能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收,在理想介质中,声波波的扩散、散射和吸收,在理想介质中,声波的衰减仅来
11、自于声波的扩散,即随声波传播距的衰减仅来自于声波的扩散,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及弹性滞后造成的,介质吸收声能并转换为热能。能。2022-8-10229.2 微波传感器微波传感器 n微波传感器的基本原理是根据微波的传播特微波传感器的基本原理是根据微波的传播特性(反射、透射、散射、干涉等)以及被测性(反射、透射、散射、干涉等)以及
12、被测材料的电磁特性材料的电磁特性(介电常数和损耗角正切介电常数和损耗角正切),通过对微波基本参数的测量,实现对物理量通过对微波基本参数的测量,实现对物理量的感知。因此在学习微波传感器之前,先对的感知。因此在学习微波传感器之前,先对微波的相关知识作一个简单的介绍,以更好微波的相关知识作一个简单的介绍,以更好地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理地掌握和使用微波传感器来检测相应的物理量。量。2022-8-10239.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n1、微波频段的划分、微波频段的划分波 段频率范围/GHz在真空中波长/cmL0.3901.55076.919.3S1.5505.20019.
13、35.77X5.20010.9005.772.75K10.90036.0002.750.834Q36.00046.0000.8340.652V46.00056.0000.6520.536W56.000100.0000.5360.300微波以波的形式向四周辐射,当波长远小于物体尺寸时,微波具有似光性;微波以波的形式向四周辐射,当波长远小于物体尺寸时,微波具有似光性;当波长和物体尺寸有相同数量级时,微波又有近于声学的特性。当波长和物体尺寸有相同数量级时,微波又有近于声学的特性。2022-8-10249.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n2、微波的传播特性、微波的传播特性n在电磁性能不同的
14、两介质界面处,微波在电磁性能不同的两介质界面处,微波的反射和折射定律本质上与可见光的反的反射和折射定律本质上与可见光的反射和折射相同。射和折射相同。2022-8-10259.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 n3、介质的电磁特性、介质的电磁特性n(1)、微波的频率较高,传播指向性强;、微波的频率较高,传播指向性强;n(2)、微波的波长短,因此遇到各种障碍物容、微波的波长短,因此遇到各种障碍物容易被反射;易被反射;n(3)、微波的穿透力较强,不易受环境因素影、微波的穿透力较强,不易受环境因素影响,例如烟雾、灰尘、强光等;响,例如烟雾、灰尘、强光等;n(4)、介质对微波的吸收作用与介质的介
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