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第7章 波式传感器

传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3

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第7章 波式传感器

传感器与自动检测技术 张玉莲 978-7-111-21945-3

书名:传感器与自动检测技术 作者:张玉莲 ISBN:

978-7-111-21945-3 出版社:机械工业出版社 层次:高职高专

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学习目的
?掌握超声波、微波等波式传感器的

工作原理及其应用
?理解各种波式传感器的物理基础

?了解各种波式传感器的应用领域

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主要内容
7.1 超声波传感器 7.2 微波传感器 7.3 多普勒传感器 本章小结 复习思考题

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7.1 超声波传感器
?人们听到的声音是由物体振动产生的,它的 频率在20~ 20kHz范围内。

1、次声波

?次声波频率低于20Hz的声 波,人耳听不到,但可与人 的器官发生共振,7~8Hz的 次声波会引起热的恐怖感, 使人动作不协调,甚至导致 心脏停止跳动。

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第7章 波式传感器 2、可闻声波

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美妙的音乐能使人陶醉 频率在20Hz~20kHz的声波
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3.超声波
?超声波:频率超过20kHz的声波。 ?超声波人耳感觉不到,但许多动物 都能感受到,如海豚、蝙蝠以及某些 昆虫,都能很好地感受可发出超声波。 检测常用的超声波频率范围为:
1?104 Hz ? 1?107 Hz

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超声波特点
? 超声波不同于声波,其波长短,绕射现象小,且方向性好,传播能量集中, 能 定向传播。 ? 超声波在传播过程中衰减很小。在传播过程中,遇到不同的媒介,大部分 能量 会被反射回来;

?超声波对液体、固体的穿透能力很 强,尤其是对不透光的固体,它可以 穿透几 十米的深度; ?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。 ?超声波遇到杂质或分界面会产生反 射、折射和波形变换等现象。正是因 为超声 波的这些特性,在工业、国 防、医疗、家电等检测和控制领域有 着广泛的应用.
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7.1.1 超声波的物理基础
纵波 超声波的传播方式 横波 表面波

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质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。 纵波能在固体、液体和气体中传播。

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横波—质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。 横波只能在固体中传播。

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质点的振动介于纵波与横波之间,沿着表面传播,振幅 随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波,只能在固体 中传播。

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? 当超声波在两种介质中 传播时,在它们的界面 上部分被反射回原介质 中,称为反射波; ? 另一部分能透过界面, 在另一介质中继续传播 称为折射波。 如图7-1 所示。下面是与超声波 有关的几个基本性质:

图7-1超声波反射与折射

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1. 传播速度
? 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,也 与环境条件有关。 ? 对于液体,其传播速度c为

c?

1 ? Bg

(7-1)

介质的 密度

绝对压 缩系数

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? 在气体中,传播速度与气体种类、压力及温度有关, 在空气中传播速度c为

c ? 331.5 ? 0.607t (m / s)
?对固体,其传播速度c为
固体的弹 性模量 环境 温度

(7-2)

c?

E (1 ? ? ) ? (1 ? ? )(1 ? 2? )
泊松系 数比

(7-3)

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2. 反射定律
? 入射角的正弦与反射角的正弦之比等于入射波所处介 质的波速与反射波所处介质的波速之比,即

sin ? c ? sin ? ? c1

(7-4)

?当入射波和反射波的波形一样,波速一样,入射角即等 于反射角。

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3.折射定律
? 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于超声波 在入射波及折射波所处介质中的传播速度之比,



sin ? C ? sin ? C2

(7-5)

?在自动检测中,经常采用超声波在两介质中的界面所 产生的折射和反射现象进行测量。

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4. 透射率与反射率
? 超声波从第一介质垂直入射到第二介质中时,透射声压与入射声 压之比称为透射率。而反射声压与入射声压之比称为反射率。 ? 有理论和实验得知,超声波从密度小的介质入射到密度大的介质 时,透射率较大,反射率也较大。例如,超声波从水中入射到钢 中时,透射率高达93.5%。反之,超声波自密度大的介质入射到 密度小的介质中时,透射率就较小。例如超声波进入钢板并传播 一段距离,到达钢板底面时,若底部是钢与水的界面,则出射到 水中的声压只有原声压的6.5%。而由底部钢与水的界面反射回钢 板的反射率却高达93.5%,若底部是钢与空气的界面,反射率就 更大。超声波的这一特性在金属探伤、测厚中得到了很好的应用。

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5. 超声波在介质中的衰减
? 超声波在介质中传播时,由于声波的散射或漫射及吸收等会导致能量的衰减, 随传播距离的增加,声波的强度逐渐减弱。以固体介质为例,设超声波入射 介质时的强度为I0,通过厚度为δ的介质后的强度为I,衰减系数为A,如图 7-2所示,则有下列关系式 ?介质中的能量衰减程度与超声波 和介质密度有很大关系。气体的密 度很小,因此衰减很快,尤其对于 高频率超声波而言,衰减更快。因 此,在空气中测量时,要采用较低 频率的超声波,一般低于数十kHz, 而在固体中则应该采用频率高的超 声波,一般应该在MHz数量级以上。

I ? I 0e

? A?

(7-6)

图7-2 超声波能量的衰减
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7.1.2 超声波换能器及耦合技术
? 超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器根据其工作原理不 同,分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。在检测技术中主 要采用压电式。换能器由于其结构的不同,又分为直探头、斜探 头、双探头、表面探头、聚焦探头、水浸探头、空气传导探头以 及其它专用探头等。

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1. 以固体为传导介质的探头
? 用于固体介质的单晶直探头 (俗称直探头)的结构如图 7-3a所示。压电晶片采用锆 钛酸铅系列压电陶瓷(PZT) 材料制作,外壳用金属制作。 保护膜用于防止压电晶片的 磨损和改善耦合条件;阻尼 吸收块用于吸收压电晶片背 面的超声脉冲能量,防止杂 乱反射波的产生。
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图7-3a
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? 双晶直探头的结构如图7-3b所示,它是 由两个单晶直探头组成,装配在同一壳 体内。两个探头之间用一块吸声性强, 绝缘性能好的薄片加以隔离,并在压电 晶片下方增设延迟块,使超声波的发射 和接受互不干扰。在双探头中,一只压 电晶片负责发射超声脉冲,而另一只则 担任接收超声脉冲的任务。双探头的结 构虽然复杂一些,但信号发射和接收的 电路却较为简单。

图7-3b

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? 有时为了使超声波能倾斜入射 到被测介质中,可选用斜探头, 如图7-3c所示。压电晶片粘贴 在与底面成一定角度(如30°、 45°等)的有机玻璃斜楔块上。 压电片的上方用吸声性强的阻 尼吸收块覆盖。当斜楔块与不 同材料的被测介质(试件)接 触时,超声波产生一定角度的 折射,倾斜入射到试件中去, 折射角可通过计算求得。
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图7-3c
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2. 耦合剂
? 在图7-3中,无论是直探头还是斜探头,一般不能直接 将其放在试件表面(特别是粗糙金属表面)来回移动, 以防探头磨损。更重要的是,由于超声探头与被测物 体接触时,在工件表面不平整的情况下,探头与被测 物体表面间必然存在一层空气薄层。由于空气的密度 很小,将引起三种介质两个界面间强烈的杂乱反射波, 造成严重的测量干扰,而且空气还会造成超声波的严 重衰减。因此必须将接触面之间的空气排挤掉,使超 声波能够顺利的入射到被测介质中。 ? 在工业测量中,经常使用一种称为耦合剂的液体物质, 使之充满在接触层中,起到传递超声波的作用。常用 的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆 糊等。根据不同的被测介质而选定。耦合剂的厚度应 该尽量薄一些,以减小耦合损耗。

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3. 以空气为传导介质的超声波发 射器和接受器
? 以空气为传导介质的超声波发 射器和接受器一般是分开设臵 的,两者的结构也略有不同。 如图7-4所示为以空气为传导 介质的超声波发射器和接受器 的结构简图。发射器上的压电 片上粘贴了一只锥形共振盘, 如图7-4a,以便提高发射效率 和增强方向性。而接收器则在 共振盘上还增加了一只阻抗匹 配器,以提高接受效率,如图 7-4b所示。 图7-4
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7.1.3 超声波传感器的应用
? 根据超声波的走向来看,超声波传 感器的应用有两种基本类型,如图 7-5所示。当超声波发生器与接受 器分别臵于被测物两侧时,这种类 型称为透射型,如图7-5a所示。透 射型的典型应用有:遥控器、防盗 报警器、接近开关等。当超声波发 生器与接受器臵于同侧时,这种类 型称为反射型,如图7-5b所示。反 射型的典型应用有:接近开关、距 离测量、液位或料位测量、金属探 伤以及厚度测量等。下面具体介绍 超声波传感器在工业测量中的几种 应用。
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图7-5 超声波应用两种基本类型

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1.超声波探伤
? 超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它 主要用于检测金属板材、管材、锻件和焊缝等材料中的 缺陷(如裂缝、气孔、夹渣等)、材料厚度、材料的晶 粒等,配合断裂力学对材料使用寿命进行评估。 ? 超声波探伤因为检测灵敏度高、速度快、成本低等优点, 而得到人们普遍的重视,并在生产实践中得以广泛的应 用。超声波探伤方法多种多样,而脉冲反射法根据波形 的不同分为纵波探伤、横波探伤和表面波探伤等。下面 分别给予介绍。

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(1)纵波探伤法
? 测试前,先将探头插入探伤仪的连接插座上。探伤仪面板上有一个荧光屏如图 7-6a 所示。通过荧光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的 位臵。工作时,探头放臵在被测工件上,并在工件上来回移动进行检测。探头 发出的超声波,以一定速度向工件内部传播. 工件中没有缺陷,则超声波传播到
有缺陷,一部分声波脉冲在缺陷处产生 反射,另一部分继续传播到工件底部产 生反射,这样在荧光屏上除了仍会出现 开始脉冲T和底部脉冲B以外,还会出现 缺陷脉冲F
工件底部便产生反射,在荧光屏上 只产生开始脉冲T和底部脉冲B,

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(2)横波探伤法
? 用斜探头进行探伤的方法称横波探伤法。超声波的一个显著特点是: 超声波波束中心线与缺陷截面积垂直时,探测灵敏度最高。如遇到 如图7-7中所示的斜向缺陷时,用直探头虽然能探测出缺陷的存在, 但并不能真实反映缺陷的大小。如用斜探头探测,探伤的效果良好。 因此在实际应用中,应该根据不同缺陷的性质、取向采用不同的探 头进行探伤。有些工件的缺陷性质、取向事先不能确定,为了保证 探伤质量,则应该采用不同种类的探头进行多次探测。

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图7-7
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(3)表面波探伤法
? 表面波探伤主要是检测工件表面附近的缺陷存在与否,如图7-8所示。 当超声波的入射角α超过一定值后,折射角β可能达到90°,这时固 体表面受到超声波能量引起的交替变化的表面张力作用,质点在介质 表面的平衡位臵附近作椭圆轨迹振动,这种振动称为表面波。当工件 表面存在缺陷时,表面波被反射回探头,可在荧光屏上显示出来。

图7-8 表面波探伤
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2. 超声波流量计
? 图7-9是超声波流量计的原理图。在被测管道上下游的一定距离上, 分别安装两对超声波发射和接受探头(F1,T1)、(F2,T2),其中 (F1,T1)的超声波是顺流传播的,而(F2,T2)的超声波是逆流传 播的。根据这两束波在流体中传播的速度不同,采用测量两个接收 探头上超声波传播的时间差、相位差和频率差等方法可测出流体的 平均流速,进而推算出流量。

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图7-9 超声波流量计原理图
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(1)时间差法
? 设超声波传播方向与流体流动方向的夹角为 ,流 体在管道内的平均流速为 v ,超声波在静止流体中的 声速为c,管道的内径为d。 ? 超声波由反射探头F1至接收探头T1的绝对传播速度为:

?

v1 ? c ? v cos?
?超声波由反射探头F2 至接收探头T2的绝对传 播速度为:

v2 ? c ? v cos?

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超声波顺流与逆流传播的时间差为

d / sin ? d / sin ? 2dv cot? ?t ? t 2 ? t1 ? ? ? 2 c ? v cos? c ? v cos? c ? v 2 cos2 ?
因为v《 c,所以

2dv ?t ? 2 cot? c
则体积流量约为

c v? tan ??t 2d
?流速 v 及流量QV 均与时间差成正比, 而时间差可用标准时间脉冲计数器实 现。上述方法被称为时间差法。在这 种方法中,流量与声速C 有关,而声 速一般随介质的温度变化而变化,因

2

QV ?
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?
4

d v?
2

?
8

dc tan ??t
2

此将造成温漂。
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(2)频率差法
F1、F 2 是完全相同的超声探头,安装在管壁外面,通过电子开关的控
制,交替地作为超声波发射器与接收器使用。
F1发射的超声波到 达F2的时间较短

F2发射的超声波到达 F1的时间较长
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图7-10 频率差法测流量的原理
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?

sin 2? ?f ? f1 ? f 2 ? v D
? 超声波流量计最大的特点是:探头可以装在 被侧流体管道的外面,实现非接触测量,既不 干扰流体流动状态,又不受流体流动的其它参 数影响,而且大大降低了流量计的安装费用。 其输出基本上与流量成线性关系,测量精度一 般可达到1%。其价格与管道的尺寸无关,因此 特别适合大口径管道,以及含有磨损性杂质或 2013-8-23 腐蚀性液体的测量。

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3. 超声波测厚
? 超声波测厚的方法很多,最常用的方法是利用超声波脉冲反射法进行测厚。可 以测量钢及其它金属、有机玻璃、硬塑料等的厚度。 ? 图7-11是超声波测厚示意图。双晶直探头左边的压电晶片发射超声波脉冲,经 探头内部的延迟块延时后,该脉冲进入被测试件,在到达试件底面时,被反射 回来,并被右边的压电晶片所接收。这样只要测出从发射超声波脉冲到接收超 声波脉冲所需要的时间间隔(扣除经两次延迟的时间),再乘以声波在被测体 内的传播速度常数,就是超声波脉冲在被测件体内所经历的来回距离,也就代 表了厚度值,即

1 ? ? ct 2
?在电路上只要在从发射到接收这段时间 内使计数电路计数,便可达到数字显示 之目的。使用双晶直探头可以使信号处 理电路趋于简化,有利与缩小仪表的体 图7-11超声波测厚示意图 积。探头内部的延迟块可减小杂乱反射 2013-8-23 42 波的干扰。 高职高专传感器与自动检测技术课件

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4. 超声波测密度
? 图7-12所示超声波测量液体密度原理示 意图。图中采用双晶直探头超声波探头 测量,探头安装在测量室(贮油箱)的 外侧。测量室的长度为,根据的关系 (为探头从发射到接收超声波所需的时 间),可以求得超声波在被测介质中的 传播速度c,传播速度与液体的密度有关。 因此可通过时间t的大小来反映液体的密 度。 ? 本仪器采用数字显示,测量精度较高, 图7-12 超声波测量液体密度原理图 能连续在线测量并能参与给以过程的自 动控制。
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5.超声波测量液位和物位
? 如图7-13所示,是一个超声波液位测量示意图。在被测液体液位的上方安装一个 空气传导型的超声波发生器和接收器。按超声波脉冲反射原理,根据超声波的往 返时间就可测得液体的液面高度。如果液面晃动,就会因为反射波散射而接收困 难,因此可用直管将超声波传播路径限定在某一小的空间内。另外,由于空气中 的声速随温度变化而变化,这样会造成由于温度变化带来的测量误差,通常称之 为温漂。所以在超声波的传播路径中设臵一个反射性良好的小板做标准参照物, 随时标定测量环境中的超声波的速度,以便计算修正温度变化造成的测量误差。

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图7-13 超声波液位测量示意图
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超声波用于高效清洗
? 当弱的声波作用于液体时,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液体时,则会对液体 产生一定的正压,即液体的体积被压缩减 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 每一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 上千大气压的压力,这种现象被称之为 “空化作用”,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 于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。
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第7章 波式传感器

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7.2 微波传感器
7.2.1 ※ 微波的性质与特点 微波是波长为1~1000mm、频率300MHz~300GHz的电磁波。它既有电 磁波的特性,又与普通的无线电波及光波不同。微波具有以下特点:

※ ※ ※ ※ ※ ※

可定向辐射,空间直线传输。 遇到各种障碍易于反射。 绕射能力差。 传输特性好,传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很 小。 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例,水对微波的吸收 作用最强。 由于微波有以上特性,被广泛用于液位、物位、厚度及含水量 的测量。

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7.2.2 微波传感器的工作原理及 其分类
1. 微波传感器的工作原理 ? 微波传感器就是指利用微波特性来检测一些非电量的 器件和装臵。 ? 其原理是:由发射天线发射出微波,当遇到被测物体 时将被吸收或反射,使微波功率发生变化。若利用接 受天线接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波, 将它转换成电信号,再经过信号调理电路后,即能显 示出被测量,这就是微波检测过程。根据上述原理, 微波传感器可分为如下两类。
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2. 微波传感器的分类
? 根据上述原理,微波传感器可分为如下两类。 (1)反射式微波传感器 ? 反射式微波传感器就是指通过检测被测物反射回来的 微波功率的大小或经过的时间间隔来测量被测物的位 臵、厚度等参数。 (2)遮断式微波传感器 ? 遮断式微波传感器是通过检测接收天线接收到的微波 功率的大小,来判断发射天线与被测天线之间有无被 测物或被测物的位臵与含水量等参数。
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? 与一般传感器不同,微波传感器的敏感元件可以认为是一个微波 场。它的其他部分可视为一个转换器和接收器,如图7-14所示。

微波源 Microwave Source

转换器 Transducer

接收器 Receiver

图7-14 微波传感器的构成 ?转换器可以是一个微波场的有限空间,被测物即出于其中。如果MS 与T合二为一,称之为有源微波传感器;如果MS与R合二为一,则称其 为自振式微波传感器。

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微波天线
? 由微波振荡器产生振荡信号需要用波导管(波长为10cm以上可用同轴电缆)传输,并 通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性,天线具有特殊的结构。常 用的天线如下图所示,有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。 ? 喇叭形天线结构简单,制造方便,它可以看作是波导管的延续。喇叭型天线在波导管 与敞开的空间之间起匹配作用,可以获得最大能量输出。抛物面天线,好像凹面镜产 生平行光,因此使微波发射的方向性得到改善。

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7.2.3 微波传感器的应用
1. 微波湿度(水分)传感器 ? 水分子是极性分子,常态下成偶极子形式杂乱无章的分布着。在外电场的作用下,偶极 子会形成定向的排列。当水分子处于微波场中时,偶极子会在微波场的作用下反复取向, 并不断的从电场中得到能量(储能),又不断的释放能量(放能),前者表现为微波信 号的相移,后者表现为微波衰减。这个特性可以用水分子自身介电常数来表征,即

? ? ? ? ? ?? ??
储能的度量 常数

(7-13)
衰减的度量

? ? ? 与 ? ?? 不仅与材料有关,还与测试信号频率有关。所有极性分子均有此特性,一般 干燥的物体,如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等,其 ? ? 值在1~5范围内,而水的 ? ? 值则高达64,因此,材料中如果含有少量的水分,其复合的 ? ? 值将明显上升, ? ?? 也 有类似性质。 ?使用微波传感器,同时测量干燥物体(纯)与含水一定的潮湿物体所引起的微波信号 的相移与衰减量,将获得的信号进行比较,就可以换算出潮湿物体的含水量。目前已经 研制成土壤、煤、石油、矿砂、酒精、玉米、稻谷、塑料、皮革等一批含水量测量仪。
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? 图7-15给出了一台测量酒精含水量的仪器框图,其中,MS产生的微波 功率经分功器分成两路,再经过相同的衰减器A1,A2后分别注入到两 个完全相同的传输线转换器T1、T2中。其中T1放臵无水酒精,T2放臵 被测样品。相位与衰减测定仪(PT、AT)分别反复接通两路,自动记 录与显示它们之间的相位差与衰减差,从而确定出样品酒精的含水量。 应该指出,对于颗粒状物料,由于其形状各异、装料不均等影响,测 量其含水量时,对微波传感器要求不高。

图7-15 酒精含水量测量仪器
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2. 微波液位计
? 微波液位计原理如图7-16所示。相距为S的发射天线与接收天线,相互构成 一定角度,波长为λ的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收 到的微波功率将随被测液面的高低不同而异,接收天线接收到的功率PV为:
发射天线的 功率 发射天线的 增益 接受天线 的增益

接受天线的接 受功率,单位W

? ? ? ? PGG 0 ? pV ? ? ? ? 2 ? ? 4? ? ? s ? 4d ? 两天线的间距
2
离,单位m

(7-14)
两天线与被测 表面间的垂直 距离,单位m

?当发射功率、波长、增益均恒 定时,只要测出接收功率,就可 得到被测液面的高度。
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高职高专传感器与自动检测技术课件 图7-16 微波液位计

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3. 微波物位计
? 微波物位计的原理如图7-17所示。 当被测物体位臵较低时,发射天 线发射的微波束全部由接收天线 接收,经检波、放大与定电压比 较之后发出物体位臵正常信号。 当被测物体位臵升高到天线所在 高度时,微波束部分被物体吸收, 部分被反射,接收天线接收到的 微波功率相应减弱,经检波、放 大、与定电压比较,低于定电压 值,微波物位计就发出被测物体 位臵高出设定物位信号。 图7-17微波物位计
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4. 微波测厚仪
? 微波测厚仪原理如图7-18所示。这种测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物金属表 面被反射,且反射波的波长与速度都不变的特性进行厚度测量的。 ? 如图7-18所示,在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波, 经过环行器A,经上传输波导管传输到上终端器,由上终端器发射到被测金属物体的上 表面上,微波在这个表面被全反射后又回到上终端器,再经传输导管、环行器A、下传 输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测金属物体的下表面上,微波在这个表 面被全反射后又回到下终端器,再经过传输波导管回到环行器A。因此被测物的厚度与 微波传输过程中的行程长度有密切关系。当被测物厚度增加时,微波传输的行程长度便 减小。

图7-18微波测厚仪 2013-8-23
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5.微波温度传感器
? 任何物体,当它的温度高于环境温度时,都将向外辐射热量。当辐射热到 达接收机输入端口时,若仍然高于基准温度(或室温),在接收机的输出 端将有信号输出,这就是辐射计或噪声温度接收机的基本原理。

?微波频段的辐射计就是一个微波温 度传感器。图7-19 给出了微波温度 传感器的原理方框图。其中Tin为输 入温度(被测温度);Tc为基准温 度;C为环行器;BPF为带通滤波器; LNA为低噪声放大器;M为混频器; LO为本机振荡器。这个传感器的关 键部件是低噪声放大器,它决定了 传感器的灵敏度。
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图7-19 微波温度传感器
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? 微波传感器最有价值的应用,是微波遥测,将微波温度 传感器装在航天器上,可遥测大气对流层状况,进行大 地测量与探矿;可以遥测水质污染程度;确定水域范围; 判断土地肥沃程度;判断植物品种等。 ? 近年来,微波传感器又有新的重要应用,这就是用其探 测人体癌变组织。癌变组织与周围正常组织之间存在着 一个微小的温度差。早期癌变组织比正常组织高0.1℃, 肿瘤组织比正常组织偏高1℃。如果能精确测量出0.1℃ 的温差,就可以发现早期癌变,从而可以早日治疗。

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6. 微波定位传感器
? 图7-20为微波定位传感器的原理图。微波源(MS)发射的微波经环 行器(C)从天线发射出微波信号。当物料远离小孔(O)时,反射 信号很小;当物料移近小孔时,反射信号突然增大,该信号进入转 换器(T)变换为电压信号,然后送显示器D显示出来。也可以将此 信号送至控制器控制执行器工作,使物料停止运动或加速运动。

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图7-20 微波定位传感器

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7.3 多普勒传感器
7.3.1 多普勒效应(Doppler effect) ? “多普勒效应”是由奥地利物理学家克里斯蒂安· 多普勒于1842 首先发现并加以研究而得名的,其内容为:由于波源和接收者之 间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率与波源发出的频率 不同,这种现象称为多普勒效应,也称多普勒频移。关于多普勒 效应理论有两种:

1. 声波的多普勒效应 2. 光波(包括电磁波)的多普勒效应

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1. 声波的多普勒效应
? 在日常生活中,我们都会有这种经 验:当一列鸣着汽笛的火车或鸣着 喇叭的救护车朝我们开来的时候, 我们会感到声音比较尖,一旦从我 们身边离去时,声音就会变粗。事 实上,当声源接近观察者时,声波 会被“压缩”,声波的频率提高; 而在远离观察者时,声音听起来就 显得低沉。当然,当观察者接近或 远离固定声源时也会产生多普勒效 应。但我们接近或远离声源的速度 如果比较小,耳朵就无法区分这些 细微的差别。

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图7-21

多普勒效应示意图

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多普勒效应
? 假如发射机与接收机之间的距离发生 变化,则发射机发射信号的频率与接 收机收到信号的频率就不同。此现象 是由奥地利物理学家多普勒发现的, 所以称为多普勒效应。
? 如果发射机和接收机在同一地点,两者无 相对运动,而被测物体以速度? 向发射机 和接收机运动,我们可以把被测物体对信 号的反射现象看成是一个发射机。这样, 接收机和被测物体之间因有相对运动,所 以就产生了多普勒效应。 ? 现在我们从被测物体与检测点接近的情况 来进一步说明多普勒效应的产生过程。发 射机发射出的无线电波向被测物体辐射, 被测物体以速度? 运动,如图7-21所示
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图7-21 多普勒效应示意图
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多普勒频率
根据多普勒效应,可定量分析得到多普勒频率: ? 当观察者朝波源运动时, ?
0

取正号;当观察者背离波源
(即顺着波源)运动时,? 0 取 负号; 当波源朝观察者运动 时 ? s 前面取负号;前波源背 离观察者运动时 ? s 取正号。 ? 从式(7-15 )易知,当观察者 与声源相互靠近时, f ? f ; 1 ? 当观察者与声源相互远离 时, f1 ? f 。
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波在静 止介质 中的传 播速度

观察者相对于 介质的速度

? ? ?0 f1 ? f ? ? ?s
变化后 的频率
波源相对于 介质的速度

(7-15 )
波源的固 有频率

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2. 光波(包括电磁波)的 多普勒效应
? 多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光 波、电磁波。它又被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家 斐索(1819-1896)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了 解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。 ? 光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色 的变化。 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移 动,称为红移;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向 移动,称为蓝移。 多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天 体的运动的研究成为可能,只要分析一下接收到的光的频谱就行 了。

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7.3.2 多普勒效应的应用
? 根据多普勒效应的原理可测量运动物体的速度, 如车速、船速、卫星速度和流体的流速等。也 可根据光学多普勒频移测定天体相对地球的运 动。 ? 光源中发光原子的无规则热运动引起谱线增宽, 称多普线增宽,根据频移公式可计算多普勒增 宽与光源温度的关系。

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1. 多普勒雷达测速
? 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交警向行进中的车辆发射频率已 知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波频率变化的多少就能知 道车辆的速度。装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍 摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。 ? 用多谱勒雷达测量目标的速度,目标回波中的多谱勒频移是非常重要的信息。因为目标与 雷达之间存在相对速度时,接收到回波信号的载频相对于发射信号的栽频产生一个频移, ? 与目标和雷达的相对速度的关系为:) 1 被测目标的 运动速度
2 3

fd ?
微波信号 的波长 2013-8-23

2?

?

cos ?
运动方向与 微波传输方 向的夹角 多普勒雷达检测线速度工作原理 1-被测物体 2-发射波和反射波 68 3-雷达

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2. 多普勒效应在医学上的应用
? 在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲 Doppler检查仪,当声源或反射界面移动时,比如当红细胞流经心脏大血管时, 从其表面散射的声音频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和 速度,如红细胞朝向探头时,根据Doppler原理,反射的声频则提高,如红细 胞离开探头时,反射的声频则降低。

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3. 宇宙学研究中的多普勒现象
? 20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱 时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。 1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律:星系的远离速度与距 地球的距离r成正比,即 ? ? Hr ,H为哈勃常数。根据哈勃定律和后来 更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,物质密度 一直在变小。 由此推知,宇宙结构在某一时刻前是不存在的,它只能 是演化的产物。 因而1948年伽莫夫(G. Gamow)和他的同事们提出大 爆炸宇宙模型。20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受, 以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”。 ? 多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能, 这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。1868年,英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度(即物体远离我们而去的速 度),得出了46 km/s的速度值。

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4. 移动通信中的多普勒效应
? 在移动通信中,当移动台移向基站时,频率变高,远离基站时, 频率变低,所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。 ? 当然,由于日常生活中,我们移动速度的局限,不可能会带来十 分大的频率偏移,但在卫星移动通信中,当飞机移向卫星时,频 率变高,远离卫星时,频率变低,而且由于飞机的速度十分快, 所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。为了避 免这种影响造成我们通信中的问题,我们不得不在技术上加以各 种考虑。因而也加大了移动通信的复杂性。

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5. 多普勒天气雷达
? 多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效应为基础,具体表现为: 当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时,可以测定接收信号与 发射信号的高频频率之间存在的差异,从而得出所需的信息。运 用这种原理,可以测定散射体相对于雷达的速度,在一定条件下 反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。这对研 究降水的形成,分析中小尺度天气系统,警戒强对流天气等具有 重要意义。 ? 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波(称为脉冲式电磁波),它 以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播,在传播的路 径上,若遇到了气象目标物,脉冲电磁波被气象目标物散射,其 中散射返回雷达的电磁波(称为回波信号,也称为后向散射), 在荧光屏上显示出气象目标的空间位臵等的特征。
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6. 测量流体速率
? 使用多普勒效应可测量流体速率。当声波在声束方向被具有流速 的目标反射时,目标流向声源时反射波的频率较高,而目标离开 声源时反射波的频率较低。频率的变化与入射声束的频率及目标 的速度成比例。 ? 在标准的多普勒应用中,一个传感器生成连续的声流,而另一个 传感器检测反射声波。因为声波的连续传输,故不能决定从目标 至传感器的距离:在波束中移动的所有东西均对多普勒信号产生 影响。 ? 在现代设备中多普勒偏移由脉冲声波决定。在此情况下,只需一 个传感器即可。通过使用声波脉冲可以只观察来自指定的样本区 的反射;通过系统地反复重新定位传感器的样本区,就可决定两 维速度分布情况。流速图可叠加在回声图像(彩色代码流速图) 上。通过这种方法,可同时显示流动信息和解剖信息。
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本章小结
? 超声波波长范围: 2 ?10 4 ~ 1?107 Hz ? 超声波传波波形: 横波、纵波、表面波 ? 超声波传感器的应用—遥控器、防盗报警器、接近开关、距离测量、液 位或料位测量、金属探伤以及厚度测量等。 ? 微波是波长为1~1000mm、频率300MHz~300GHz的电磁波 。 ? 微波传感器—利用微波特性来检测一些非电量的器件和装臵。其原理是: 由发射天线发射出微波,当遇到被测物体时将被吸收或反射,使微波功 率发生变化。 ? 微波传感器广泛用于液位、物位、厚度及含水量的测量。 ? 多普勒传感器—多普勒效应:由于波源和接收者之间存在着相互运动而 造成接收者接收到的频率与波源发出的频率不同,也称多普勒频移。 ? 多普勒效应的原理可测量运动物体的速度,如车速、船速、卫星速度和 流体的流速等。也可根据光学多普勒频移测定天体相对地球的运动。
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复习思考题
1. 超声波有哪些传播特性? 2. 应用超声波传感器探测工件时,在探头与工件接触 处要涂有一层耦合剂,请问这是为什么? 3. 根据你已学过的知识设计一个超声波探伤使用装臵 (画出原理框图),并简要说明它探伤的工作过程? 4. 比较微波传感器与超声波传感器有何异同? 5. 多普勒传感器的工作原理是什么?其应用有哪些?

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